CN112653458A - 一种自注入锁定光电振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自注入锁定光电振荡器，属于光电控制领域，包括：激光光束经调制传输到光电探测器，依次经过射频放大器和滤波器，进入耦合器并分成两路，其中一路耦合信号SA作为光电振荡器的输出；另一路再次经射频耦合后按照1：9的功率分配比，
Figure DDA0002871873620000011
的功率信号S1输入频率变换滤波器，
Figure DDA0002871873620000012
的功率信号S9输入第三射频耦合器；本振信号经过射频耦合分为两路，其中一路与功率信号S1混频，经下变频为中频信号，依次经过中频放大器和滤波器，与另一路本振信号再次进行混频，输出注入信号SR；注入信号SR与功率信号S9再次耦合并返回给调制器，形成闭环；本发明使用自注入锁定的方式产生了低杂散低相位噪声的微波振荡信号。

Description

一种自注入锁定光电振荡器
技术领域
本发明属于光电控制领域，涉及一种自注入锁定光电振荡器。
背景技术
微波信号源在现代生活中被广泛地用于通信、军事雷达、生物成像、卫星定位以及科学计量等诸多领域。而评价单频微波信号好坏的主要因素有两点：一是微波信号的相位噪声，二是微波信号的杂散。
理想的单频微波信号的相位是随时间严格按周期变化的，但是实际情况中会存在一个微小的相位偏差，相位噪声就是描述这个随时间变化的微小的相位偏差。理想的单频信号在傅里叶频域时只有一个频率分量，而信号频率之外的其它频率分量是不希望存在的，并称之为杂散(除信号频率之外的其它频率分量)。
在光纤通信以及雷达探测等应用中，低相位噪声低杂散的高质量微波信号有利于降低系统的噪底，提升系统的灵敏度，对系统的性能起到了至关重要的作用。因此，高质量的微波信号在当今的诸多领域都有十分重要的意义。但是，传统的直接产生高频的微波信号价格昂贵、体积大且功耗大，这些特性都限制了其在诸多领域内的应用。
光电振荡器，作为一种新型的振荡器，具有体积小、功耗低和质量好的特点；更重要的是，光电振荡器产生的微波信号的相位噪声与频率无关，这使得光电振荡器在产生高频的微波信号上具有极大的优势。利用光纤传输损耗低、大带宽的特点，能够很容易就实现高品质因数的光电谐振腔，从而有望获得低相位噪声的振荡信号。虽然光电振荡器在产生低相位噪声的微波信号方面具有良好的性能，但是同样存在多模振荡以及模式跳跃的问题。由于光纤不具有滤波特性，因此所有满足条件的模式都能起振。为了获得稳定高质量的振荡信号，必须对信号频率之外的杂散进行抑制。但是传统的光电振荡器为了获得低的相位噪声而需要使用较长的腔长，从而实现高的品质因数的谐振腔。腔长的增加导致腔内模式间隔变小。传统的微波滤波器在中心频率达到10GHz及以上水平后其带宽很难达到1MHz以下。使用微波滤波器直接滤波难以保证单模振荡，从而会产生高的杂散，不利于稳定振荡信号的产生。
现有的注入锁定光电振荡器，如图1所示，主要由一个光电振荡器、一个由外部注入射频源和射频耦合器组成。激光器发出的连续光载波通过电光调制器，经过一段光纤之后入射到光电探测器恢复为电信号。恢复的电信号经过放大和滤波之后与外部注入射频源产生的信号经过射频耦合器进行耦合，再经过放大后输入到电光调制器的射频输入口。通过调节外部注入射频源的频率以及腔内的移相器使得振荡信号的频率落到注入锁定带宽内，最终振荡信号的频率与注入射频源的频率一致，从而实现注入锁定的目的并对杂散起到抑制作用。
