CN111934782A - 一种基于双光源和可调光学滤波器的光电振荡器 - Google Patents

一种基于双光源和可调光学滤波器的光电振荡器 Download PDF

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胡哲峰
潘一
程书停
陈开鑫
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Abstract

本发明提供了一种基于双光源和可调光滤波器的光电振荡器，属于光通信和微波光子领域。克服传统光电振荡器受限于强度调制器和微波滤波器性能的缺点，采用相位调制的方案，利用光域滤波代替电域滤波进行选频，提供一种成本低、结构简单、易于实现并具有调谐性的光电振荡器。

Description

一种基于双光源和可调光学滤波器的光电振荡器
技术领域
本发明属于光通信和微波光子领域，特别涉及一种基于双光源和可调光学滤波器的光电振荡器。
背景技术
近几十年来光电信息科技的快速发展，人们对高质量微波信号源的研究更加深入。高质量的微波信号源是所有微波领域应用的基础，优质的微波信号在通信、测量、航天航空、雷达、电子对抗等方面都有着广泛的应用。利用电学原理产生微波的方法受到一些局限，如，工艺复杂、成本高、调谐范围窄、相位噪声较大、难以直接输出高频等。
微波光子技术与传统的全电学处理方法相比，突破了传统微波系统传输带宽较小和处理速度较低等方面的瓶颈，其优点可以归结为：小尺寸、大带宽、低损耗、不受电磁干扰及频率响应平坦等，可以完成传统微波系统中较复杂甚至是难以实现的微波信号处理和高速传输等。
光电振荡器是利用微波光子学技术产生微波信号的一种方法，主要是利用光纤链路的低相位噪声和低损耗特性，通过振荡产生微波信号。这种方法可以避开较为复杂的半导体工艺，设备简单，并具有频谱纯净、相位噪声低、可调谐范围大等优势。
传统的光电振荡器通常是基于强度调制和微波滤波器选频来实现振荡。强度调制存在工作点漂移的问题，会影响振荡器的稳定性；而微波滤波器难以做到高品质因数，在高频振荡时通常会使信号劣化。近年来，有一些研究选择使用双光源输入、通过相位调制和光学滤波来构造微波光子滤波器。本发明在此基础上，将其应用在光电振荡器中，通过利用双可调光源、相位调制器、可调光滤波器和光电探测器构成光电振荡器，实现了连续可调谐的单模振荡。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于相位调制和光学滤波器的光电振荡器，利用双可调光源、相位调制器、可调光滤波器和光电探测器构成滤波选频单元，并进一步搭建光电振荡器系统。
本发明采用的技术方案为：双光源输出不同波长光载波，进入相位调制器进行调制，调制信号经过可调光滤波器滤波，滤波后的信号通过光电探测器还原为电信号，经过放大之后反馈回相位调制器。相位调制器、可调光滤波器和光电探测器共同构成选频模块，经过循环选频、放大、反馈，最终形成稳定的振荡。
进一步地，所述可调光滤波器设置为带阻滤波器，分别滤掉两路相位调制信号的一个一阶边带，保留载波和另一个边带，打破正负一阶边带的幅度平衡，使其转变为强度调制信号。
进一步地，所述可调光滤波器的中心频率和带宽均可调谐。
进一步地，所述双光源均为单波长激光器，且输出波长可调谐，波长对应的频率分别位于带阻滤波器阻带的两侧。
进一步地，双光源输出波长对应的频率和可调光滤波器阻带有一定偏移量分别为Δω1和Δω2。
进一步地，通过改变两个光源与可调光滤波器的相对位置可以改变光电振荡器的输出频率，其具体关系为：
Figure RE-GDA0002696809870000031
其中，fout表示光电振荡器输出频率。
本发明的有益效果是：该系统在具备光电振荡器优点的同时还有结构简单、易于实现并具有调谐性的优点，特别是可调谐性，只需要通过改变光源的波长就能对输出频率进行连续调谐，一般来说在精确性上由于热调谐或电调谐。
附图说明
图1为本发明所采用的光电振荡器的原理图。
图2为本发明中振荡器的选频原理。
图3和图4为本发明所采用的选频模块的仿真。其中图3是两个光源分别于可调光滤波器构成的高通滤波器仿真，图4为两个高通滤波器频谱相减的结果。
图5为本发明所公开的光电振荡器的输出仿真。
具体实施方式
如图1所示，两个光源输出不同波长的光载波，耦合后进入相位调制器进行调制，调制信号经过可调光滤波器进行滤波，滤波后的信号通过一段作为储能元件的长光纤，再由光电探测器还原为电信号，经过放大之后反馈回相位调制器。经过循环选频、放大、反馈，最终形成稳定的振荡。
只考虑输出波长为ω1的光源的情况下，假设激光器的输出为Ecos(ω0t)，反馈信号为Vcos(ωt)，满足小信号条件，那么相位调制器输出信号可以表示为：
Figure RE-GDA0002696809870000032
其中，主要的三个谐波分量ω1-ω、ω1、ω1+ω分别代表-1阶边带、光载波、+1阶边带，E-1、E0、E+1分别为三个谐波分量的幅值，其中E-1＝E+1。
如图2所示，当调制频率较小时，相位调制信号的两个边带都在滤波器的通带，由于正负一阶边带等大反相，与载波拍频产生的电信号相互抵消，最终没有电信号输出；只有当调制频率满足：
ωm＞Δω1
+1阶边带被滤掉，载波和-1阶边带被保留。此时相位调制信号的两个一阶边带幅度平衡被打破，转变为强度调制信号，那么经过光电探测器光电转换后就可以得到对应频率的拍频信号。拍频信号经过电放大器放大后再反馈到相位调制器射频输入端，经过循环过程形成稳定振荡。光源、相位调制器、可调光滤波器和光电探测器形成的滤波选频模块为高通滤波器，其通带范围为上述的ωm>Δω 1。
同理，只考虑输出波长为ω2的光源的情况下，光源、相位调制器、可调光滤波器和光电探测器也形成一个高通滤波器，其通带范围为ωm>Δω2。
由于两个光载波分别与负一阶和正一阶边带拍频，当拍频出相同频率电信号时，由于相位相反，则相互抵消，所以整个系统的频率响应为两个高通滤波器频谱相减。
图3和图4为滤波选频模块的仿真，其中图3是两个高通滤波器的仿真。图 4是频谱相减之后形成带通滤波器的仿真，根据通带范围可以知道，滤波器中心频率为(Δω1+Δω2)/2，故可以通过改变光源频率和可调光滤波器在频谱上的想对位置来实现调谐，通常情况是通过改变光源频率来实现。
实施例
图5给出了本发明所公开的光电振荡器的输出仿真。光电振荡器的输出频率就对应于滤波选频单元的中心频率，故可以通过改变光源频率来改变滤波选频单元的中心频率，从而改变光电振荡器的振荡频率。

