CN113839297B - 一种基于注入锁定效应的光电振荡器 - Google Patents

一种基于注入锁定效应的光电振荡器 Download PDF

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Abstract

一种基于注入锁定效应的光电振荡器，属于微波光子学技术领域。所述光电振荡器包括注入模块和自由振荡模块两大部分，使用两个光电振荡器进行了注入锁定，并用半导体光放大器进行了相噪抑制，使输出的信号具有高Q值、低相噪、低杂散的特点。并且本发明具有近载频和远载频两种工作模式，可以分别得到靠近中心频率的频率输出和远离中心频率的频率输出。

Description

一种基于注入锁定效应的光电振荡器
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种基于注入锁定效应的光电振荡器。
背景技术
微波光子学的概念最早是在上世纪九十年代提出的，注重微波和光波在概念、器件、系统等方面的结合。它的诞生离不开微波领域和光学领域的飞速发展，微波光子技术与原有光电子技术、微波技术相比发生了质的变化，同时具有微波和光学的优点，能够实现微波和光波之间的转换。光生微波是微波光子学中最重要的研究内容，具有广泛的应用前景。光生微波技术具有频率高、相位噪声低等优点，并且能解决电域产生微波信号所面临的电子瓶颈问题，因而越来越被研究机构所重视。微波光子学服务于微波系统，其它的应用领域包括通信、电子对抗、宽带通信、精密测量、深空探测和雷达导航等。
目前光生微波主要有四种方法，分别是强度调制法、光外差法、谐波法、光电振荡器法。其中光电振荡器是近年来发展迅速、优势突出的一种新型的光生微波方法，它生成的微波信号频率高达几百GHz、Q值高达1010量级、相位噪声尤其低，且具有可调谐性，还能够实现光电两种信号同时输出的特点。光电振荡器由光源，调制器，光纤，光电探测器，微波放大器，微波滤波器构成。其利用光电环路将激光器的光能量转换为微波能量，激光注入调制器，经光纤传输后由光电探测器变换成电信号，经放大、滤波等处理之后返回调制器的射频端口，当环路满足起振条件后，形成正反馈振荡从而生成微波信号。在电子系统中，信号源的相位噪声和频率稳定度是非常重要的参数。因此研究如何降低光电振荡器的相位噪声和提高其频率稳定度具有重要意义。研究表明，使用长光纤可以有效降低相位噪声，但不会无限减小；采用高性能的器件可以降低相位噪声，但具有较高的成本。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于注入锁定效应的光电振荡器，该振荡器能输出高Q值、低杂散、低相噪的高质量微波信号，满足日益增长的需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于注入锁定效应的光电振荡器，如图1所示，其特征在于，包括注入模块和自由振荡模块两大部分；
其中，所述注入模块包括第一可调谐激光器TLS1(1)、第一偏振控制器PC1(2)、第一马赫-增德尔调制器MZM1(3)、掺饵光纤放大器EDFA(4)、第二偏振控制器PC2(5)、偏振分束器PBS(6)、第一根单模光纤SMF1(7)、第二根单模光纤SMF2(8)、第三偏振控制器PC3(9)、第四偏振控制器PC4(10)、偏振合束器PBC(11)、第一半导体光放大器SOA1(12)、第一光电探测器PD1(13)、第一电放大器EA1(14)、第一带通滤波器BPF1(15)、第一射频耦合器RC1(16)；
所述自由振荡模块包括第二可调谐激光器TLS2(17)、第二马赫-增德尔调制器MZM2(18)、第三根单模光纤SMF3(19)、第二半导体光放大器SOA2(20)、第二光电探测器PD2(21)、第二电放大器EA2(22)、第二带通滤波器BPF2(23)、电控移相器PS(24)、第二射频耦合器RC2(25)、第三射频耦合器RC3(26)；