在注入锁定光电振荡器当中，锁定之后的振荡信号的相位噪声也会受到注入射频源的相位噪声的影响，振荡信号的相位噪声在低频率偏移处与注入信号的相位噪声相同，这一结果往往会使得注入锁定的光电振荡器在低频偏处的相位噪声较差。为了获得在低频偏移处具有低相位噪声的振荡信号需要注入信号在低频偏移处具有优异的相噪表现，这对注入信号的相位噪声有非常高的要求。
发明内容
本发明的目的是提出一种自注入锁定光电振荡器，可以产生低相位噪声低杂散的微波信号，在利用光纤和微波器件组成的高品质因数光电混合腔中，通过自注入锁定的方式实现对振荡信号杂散的抑制，从而实现低相位噪声低杂散的振荡信号的产生。
所述的自注入锁定光电振荡器，包括：激光器，调制器，光电探测器，射频放大器，射频滤波器，三个射频耦合器和频率变换滤波器。
所述三个射频耦合器分别为第一射频耦合器，第二射频耦合器和第三射频耦合器；
所述三个射频耦合器，调制器，光电探测器，射频放大器和射频滤波器共同构成谐振腔；
所述频率变换滤波器是由本振信号、第四射频耦合器、一对射频混频器、一个中频滤波器以及一个中频放大器组成。
一对射频混频器分别为第一射频混频器和第二射频混频器；
激光器发出的激光光束经过调制器调制后，由光纤传输到光电探测器中，依次经过射频放大器和射频滤波器进行放大和滤波后，进入第一射频耦合器分成两路，其中一路耦合输出信号SA直接作为光电振荡器的输出；另一路经过第二射频耦合器，按照1：9的功率分配比，
Figure BDA0002871873600000021
的功率信号S1输入频率变换滤波器，
Figure BDA0002871873600000022
的功率信号S9输入第三射频耦合器；
频率变换滤波器中的本振信号经过第四射频耦合器后分别进入一对射频混频器中，其中进入第一射频混频器中的本振信号与进行功率信号S1混频，功率信号S1在本振信号的辅助下，信号下变频为中频信号，中频信号依次经过中频放大器和中频滤波器到达第二射频混频器，与本振信号再次进行混频，在本振信号的辅助下，中频信号上变频恢复到振荡信号的频率，输出的信号即为注入信号SR；
注入信号SR与功率信号S9一起到达第三射频耦合器中进行耦合，然后将耦合信号返回给调制器，形成闭环；
所述的自注入锁定光电振荡器的低相位噪声，具体过程如下：
首先，计算注入信号SR的相位噪声Si(f)：
Si(f)＝Sfree(f)+4sin2(πfτ)SLO(f)
Sfree(f)是现有的注入锁定光电振荡器中自由振荡信号的相位噪声；4sin2(πfτ)SLO(f)为本振信号的残余相位噪声；f为偏离载波的频率，τ是本振信号到达第二射频混频器的时间t1，与本振信号依次经过第一射频混频器，中频放大器和中频滤波器到达第二射频混频器的时间t2，两个时间的差值；SLO(f)是本振信号的相位噪声。
然后，利用振荡信号SA和注入信号SR计算锁定带宽ΔfL：
Figure BDA0002871873600000031
fo为振荡信号SA的频率，Q为谐振腔的品质因数，Pi为注入信号SR的功率，Po为振荡信号SA的功率。
接着，不断调整本振信号的频率，直至注入信号SR的频率与振荡信号SA的频率差小于锁定带宽ΔfL，实现自注入锁定；
最后，在自注入锁定的前提下，利用注入信号SR的相位噪声Si(f)和锁定带宽ΔfL计算最终的自注入锁定的振荡器的相位噪声为：
Figure BDA0002871873600000032
本发明的优点在于：
一种自注入锁定光电振荡器，使用自注入锁定的方式实现低杂散低相位噪声的微波振荡信号的产生，其中注入信号是先将振荡信号部分耦合到腔外，在经过频率变换滤波之后再注入回腔内。由于频率变换滤波的作用，本振信号的相位噪声在注入信号中的残余分量非常低，这将大大降低对本振信号的相位噪声的要求，实现低相位噪声的振荡信号的产生。由于自注入信号是经过窄带滤波之后的信号，所以同时也能够对振荡信号的杂散起到很好的抑制作用。