Claims (3)

1.一种基于双光源和可调光滤波器的光电振荡器，其特征在于：本装置包括了两个可调谐单波长激光器、光耦合器、相位调制器、可调光学滤波器、色散介质、光电探测器和微波放大器；两个激光器输出的单波长光作为两个载波，经过光耦合器耦合为一路光输入相位调制器，相位调制器将电信号调制到两个载波上面得到相位调制信号，相位调制信号经过可调谐滤波器滤波得到强度调制信号，滤波后的信号通过光电探测器还原为电信号，经过放大之后反馈回相位调制器；相位调制器、可调光滤波器和光电探测器共同构成选频模块，经过循环选频、放大、反馈，最终形成稳定的振荡。
2.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，两个激光器用于输入两个不同波长的单波长光，光耦合器用于将两路光合为一路，相位调制器用于调制电信号得到相位调制信号，可调谐光学滤波器是一个带阻滤波器，用于滤除相位调制信号的一个边带，光电探测器用于还原出电信号，微波放大器用于对信号进行放大，整个环路用于选频、放大、反馈，最终形成稳定的振荡。
3.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，如果只有一个激光器输出波长对应的频率落在带阻滤波器截止频率的外侧附近，将只会得到一个高通微波光子滤波器，不能构成选频模块，无法形成稳定振荡；如果两个激光器输出波长对应的频率都落在阻带内，无法还原出电信号，不能形成振荡；只有当两个激光器输出波长对应的频率分别落在带阻滤波器截止频率的外侧附近，将会得到两个截止频率不同的高通微波光子滤波器，它们的响应频谱叠加就是光电振荡器的输出频率，通过改变两个光源与可调光学滤波器的截至频率的相对位置可以改变光电振荡器的输出频率。
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