注入模块中第一可调谐激光器TLS1(1)输出的光信号经第一偏振控制器PC1(2)进入第一马赫-增德尔调制器MZM1(3)以对准最佳调制轴，光信号经第一马赫-增德尔调制器MZM1(3)调制后，再经过掺饵光纤放大器EDFA(4)进行光信号放大，放大后的光信号经第二偏振控制器PC2(5)进入偏振分束器PBS(6)，偏振分束器PBS(6)将连续光能量分成偏振方向相互垂直的两束光，通过调整第二偏振控制器PC2(5)可以控制偏振分束器输出的两束光的功率比；输出的两束光分别通过两段长度不同的光纤，即第一根单模光纤SMF1(7)和第二根单模光纤SMF2(8)，分列于两根光纤上的第三偏振控制器PC3(9)和第四偏振控制器PC4(10)可以调节进入偏振合束器PBC(11)中光的偏振态，两根单模光纤中的光信号经偏振合束器PBC(11)合成一路后，再经过第一半导体光放大器SOA1(12)进行光信号放大，之后通过第一光电检测器PD1(13)将放大后的光信号转换为电信号，该电信号经过第一电放大器EA1(14)放大、第一带通滤波器BPF1(15)滤波后，通过第一射频耦合器RC1(16)分成两路，一路电信号返回第一马赫-增德尔调制器MZM1(3)继续循环，另一路电信号进入自由振荡模块进行注入锁定；
自由振荡模块中第二可调谐激光器TLS2(17)输出的光信号进入第二马赫-增德尔调制器MZM2(18)中进行光信号调制，再经过第三根单模光纤SMF3(19)传输至第二半导体光放大器SOA2(20)，然后经过第二半导体光放大器SOA2(20)进行信号放大后，通过第二光电检测器PD2(21)将放大后的光信号转换为电信号，该电信号经过第二电放大器EA2(22)放大、第二带通滤波器BPF2(23)滤波，滤波后的电信号输入电控移相器PS(24)中进行移相，移相后的电信号与注入模块输入到自由振荡模块中的电信号在第二射频耦合器RC2(25)中进行耦合，耦合后的电信号经过第三射频耦合器RC3(26)分成两路，一路返回第二马赫-增德尔调制器MZM2(18)对光信号继续调制，形成正反馈回路，信号经过多次反馈循环后可以形成稳定的振荡，此时另一路信号即为所述光电振荡器最终的输出信号。
进一步的，所述第一可调谐激光器TLS1(1)和第二可调谐激光器TLS2(17)的波长可调谐范围为1510nm～1620nm。
进一步的，所述光电振荡器中采用的光纤都是单模光纤，其中，注入模块中的第一根单模光纤SMF1(7)的长度为1～10km、第二根单模光纤SMF2(8)的长度为10～100m；自由振荡模块中的第三根单模光纤SMF3(19)的长度为10～100m。
本发明提供的一种基于注入锁定效应的光电振荡器，工作原理为：
假设注入信号为
Figure BDA0003251774140000031
自由振荡时的输出信号为
Figure BDA0003251774140000032
可以得到注入信号与锁定信号(自由振荡时的输出信号)相位变化为：
Figure BDA0003251774140000033
若注入时振荡器能锁定，
Figure BDA0003251774140000034
必须为0，从而可以得到锁定带宽为：
Figure BDA0003251774140000035
可见，B与Q成反比，与ω0和
Figure BDA0003251774140000036
成正比。其中，Pi与P0分别为注入信号功率与锁定信号功率。若注入频率与自由振荡频率差小于锁定带宽，那么注入后可以进行单模振荡。从以上结果可以看出锁定带宽受注入信号功率与锁定信号功率影响，因此通过调整注入模块和自由振荡模块的信号功率，使注入频率与自由振荡频率差小于锁定带宽，就可实现注入锁定以及单模振荡。
