CN111953342B - 一种带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器。利用双环光电振荡器自身结构中的长光纤与短光纤产生两路不同延时的信号，相位扰动检测电路对这两路信号进行处理，从而得到相位扰动信号。相位扰动信号经过反馈控制器后反馈到光电振荡器中的电控移相器，对双环光电振荡器中的相位扰动进行负反馈主动抑制，从而使得光电振荡器产生低相位噪声的微波信号。本发明充分利用双环光电振荡器自身的长光纤与短光纤构建相位扰动检测电路，无需额外的延时器件，结构简单。

Description

一种带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器

技术领域

本发明属于光电子和微波技术领域，尤其涉及双环光电振荡器中的相位扰动检测和负反馈主动抑制技术。

背景技术

光电振荡器是一种延时正反馈型振荡器，通过谐振产生微波信号，其相位域模型是一个低通滤波器，可以被动地衰减远载频相位噪声，但对近载频相位噪声的抑制能力较差。光电振荡器的Q值与光纤的长度成正比，当增加光纤长度时，系统的Q值随之增加，对相位噪声的抑制能力随之增强，光电振荡器的相位噪声也随之降低。但是随着光纤长度的增加，谐振模式的频率间隔相应减小，边模(side modes)的幅度也越来越显著。目前，比较常用的抑制光电振荡器中边模的方法是利用双环光电振荡器，将两段长度不同的光纤延时线并联，从而形成了两个耦合的谐振环路。环路延时不同的两个谐振环路的模式频率间隔是不同的，相互耦合以后，主模频率是对准的，而两个环路边模的频率是不同的，因此，两环的主模相互增强，而两环的边模相互抑制，从而实现低边模幅度的谐振信号。

光电振荡器利用自身谐振产生微波信号，而振荡器在相位域是一个低通模型，只能对远载频相位噪声进行显著的被动抑制，但对近载频相位噪声的抑制能力较弱。因此，光电振荡器的近载频相位噪声仍然比较大。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种新型的带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器，利用双环光电振荡器自身的两个延时单元构成鉴相电路，并将鉴相电路输出的相位扰动信号负反馈至光电振荡器中的电控移相器，因此就不需要外置的延时线，利用鉴相电路得到相位扰动信号，再反馈控制双环光电振荡器中的电控移相器，从而通过负反馈来抑制近载频相位噪声，产生近载频相位噪声更低的振荡信号。

技术方案：本发明的一种带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器中，该双环光电振荡器中，光源输出光信号耦合到电光调制器，电光调制器连接至光功分器，光功分器将光信号分为两路：光功分器一路光信号经过第一光延时单元后输入第一光电转换器，第一光电转换器输出的电信号经过第一电放大器放大输入至第一电耦合器，第一电耦合器的输出分别连接至第一合功器和相位解调电路；光功分器的另一路光信号经过第二光延时单元后输入光第二电转换器，第二光电转换器输出的电信号经过第二电放大器放大输入至第二电耦合器，第二电耦合器的输出分别连接至第一合功器和相位解调电路；第一合功器、第三电放大器、第一电控移相器和滤波器、电光调制器顺序依次连接，形成双环光电振荡器；相位解调电路得到的相位扰动信号输入到第一电控制器，第一电控制器的输出信号反馈到第一电控移相器，对双环光电振荡器中的相位扰动进行负反馈主动抑制。

所述的第一光延时单元和第二光延时单元是一段光纤、光波导、光谐振腔或光学慢波结构或它们的组合。

所述的相位解调电路为含有将第一电耦合器和第二电耦合器的输出信号进行正交混频的混频器，或者为含有输入将第一电耦合器和第二电耦合器的输出信号进行正交叠加的六端口微波器件，或者为含有将第一电耦合器和第二电耦合器的输出信号反相叠加的载波抑制电路。

所述的第一电控移相器位于光电振荡器谐振环路中的任意位置，是但不限于电压控制移相器、电流控制移相器、电控光移相器。

所述的第一电控移相器能通过第一电控制器的输出信号连接至电光调制器的偏置输入端来实现，通过调节电光调制器的偏置工作点来实现光电振荡器谐振环路的相位调节。

所述的第一电控移相器能通过第一电控制器的输出信号连接至光源的驱动信号端来实现，通过调谐光源的波长来实现光电振荡器谐振环路的相位调节。

所述的双环光电振荡器中的一路光延时单元能由电延时实现。

有益效果：本发明利用双环光电振荡器自身结构中存在的长光纤延时线和短光纤延时线得到不同延时量的两路微波信号，随后可以利用：1.正交混频鉴相提取相位扰动信号；2.六端口微波器件提取相位扰动信号；3.含由载波抑制电路的鉴相电路(正交混频或者六端口微波器件)提取相位扰动信号。将提取的相位扰动信号经过电控制器后，反馈控制振荡器内部电控移相器，从而实现对双环光电振荡器的近载频相位噪声的抑制；