附图说明
图1是现有技术中采用的注入锁定光电振荡器结构图；
图2是本发明采用的自注入锁定光电振荡器结构图；
图3是本发明与现有的注入锁定光电振荡器的相位噪声对比图；
图4是本发明与现有的注入锁定光电振荡器的频谱对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
注入锁定是指，在光电振荡器中，通过将一个与振荡模式的频率相近的外部信号注入到腔内，使得振荡信号的频率与注入信号的频率相同，从而达到振荡信号频率的锁定，并实现对振荡信号的杂散抑制的技术。
本发明提出了一种自注入锁定光电振荡器，在利用光纤和微波器件组成的高品质因数光电混合腔中通过自注入锁定的方式实现对振荡信号杂散的抑制，从而实现低相位噪声低杂散的振荡信号的产生。
如图2所示，所述的自注入锁定光电振荡器，包括：激光器，调制器，光电探测器，射频放大器，射频滤波器，第一射频耦合器，第二射频耦合器，第三射频耦合器和频率变换滤波器。
所述三个射频耦合器，调制器，光电探测器，射频放大器和射频滤波器共同构成谐振腔；
所述频率变换滤波器是指：将信号经过频率变换到其它频率范围，滤波之后再恢复到信号原本的频率；具体是由本振信号、第四射频耦合器、第一射频混频器、第二射频混频器、一个中频滤波器以及一个中频放大器组成。
激光器发出的激光光束经过调制器调制后，由光纤传输到光电探测器中，依次经过射频放大器和射频滤波器进行放大和滤波后，进入第一射频耦合器分成两路，其中一路耦合输出信号SA直接作为光电振荡器的输出；另一路经过第二射频耦合器，按照1：9的功率分配比，
Figure BDA0002871873600000041
的功率信号S1输入频率变换滤波器，
Figure BDA0002871873600000042
的功率信号S9输入第三射频耦合器；
频率变换滤波器中的本振信号经过第四射频耦合器后分别进入一对射频混频器中，其中进入第一射频混频器中的本振信号与进行功率信号S1混频，功率信号S1在本振信号的辅助下，信号下变频为中频信号，中频信号依次经过中频放大器和中频滤波器到达第二射频混频器，与本振信号再次进行混频，在本振信号的辅助下，中频信号上变频恢复到振荡信号的频率，输出的信号即为注入信号SR；
注入信号SR与功率信号S9一起到达第三射频耦合器中进行耦合，然后将耦合信号返回给调制器，形成闭环；
所述的自注入锁定光电振荡器，产生低相位噪声的具体过程如下：
众所周知，现有的注入锁定的光电振荡器的锁定带宽表示为如下形式：
Figure BDA0002871873600000043
其中fo为振荡信号的频率，Q为谐振腔的品质因数，Pi和Po分别为注入的微波信号和振荡的微波信号的功率，两者的功率之比称为注入比。
从式(1)中可以看出，在fo和Q固定的情况下，锁定带宽是正比于注入比的，即注入信号的功率越大，锁定带宽越大，越是难以失锁。但是注入锁定的光电振荡器的相位噪声S(f)除了和振荡器本身的相位噪声有关之外，还与注入信号的相位噪声和注入比相关；具体公式如下：
Figure BDA0002871873600000051
其中Si(f)是注入信号的相位噪声，Sfree(f)为自由振荡的光电振荡器的相位噪声，f为偏离载波的频率。
根据式(2)，在f较小的低频偏处，注入锁定光电振荡器的相位噪声由注入信号的相位噪声Si(f)决定，随着频偏越大，注入信号的相位噪声对振荡信号的相位噪声逐渐减小，最终达到自由振荡信号的相位噪声水平，即高频偏处的相位噪声和自由振荡时信号的相位噪声Sfree(f)相等。