近(远)载频工作模式：当振荡器的自由振荡频率和注入频率相同，即Δω＝w0-ω1＝0时，锁定信号的相位噪声最小。其中，ω0为自由谐振频率，ω1为外注入源的频率，ωL为锁定信号的频率。此时注入锁定后的振荡器输出信号相位谱为：
Figure BDA0003251774140000041
式中，
Figure BDA0003251774140000042
分别表示锁定振荡信号、外注入信号和自由振荡信号的相位谱；s＝jω，ω＝ωL-ω0表示距离振荡信号中心频率的频偏；Δωmax为锁定带宽，表示为
Figure BDA0003251774140000043
其中，E1/E0是外注入源与自由振荡器的幅度比，Q是谐振腔的品质因数。由上式可以看出：当ω<Δωmax(近载频)时，锁定信号的相噪主要由外注入信号的相噪决定；当ω>Δωmax(远载频)时，锁定信号的相噪主要由自由振荡信号的相噪决定。于是将上述分析带入基于注入锁定效应的光电振荡器，设置注入模块和自由振荡模块中带通滤波器和光纤长度参数，使距离中心频率的频偏小于锁定带宽时，基于注入锁定效应的光电振荡器结构工作在近载频模式，得到靠近中心频率的频率输出；设置注入模块和自由振荡模块的带通滤波器和光纤长度参数，使距离中心频率的频偏大于锁定带宽时，基于注入锁定效应的光电振荡器结构工作在远载频模式，得到远离中心频率的频率输出。
SOA降噪：相位噪声是评价微波信号质量的一个关键指标。光电振荡器系统中，其输出信号的相位噪声主要来源于光电探测器，放大器以及激光器等有源器件的热噪声、散粒噪声、RIN噪声。因此一个光电振荡器的输入噪声密度可以表示为：
Figure BDA0003251774140000044
其中，T是温度，NF为电放大器噪声的系数，kB为玻尔兹曼常量，e为电子的电荷，NRIN是由激光器产生的相对强度噪声。激光器的RIN是光电振荡器系统中一个固有的噪声来源，但是可以通过光功率限制器件进行抑制，在光电振荡器环路的光电探测器PD之前插入一个工作在饱和状态的半导体光放大器SOA可以对RIN噪声产生约10dB的抑制。根据以上分析，本发明所述装置中的注入模块和自由振荡模块中均设置了半导体光放大器SOA进行了相噪抑制，让这两个半导体光放大器SOA工作在饱和状态，就可以完成本发明振荡器的相位噪声抑制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种基于注入锁定效应的光电振荡器，使用两个光电振荡器进行了注入锁定，并用半导体光放大器进行了相噪抑制，使输出的信号具有高Q值、低相噪、低杂散的特点。并且本发明具有近载频和远载频两种工作模式，可以分别得到靠近中心频率的频率输出和远离中心频率的频率输出。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于注入锁定效应的光电振荡器的结构示意图。
图2为本发明提供的一种基于注入锁定效应的光电振荡器中自由振荡模块的输出频谱。
图3为本发明提供的一种基于注入锁定效应的光电振荡器中注入模块的输出频谱。
图4为本发明提供的一种基于注入锁定效应的光电振荡器中近载频工作模式下的输出频谱。
图5为本发明提供的一种基于注入锁定效应的光电振荡器中，近载频工作模式(a)和远载频工作模式(b)下的相位噪声。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实现方式。
图1为本发明提供的一种基于注入锁定效应的光电振荡器的结构示意图，包括注入模块和自由振荡模块两大部分；
其中，所述注入模块包括第一可调谐激光器TLS1(1)、第一偏振控制器PC1(2)、第一马赫-增德尔调制器MZM1(3)、掺饵光纤放大器EDFA(4)、第二偏振控制器PC2(5)、偏振分束器PBS(6)、第一根单模光纤SMF1(7)、第二根单模光纤SMF2(8)、第三偏振控制器PC3(9)、第四偏振控制器PC4(10)、偏振合束器PBC(11)、第一半导体光放大器SOA1(12)、第一光电探测器PD1(13)、第一电放大器EA1(14)、第一带通滤波器BPF1(15)、第一射频耦合器RC1(16)；