利用本专利提出的带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器，可以仅使用数百米的光纤即能够产生低相位噪声的微波信号；

利用本专利提出的带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器，可以提升双环光电振荡器的抗振能力。外界振动会对长光纤产生应力作用，影响光纤的折射率，使得信号在光纤中传输时相位不稳当，进而恶化光电振荡器的相位噪声。本专利提出的负反馈主动抑制相位噪声的双环光电振荡器也能够抑制由于振动引起的相位噪声恶化，即提升了系统的抗振动能力；

利用本专利提出的带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器，可以提升双环光电振荡器的长期稳定性。鉴相电路在解调出相位扰动信号的同时，也能够得到直流误差信号。利用直流信号反馈控制光延时单元，可以提升系统的长期稳定性。

附图说明

图1是主动抑制相位噪声的双环光电振荡器结构框图；

图2是正交混频鉴相电路结构图；

图3是利用正交混频提取相位扰动信号的主动抑制相位噪声的双环光电振荡器原理图；

图4是利用六端口微波器件提取相位扰动信号的主动抑制相位噪声的双环光电振荡器原理图；

图5是含有载波抑制的主动抑制相位噪声的双环光电振荡器原理图；

图6是利用电延时线和光延时线实现主动抑制相位噪声的双环光电振荡器原理图。

具体实施方式

正交混频鉴频电路其结构示意图如图2所示，微波源201输出信号经过功分器202后分为两路，两路信号分别经过延时线203和第一可调移相器204后输入第一混频器205的本振和射频端口，通过调节第一可调移相器204控制输入第一混频器205的两路信号正交，实现正交混频。第一混频器205的中频输出端口经过低通滤波器206后就可以得到相位扰动信号。

六端口(six-port)微波器件可以用来替代正交混频电路中的电控移相器和混频器，在无需相位控制的电路中实现相位扰动信号的提取。六端口微波器件可以用多个90°Hybrid实现，将两路输入信号a和b转化为四路输出信号，这四路信号分别为a+b，a-b，a+jb和a-jb。再利用含有检波管、差分放大器等器件的电控制器即可得到相位扰动信号。

振荡器产生的信号可以用外置的鉴相电路得到相位扰动信号，鉴相电路中一般含有两路延时不等的延时线，将相位扰动信号负反馈到振荡器的调谐端，就可以实现对振荡器近载频相位噪声的负反馈主动抑制。对于双环光电振荡器，本发明利用其内部的两段光纤延时线或一段光延时线与一段电延时线来实现鉴相电路中的两路不等延时，

本发明的一种带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器，光源输出的光信号经过电光调制器调制后分为两路。两路光信号经过长度不同的光延时单元后实现光电转换，将调制在光信号上的微波信号解调出来。利用放大器将两路微波信号放大后，再利用两个耦合器将两路微波信号耦合至光电振荡器腔外。两个耦合器的直接输出信号输入合功器，实现并联的光延时单元。合功器输出的信号再经过微波放大器、电控移相器、窄带滤波器后输入电光调制器的微波输入端口，形成双环光电振荡器。将两个耦合器的耦合输出信号输入鉴相电路，就可以得到双环光电振荡器的相位扰动信号。将得到的相位扰动信号输入电控制器后，输入到双环光电振荡器中的电控移相器，既实现一种新型的带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器；

