CN113541811A - 基于级联电光调制和平衡探测的噪声对消装置 - Google Patents

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李平
吴怡凡
杨锋
王爽
吴晴
郭照鑫
时婕
占佳涵
蔡宇翔
孙思婷
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Abstract

本发明公开了基于级联电光调制和平衡探测的噪声对消装置，相位调制器将注入源输出的信号进行相位调制，调制到光源输出的光载波上，输出的相位调制光信号在级联的强度调制器中进行强度调制，调制上光电振荡信号，输出级联电光调制后的光信号。电光调制器输出的光信号经过长光纤延时后连接马赫曾德尔干涉仪，输出两路差分的调制光信号，并在平衡探测器中进行平衡探测，实现光信号到电信号的转化，最终实现两路共模噪声的对消。本发明由光源、级联调制模块、干涉模块及差分对消模块组成，可以对光电振荡器中的有源噪声特别是共模噪声实现消除，具有消除效果好、对输出信号干扰小等优点。

Description

基于级联电光调制和平衡探测的噪声对消装置
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其是涉及基于级联电光调制和平衡探测的噪声对消装置。
背景技术
光电振荡器是近些年兴起的一种利用光电混合手段实现的新型振荡器，利用高品质因数的长光纤作为储能介质实现超低相噪的微波信号输出。相比于传统的基于电子学和声学储能模块的微波振荡器，光电振荡器可以产生数MHz到数百GHz的高纯度微波或毫米波信号，相位噪声理论上可接近量子极限，因而是一种非常理想的高性能微波振荡器。但是由于其内部器件的影响，会带来很多本可以避免的有源噪声，有源噪声中最典型的就是共模噪声。
目前，常见的噪声消除方法一般是主被动结合的方式。被动降噪指使用高性能的光电器件，主动降噪一般是采用传感设备进行噪声感应，再结合控制器件调整器件输出参数。张骥等人(张骥.光纤激光器噪声测量与抑制技术的研究[D].中国科学技术大学,2020.)公开了一种主动降噪方法，该方法对激光器等有源器件设置功率和波长传感系统，根据特征值变化调整激光器参数，实现噪声消除效果。该方法缺点是对不同的器件要设置不同的传感和控制设备，相关设备间会发生干扰现象，影响整体的控制精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于弥补现有技术的不足，提供一种基于级联电光调制和平衡探测的噪声对消装置，可以自动、有效感应并消除光电振荡器系统中存在的有源噪声。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种级联电光调制结构，由注入源、振荡信号源和两个调制器组成级联调制结构。其中，第一个调制器将注入源输入的信号进行调制，调制到光源输出的光载波上，第一个调制器输出的信号输入到第二个调制器中进行调制，调制上固定在电信号再输出。
一种马赫-曾德尔干涉仪和平衡探测级联的结构，由马赫-曾德尔干涉仪和平衡探测器组成级联探测结构。其中，从第二个调制器输出的信号经过长光纤后进入马赫-曾德尔干涉仪，输出两路差分的调制光信号，之后在平衡探测器中进行平衡探测。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明研发了具体的基于级联电光调制和平衡探测的噪声对消技术回路，可以对光电振荡器中的有源噪声特别是共模噪声实现消除，具有消除效果好、对输出信号干扰小等优点。
附图说明
图1为基于级联电光调制和平衡探测的噪声对消技术装置原理图。
图2为仿真结果图。
图3为实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
随着科技的不断进步，通信系统的不断发展，射频系统对信号源的相位噪声提出了更严苛的要求，之前的相位噪声指标已经无法达到通信系统的要求，而光电振荡器，理论上相位噪声可以达到量子极限，但是由于其内部器件的影响，会带来很多本可以避免的有源噪声，有源噪声中最典型的就是共模噪声，因此，为了进一步优化光电振荡器的相位噪声，本发明的思路是使用级联电光调制和平衡探测技术进行噪声对消。
具体而言，本发明所采用的的技术方案具体如下：
一种级联电光调制结构，由注入源、振荡信号源和两个调制器组成级联调制结构。其中，第一个调制器将注入源输入的信号进行调制，调制到光源输出的光载波上，第一个调制器输出的信号输入到第二个调制器中进行调制，调制上固定在电信号再输出。