同时，在注入锁定光电振荡器当中，锁定之后的振荡信号的相位噪声也会受到注入的射频源的相位噪声的影响，振荡信号的相位噪声在低频率偏移处与注入信号的相位噪声相同。这一结果往往会使得注入锁定的光电振荡器在低频偏处的相位噪声较差。为了获得在低频偏处具有低相位噪声的振荡信号需要注入信号在低频片处具有优异的相噪表现，这对注入信号的相位噪声有非常高的要求。
不同于现有技术，本申请注入到谐振腔内的信号是经过频率变换滤波后的振荡信号，利用频率变换滤波的方式实现对部分振荡信号窄带滤波，再将滤波后的信号注入到环路当中，实现对振荡信号的杂散的抑制，同时，注入信号引入的额外的相位噪声更小，从而有望获得更低的相位噪声。在装置启动之初，由于谐振腔内的射频放大器的作用，腔内的噪声信号不断被放大，经过谐振腔和射频滤波器的共同选择作用，特定频率的噪声信号逐渐增大，当腔内的信号的功率达到射频放大器或者调制器的饱和功率之后，腔内的增益减小，最终维持在增益与损耗相当的水平，形成稳定的振荡。
振荡信号在经过放大和滤波之后一部分通过射频耦合器耦合输出到腔外，经过频率变换滤波之后再注入到腔内；输入到频率变换滤波器的信号先与本振信号经由第一个射频混频器下变频到中频，经过中频滤波器滤波以及中频放大器放大之后，再经由第二个射频混频器和相同的本振信号上变频，恢复到与输入信号相同的频率，从而实现频率变换滤波的功能。
由于中频滤波器具有较低的中心频率(几十MHz),其带宽可以达到MHz以下，因而频率变换滤波可以实现高频信号范围内难以完成的窄带滤波过程。经过频率变换滤波之后的信号经由第二个射频耦合器耦合到腔内，达到自注入锁定的目的。
自注入锁定的过程如下：
忽略中频放大器，频率变换滤波器的输入输出可以表达为
Figure BDA0002871873600000052
其中，sin(t)为功率信号S1，sout(t)为输出的注入信号SR，sLO(t)为本振信号，hIF(t)为中频滤波器的响应，
Figure BDA0002871873600000053
为卷积运算；
上式在频域的表示则为
Figure BDA0002871873600000061
从频域的公式可以清楚地看到：信号首先被本振信号下变频到中频附近，然后通过中频滤波器，再次被本振信号恢复到原来频率。
当本振为无噪声的单频信号时，则该频率变换滤波器的频率响应为
HRF(jω)＝HIF[j(ωLO-ω)] (5)
假设ωLO＝ωRF+ωIF，即目标信号的中心频率与中频滤波器频率之和等于本振信号的频率。上述公式表明了该频率变换滤波器与中频滤波器除了工作中心频率之外具有完全一致的频率效应。
在自注入锁定的电振荡器当中，通过改变本振信号的频率，使得振荡信号的频率位于频率变换滤波器的带宽之内，此时可以认为经过频率变换滤波之后的注入信号频率与频率变换滤波器的中心频率相同，当频率变换滤波器的中心频率与振荡器振荡频率之差小于ΔfL，即满足锁定带宽的条件，就可以实现自注入锁定。
所述的自注入锁定光电振荡器的低相位噪声，具体过程如下：
注入信号的相位噪声包含两部分：一部分是来自于自由振荡的相位噪声，另外一部分是在频率变换滤波过程中引入的本振信号的残余相位噪声。
首先，计算注入信号SR的相位噪声，表示为如下形式：
Si(f)＝Sfree(f)+4sin2(πfτ)SLO(f) (6)
其中Sfree(f)是自由振荡的信号的相位噪声，SLO(f)是本振信号的相位噪声，第二项为本振信号的残余相位噪声。τ则是本振信号经过两次频率变换产生的延时差。
将式(6)代入现有的式(2)中，得到自注入锁定的振荡器的相位噪声为：
Figure BDA0002871873600000062