进一步地，鉴相电路可以利用正交混频电路实现，也可以利用六端口微波器件实现；

进一步地，可以利用载波抑制方法，降低鉴相电路自身的噪声对得到相位扰动信号的影响。首先将两个耦合器中耦合输出的两路微波信号进行载波抑制，利用两路不同延时的信号实现载波抑制可以保留相位噪声而显著降低载波的强度，再利用低噪声放大器对载波抑制信号进行放大，可以实现对相位噪声的线性放大，显著降低后面的电控制的附加噪声的影响。随后，将低噪声放大器输出的信号与振荡器产生的信号输入鉴相电路，即可以得到相位扰动信号。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明的带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器中，光源1输出光信号耦合到电光调制器2，电光调制器2连接至光功分器3，光功分器3将光信号分为两路：光功分器3一路光信号经过第一光延时单元4后输入第一光电转换器5，第一光电转换器5输出的电信号经过第一电放大器6放大输入至第一电耦合器10，电耦合器10的输出分别连接至第一合功器12和相位解调电路16；光功分器3的另一路光信号经过第二光延时单元7后输入光第二电转换器8，第二光电转换器8输出的电信号经过第二电放大器9放大输入至第二电耦合器11，第二电耦合器11的输出分别连接至第一合功器12和相位解调电路16；第一合功器12、第三电放大器13、第一电控移相器14和滤波器15、电光调制器2顺序依次连接，形成双环光电振荡器；相位解调电路16得到的相位扰动信号输入到第一电控制器17，第一电控制器17的输出信号反馈到第一电控移相器14，对双环光电振荡器中的相位扰动进行负反馈主动抑制。

实施例1：

如图3所示，激光器101输出光信号经过第一电光调制器102，第一电光调制器102连接至第一光耦合器103，第一光耦合器103将光信号分为两路，一路光信号经过短光纤延时线104后输入第一光电探测器106，另一路光信号经过长光纤延时线105后输入第二光电探测器107。第一光电探测器106电输出端口连接第一电放大器6，第一电放大器6连接至第一电耦合器10；第二光电探测器107电输出端口连接第二电放大器9，第二电放大器9连接至第二电耦合器11。第一电耦合器10和第二电耦合器11的直通输出端口输入第一合功器12。第一合功器12的输出端口依次连接第三放大器13、第一电控移相器14和滤波器15。滤波器15的输出信号反馈输入第一电光调制器102的电输入端口形成闭环。第一电耦合器10的耦合输出信号经过第二电控移相器108后与第二电耦合器11的耦合输出信号分别输入第二混频器109的射频和本振输入端口，第二混频器109的中频输出信号连接第二电控制器110。

第二电控制器110将第二混频器109的中频输出信号低噪声放大后，分为两路信号：一路经过积分器输出控制第二电控移相器108，控制输入第二混频器109的两路信号正交，使第二混频器109可以作为鉴相器使用；第二电控制器110的另一路输出信号控制第一电控移相器14抑制双环光电振荡器的近载频相位噪声。

实施例2：

如图4所示，激光器101输出光信号经过第一电光调制器102，第一电光调制器102连接至第一光耦合器103，第一光耦合器103将光信号分为两路，一路光信号经过短光纤延时线104后输入第一光电探测器106，另一路光信号经过长光纤延时线105后输入第二光电探测器107。第一光电探测器106电输出端口连接第一电放大器6，第一电放大器6连接至第一电耦合器10；第二光电探测器107电输出端口连接第二电放大器9，第二电放大器9连接至第二电耦合器11。第一电耦合器10和第二电耦合器11的直通输出端口输入第一合功器12。第一合功器12的输出端口依次连接第三放大器13、第一电控移相器14和滤波器15。滤波器15的输出信号反馈输入第一电光调制器102的电输入端口形成闭环。第一电耦合器10和第二电耦合器11的耦合输出信号输入六端口微波器件311，六端口微波器件311的另外四个端口连接至第三电控制器312。

第三电控制器312内部经过检波、差分放大、环路滤波器之后，输出信号控制第一电控移相器14，对双环光电振荡器的近载频相位噪声进行抑制。

实施例3：

如图5所示，激光器101输出光信号经过第一电光调制器102，第一电光调制器102连接至第一光耦合器103，第一光耦合器103将光信号分为两路，一路光信号经过短光纤延时线104后输入第一光电探测器106，另一路光信号经过长光纤延时线105后输入第二光电探测器107。第一光电探测器106电输出端口连接第一电放大器6，第一电放大器6连接至第一电耦合器10；第二光电探测器107电输出端口连接第二电放大器9，第二电放大器9连接至第二电耦合器11。第一电耦合器10和第二电耦合器11的直通输出端口输入第一合功器12。第一合功器12的输出端口依次连接第三放大器13、第三电耦合器411、第一电控移相器14和滤波器15。滤波器15的输出信号反馈输入第一电光调制器102的电输入端口形成闭环。第一电耦合器10的耦合输出信号连接可调衰减器412，第二电耦合器11的耦合输出信号连接第二可调移相器413。利用可调衰减器412和第二可调移相器413调节两路信号的强度相同、相位相差180°后输入第二合功器414，于是在第二合功器414输出端可以得到载波抑制的信号。第二合功器414的输出端连接至低噪声放大器415，将载波抑制后的信号进行线性放大。低噪声放大器415的输出信号与第三电耦合器411的耦合输出信号第一鉴相电路416，第一鉴相电路416输出的电信号经过第四电控制器417后控制第一电控移相器14，对双环光电振荡器的近载频相位噪声进行抑制。