所述自由振荡模块包括第二可调谐激光器TLS2(17)、第二马赫-增德尔调制器MZM2(18)、第三根单模光纤SMF3(19)、第二半导体光放大器SOA2(20)、第二光电探测器PD2(21)、第二电放大器EA2(22)、第二带通滤波器BPF2(23)、电控移相器PS(24)、第二射频耦合器RC2(25)、第三射频耦合器RC3(26)；
注入模块中第一可调谐激光器TLS1(1)输出的光信号经第一偏振控制器PC1(2)进入第一马赫-增德尔调制器MZM1(3)以对准最佳调制轴，光信号经第一马赫-增德尔调制器MZM1(3)调制后，再经过掺饵光纤放大器EDFA(4)进行光信号放大，放大后的光信号经第二偏振控制器PC2(5)进入偏振分束器PBS(6)，偏振分束器PBS(6)将连续光能量分成偏振方向相互垂直的两束光，通过调整第二偏振控制器PC2(5)可以控制偏振分束器输出的两束光的功率比；输出的两束光分别通过两段长度不同的光纤，即第一根单模光纤SMF1(7)和第二根单模光纤SMF2(8)，分列于两根光纤上的第三偏振控制器PC3(9)和第四偏振控制器PC4(10)可以调节进入偏振合束器PBC(11)中光的偏振态，两根单模光纤中的光信号经偏振合束器PBC(11)合成一路后，再经过第一半导体光放大器SOA1(12)进行光信号放大，之后通过第一光电检测器PD1(13)将放大后的光信号转换为电信号，该电信号经过第一电放大器EA1(14)放大、第一带通滤波器BPF1(15)滤波后，通过第一射频耦合器RC1(16)分成两路，一路电信号返回第一马赫-增德尔调制器MZM1(3)继续循环，另一路电信号进入自由振荡模块进行注入锁定；
自由振荡模块中第二可调谐激光器TLS2(17)输出的光信号进入第二马赫-增德尔调制器MZM2(18)中进行光信号调制，再经过第三根单模光纤SMF3(19)传输至第二半导体光放大器SOA2(20)，然后经过第二半导体光放大器SOA2(20)进行信号放大后，通过第二光电检测器PD2(21)将放大后的光信号转换为电信号，该电信号经过第二电放大器EA2(22)放大、第二带通滤波器BPF2(23)滤波，滤波后的电信号输入电控移相器PS(24)中进行移相，移相后的电信号与注入模块输入到自由振荡模块中的电信号在第二射频耦合器RC2(25)中进行耦合，耦合后的电信号经过第三射频耦合器RC3(26)分成两路，一路返回第二马赫-增德尔调制器MZM2(18)对光信号继续调制，形成正反馈回路，信号经过多次反馈循环后可以形成稳定的振荡，此时另一路信号即为所述光电振荡器最终的输出信号。
图2为本发明提供的一种基于注入锁定效应的光电振荡器中自由振荡模块的输出频谱。基于注入锁定效应的光电振荡器中，自由振荡模块是一个非常典型的单环光电振荡器结构，单环光电振荡器的所有起振模式中只有与基波频率相差Δf＝c/nL(n为光纤等效折射率，c为光在真空中的速度，L为环路长度)的整数倍的模式才能起振。图中表明自由振荡模块中当单模光纤为40m时，其输出频谱中心频率为10GHz，模式间隔为5MHz。
图3为本发明提供的一种基于注入锁定效应的光电振荡器中注入模块的输出频谱。基于注入锁定效应的光电振荡器中，注入模块是一个非常典型的双环路光电振荡器结构，常见的单环结构由于难以获得足够窄的滤波器和放大器，稳定后除了期望的频率起振，附近的边模也同时稳定起振。当两环路同时作用时，只有两环路结构所决定能共同起振的频率能够获得足够的增益，其他频率由于不能获得足够增益，在环路中多次运转后衰减，从谱上观察即这些边模受到抑制。图中表明注入模块中当两根单模光纤分别为4km和40m时，其输出频谱中心频率为10GHz，模式间隔为5MHz。