与注入锁定的光电振荡器相比，外部信号源的残余相噪在低频偏处大大降低。这使得在使用相同的外部信号源的时候，自注入锁定的光电振荡器有望获得相位噪声更低的振荡信号。
在相同的实验条件下，通过分别使用如图1和如图2所示的装置进行了实验。
对比注入锁定的光电振荡器，如图3所示，从相位噪声对比中可以看出，在相同的注入比的情况下，本方案的相位噪声降低了超过20dB，输出信号具有更低的相位噪声。在频率偏移100Hz到100kHz的范围内，本方案的输出信号的相位噪声大大被降低。
如图4所示，在相同的注入比下，本方案能对边模进行有效的抑制，达到和现有方案(注入锁定光电振荡器)相同的边模抑制比，而且其边模抑制比也达到了与注入锁定的光电振荡器一样的75dB。

Claims (3)

1.一种自注入锁定光电振荡器，其特征在于，包括：激光器，调制器，光电探测器，射频放大器，射频滤波器，第一射频耦合器，第二射频耦合器，第三射频耦合器和频率变换滤波器；
所述频率变换滤波器是由本振信号、第四射频耦合器、第一射频混频器、第二射频混频器、一个中频滤波器以及一个中频放大器组成；
激光器发出的激光光束经过调制器调制后，由光纤传输到光电探测器中，依次经过射频放大器和射频滤波器进行放大和滤波后，进入第一射频耦合器分成两路，其中一路耦合输出信号SA直接作为光电振荡器的输出；另一路经过第二射频耦合器，按照1：9的功率分配比，
Figure FDA0002871873590000011
的功率信号S1输入频率变换滤波器，
Figure FDA0002871873590000012
的功率信号S9输入第三射频耦合器；
频率变换滤波器中的本振信号经过第四射频耦合器后分别进入一对射频混频器中，其中进入第一射频混频器中的本振信号与进行功率信号S1混频，功率信号S1在本振信号的辅助下，信号下变频为中频信号，中频信号依次经过中频放大器和中频滤波器到达第二射频混频器，与本振信号再次进行混频，在本振信号的辅助下，中频信号上变频恢复到振荡信号的频率，输出的信号即为注入信号SR；
注入信号SR与功率信号S9一起到达第三射频耦合器中进行耦合，然后将耦合信号返回给调制器，形成闭环。
2.如权利要求1所述的一种自注入锁定光电振荡器，其特征在于，所述的三个射频耦合器，调制器，光电探测器，射频放大器和射频滤波器共同构成谐振腔。
3.如权利要求1所述的一种自注入锁定光电振荡器，其特征在于，所述的自注入锁定光电振荡器的低相位噪声，具体过程如下：
首先，计算注入信号SR的相位噪声Si(f)：
Si(f)＝Sfree(f)+4sin2(πfτ)SLO(f)
Sfree(f)是现有的注入锁定光电振荡器中自由振荡信号的相位噪声；4sin2(πfτ)SLO(f)为本振信号的残余相位噪声；f为偏离载波的频率，τ是本振信号到达第二射频混频器的时间t1，与本振信号依次经过第一射频混频器，中频放大器和中频滤波器到达第二射频混频器的时间t2，两个时间的差值；SLO(f)是本振信号的相位噪声；
然后，利用振荡信号SA和注入信号SR计算锁定带宽ΔfL：
Figure FDA0002871873590000013
fo为振荡信号SA的频率，Q为谐振腔的品质因数，Pi为注入信号SR的功率，Po为振荡信号SA的功率；
接着，不断调整本振信号的频率，直至注入信号SR的频率与振荡信号SA的频率差小于锁定带宽ΔfL，实现自注入锁定；
最后，在自注入锁定的前提下，利用注入信号SR的相位噪声Si(f)和锁定带宽ΔfL计算最终的自注入锁定的振荡器的相位噪声为：
Figure FDA0002871873590000021
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