值得提出的是，本实施例中的第一鉴相电路416可以由正交混频电路实现，也可以由六端口微波器件实现。

实施例4：

如图6所示，激光器101输出光信号经过第一电光调制器102，第一电光调制器102连接至长光纤延时线105，长光纤延时线105连接第二光电探测器107。第二光电探测器107电输出端口连接第二电耦合器11。第二电耦合器11的直通输出端口连接至第一合功器12。第一合功器12的输出依次连接第三放大器13、第一电控移相器14和滤波器15。滤波器15的输出信号连接第一电耦合器10，第一电耦合器10的直通输出端口连接第一电光调制器102的电输入端口形成闭环。第一电耦合器10的耦合输出信号连接至第三电耦合器411。第三电耦合器411的直通输出端口连接至第一合功器12的另一输入端口；第二电耦合器11和第三电耦合器411的耦合输出信号同时输入第二鉴相电路511，得到相位扰动信号。

将相位扰动信号输入第五电控制器512，第五电控制器512的输出信号连接至第一电控移相器14，实现对双环光电振荡器的近载频相位噪声进行抑制。

Claims (7)

1.一种带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器，其特征在于，该双环光电振荡器中，光源(1)输出光信号耦合到电光调制器(2)，电光调制器(2)连接至光功分器(3)，光功分器(3)将光信号分为两路：光功分器(3)一路光信号经过第一光延时单元(4)后输入第一光电转换器(5)，第一光电转换器(5)输出的电信号经过第一电放大器(6)放大输入至第一电耦合器(10)，第一电耦合器(10)的输出分别连接至第一合功器(12)和相位解调电路(16)；光功分器(3)的另一路光信号经过第二光延时单元(7)后输入光第二电转换器(8)，第二光电转换器(8)输出的电信号经过第二电放大器(9)放大输入至第二电耦合器(11)，第二电耦合器(11)的输出分别连接至第一合功器(12)和相位解调电路(16)；第一合功器(12)、第三电放大器(13)、第一电控移相器(14)和滤波器(15)、电光调制器(2)顺序依次连接，形成双环光电振荡器；相位解调电路(16)得到的相位扰动信号输入到第一电控制器(17)，第一电控制器(17)的输出信号反馈到第一电控移相器(14)，对双环光电振荡器中的相位扰动进行负反馈主动抑制。

2.根据权利要求1所述的带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器，其特征在于，所述的第一光延时单元(4)和第二光延时单元(7)是一段光纤、光波导、光谐振腔或光学慢波结构或它们的组合。

3.根据权利要求1所述的带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器，其特征在于，所述的相位解调电路(16)为含有将第一电耦合器(10)和第二电耦合器(11)的输出信号进行正交混频的混频器，或者为含有输入将第一电耦合器(10)和第二电耦合器(11)的输出信号进行正交叠加的六端口微波器件，或者为含有将第一电耦合器(10)和第二电耦合器(11)的输出信号反相叠加的载波抑制电路。

4.根据权利要求1所述的带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器，其特征在于，所述的第一电控移相器(14)位于光电振荡器谐振环路中的任意位置，是但不限于电压控制移相器、电流控制移相器、电控光移相器。

5.根据权利要求1所述的带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器，其特征在于，所述的第一电控移相器(14)能通过第一电控制器(17)的输出信号连接至电光调制器(2)的偏置输入端来实现，通过调节电光调制器的偏置工作点来实现光电振荡器谐振环路的相位调节。

6.根据权利要求1所述的带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器，其特征在于，所述的第一电控移相器(14)能通过第一电控制器(17)的输出信号连接至光源(1)的驱动信号端来实现，通过调谐光源的波长来实现光电振荡器谐振环路的相位调节。

7.根据权利要求1所述的带有主动抑制相位噪声电路的双环光电振荡器，其特征在于，所述的双环光电振荡器中的一路光延时单元能由电延时实现。

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