图4为本发明提供的一种基于注入锁定效应的光电振荡器中近载频工作模式下的输出频谱。注入锁定结构本质上是两个频率相近的微波信号之间的频率扰动效应，当注入微波信号频率与光电振荡起振频率接近且耦合足够大时，起振信号将会跟随注入微波信号。图中表明自由振荡模块中当单模光纤为40m，注入模块中当两根单模光纤分别为4km和40m，带通滤波器中心频率为10GHz带宽为5MHz时，本发明提供的振荡器工作在近载频模式，输出中心频率为10.0005GHz的微波信号。
图5为本发明提供的一种基于注入锁定效应的光电振荡器中，近载频工作模式和远载频工作模式下的相位噪声。由于近载频工作模式下，锁定信号的相噪主要由外注入信号的相噪决定，故整个系统的噪声主要由注入模块的噪声决定，图5(a)表明本发明提供的一种基于注入锁定效应的光电振荡器近载频工作模式下，相位噪声大约为-140dBc/Hz@10kHz；远载频工作模式下，锁定信号的相噪主要由振荡信号的相噪决定，故整个系统的噪声主要由自由振荡模块的噪声决定；图5(b)表明本发明提供的一种基于注入锁定效应的光电振荡器远载频工作模式下，相位噪声大约为-115dBc/Hz@10kHz。

Claims (3)

1.一种基于注入锁定效应的光电振荡器，其特征在于，包括注入模块和自由振荡模块；
其中，所述注入模块包括第一可调谐激光器、第一偏振控制器、第一马赫-增德尔调制器、掺饵光纤放大器、第二偏振控制器、偏振分束器、第一根单模光纤、第二根单模光纤、第三偏振控制器、第四偏振控制器、偏振合束器、第一半导体光放大器、第一光电探测器、第一电放大器、第一带通滤波器和第一射频耦合器；
所述自由振荡模块包括第二可调谐激光器、第二马赫-增德尔调制器、第三根单模光纤、第二半导体光放大器、第二光电探测器、第二电放大器、第二带通滤波器、电控移相器、第二射频耦合器和第三射频耦合器；
注入模块中第一可调谐激光器输出的光信号经第一偏振控制器进入第一马赫-增德尔调制器，第一马赫-增德尔调制器对光信号进行调制后，再经过掺饵光纤放大器进行光信号放大，放大后的光信号经第二偏振控制器进入偏振分束器，偏振分束器分成偏振方向相互垂直的两束光，两束光分别通过两段长度不同的第一根单模光纤和第二根单模光纤，分列于两根光纤上的第三偏振控制器和第四偏振控制器调节进入偏振合束器中光的偏振态，两根单模光纤中的光信号经偏振合束器合成一路后，再经过第一半导体光放大器进行光信号放大，通过第一光电检测器将放大后的光信号转换为电信号，电信号经过第一电放大器放大和第一带通滤波器滤波后，通过第一射频耦合器分成两路，一路电信号返回第一马赫-增德尔调制器继续循环，另一路电信号进入自由振荡模块进行注入锁定；
自由振荡模块中第二可调谐激光器输出的光信号进入第二马赫-增德尔调制器中进行光信号调制，再经过第三根单模光纤传输至第二半导体光放大器，第二半导体光放大器进行信号放大后，通过第二光电检测器将放大后的光信号转换为电信号，电信号经过第二电放大器放大和第二带通滤波器滤波，滤波后的电信号输入电控移相器中进行移相，移相后的电信号与注入模块输入到自由振荡模块中的电信号在第二射频耦合器中进行耦合，耦合后的电信号经过第三射频耦合器分成两路，一路返回第二马赫-增德尔调制器对光信号继续调制，形成正反馈回路，另一路输出。
2.根据权利要求1所述的基于注入锁定效应的光电振荡器，其特征在于，所述第一可调谐激光器和第二可调谐激光器的波长可调谐范围为1510nm～1620nm。
3.根据权利要求1所述的基于注入锁定效应的光电振荡器，其特征在于，注入模块中的第一根单模光纤的长度为1～10km，第二根单模光纤的长度为10～100m；自由振荡模块中的第三根单模光纤的长度为10～100m。
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