一种马赫-曾德尔干涉仪和平衡探测级联的结构，有马赫-曾德尔干涉仪和平衡探测器组成级联探测结构。其中，从第二个调制器输出的信号经过长光纤后进入马赫-曾德尔干涉仪，输出两路差分的调制光信号，之后在平衡探测器中进行平衡探测。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示为基于级联电光调制和平衡探测的噪声对消技术装置原理图，相位调制器将注入源输出的信号进行相位调制，调制到光源输出的光载波上，输出的相位调制光信号在级联的强度调制器中进行强度调制，调制上光电振荡信号，输出级联电光调制后的光信号。电光调制器输出的光信号经过长光纤延时后连接马赫曾德尔干涉仪，输出两路差分的调制光信号，并在平衡探测器中进行平衡探测，实现光信号到电信号的转化，最终实现两路共模噪声的对消。
在该结构中创新性地使用级联电光调制技术抑制共模噪声，下面是对其可行性的理论分析：
假设强度调制器输出的光场为：
E(t)＝E0[1+rLD(t)]exp[jωc+jθ(t)] (1)
其中rLD(t)为激光器引入的强度噪声,E0为进入双输出马赫曾德尔干涉仪的光场幅度,ωc为光载波角频率,θ(t)为调制信号。强度调制器输出光信号经过光纤后，引入对应的幅度和相位噪声，如下：
E(t)＝E0[1+rLD(t)+rn(t)]exp[jωc+jθ(t)] (2)
其中，rn(t)为光纤引入的幅度噪声。
经过双输出马赫曾德尔干涉仪后光场可表示为：
Figure BDA0003175835490000031
Figure BDA0003175835490000032
双输出马赫曾德尔干涉仪两臂输出光场分别通过平衡探测器的两路子光电探测器拍频，得到光电流为：
Figure BDA0003175835490000033
平衡探测器输出信号为两路光电流的差值，即为：
Figure BDA0003175835490000034
其中A(t)为幅度噪声，可将放大器工作在饱和状态进行消除。调节双输出马赫曾德尔干涉仪的延时使得，其中ωcτd＝(2n-1)π,其中n为整数，同时调节双输出马赫曾德尔干涉仪的相对相位差，使
Figure BDA0003175835490000035
最终由式(5)可得(忽略高阶分量)：
Figure BDA0003175835490000036
由式(6)可知平衡探测器的使用对消了两路输入光信号中的共模噪声，降低了其对信号相位噪声的影响。平衡探测器输出的信号比单路光电探测器输出微波信号功率提升了近4倍，从而大幅度提升了系统的信噪比。
对本发明装置进行仿真，使用Opti-System软件实现。首先，搭建环路，并将相位调制器注入射频信号替换为噪声信号，模拟链路中的共模噪声。接着，在马赫-曾德尔干涉仪输出端和总输出端加入监测点，观察噪声信号对消情况，如图2所示为仿真结果图，图中(a)图表示马赫-曾德尔干涉仪输出端信号图，红框中为噪声信号，图(b)表示输出末端信号，可以看到噪声被消去了，表明本发明实现噪声对消。
搭建实验链路进行验证，并和传统光电振荡环路情况对比，如图3所示为实验结果图。由于链路中传输信号为纯电信号，并非光电振荡信号，所以相位噪声依然维持在-120dBc/Hz@10kHz水平。但是信号在光电调制和解调过程中，依然受到了各有源器件的共模噪声影响，出现了恶化现象。使用级联电光调制和平衡探测技术后，信号的相位噪声性能大大改善，从-114dBc/Hz@10kHz降低至-126dBc/Hz@10kHz，优化12dB。而在实际光电振荡环路中，还存在电放大器和电滤波器等其它有源器件，本发明对相位噪声的优化会更加显著。
综上可知，本发明装置结构简单，所选用部件比较易得且廉价，对于有源噪声可以有效抑制，因此可以实现低成本、高性能的光电振荡器噪声消去效果。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于级联电光调制和平衡探测的噪声对消装置，其特征在于，可以自动、有效感应并消除光电振荡器系统中存在的有源噪声。
2.根据权利要求1所述基于级联电光调制和平衡探测的噪声对消装置，其特征在于，一种级联电光调制结构，由注入源、振荡信号源和两个调制器组成级联调制结构；其中，第一个调制器将注入源输入的信号进行调制，调制到光源输出的光载波上，第一个调制器输出的信号输入到第二个调制器中进行调制，调制上固定在电信号再输出。
3.根据权利要求1所述基于级联电光调制和平衡探测的噪声对消装置，其特征在于，一种马赫-曾德尔干涉仪和平衡探测级联的结构，由马赫-曾德尔干涉仪和平衡探测器组成级联探测结构；其中，从第二个调制器输出的信号经过长光纤后进入马赫-曾德尔干涉仪，输出两路差分的调制光信号，之后在平衡探测器中进行平衡探测。
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