CN114142936B - 一种基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统，是基于光电振荡器(OEO)微波信号产生技术和全光微波相位共轭原理，提出了一种高频段大带宽、高频率稳定度、低相位噪声的本振微波信号远距离稳相传输实现方案。一方面，相比于使用传统主动或被动补偿方式，该方案能够适用于Ka波段及以上的超高频段的、更大带宽的微波信号传输。另一方面，一般的无源被动补偿方案所使用的非线性器件具有产生本振泄露和谐波杂散等问题，成为恶化接受信号稳定度的重要因素。本发明能够使微波信号稳相传输实现全光被动相位补偿的方式，打破了传统方案在非线性器件使用上带来的限制。

Description

一种基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统

技术领域：

本发明提出一种基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统，涉及微波光子学微波信号稳相传输研究领域。

背景技术：

光纤上高稳定度本振信号的传输对于远程时钟同步、射电天文学、分布式相干孔径雷达等应用具有重要的影响。然而环境温度变化和机械扰动始终是光纤传输的两大重要干扰因素，其会导致远端站点接收到的本振微波信号相位抖动、频率稳定性显著恶化。如今随着通信技术的不断发展，5G时代已经到来。目前普遍推广并使用的是5G NR频谱范围中的SUB6频段(450MHz～6GHz)，然而对于另一段频谱范围FR2频段(24.25GHz～52.6GHz)来说，高频段和大带宽需求是目前仍需解决的主要问题。

近年来，基于相位补偿原理的微波信号稳相传输被提出并受到广泛讨论，其主要分为主动补偿和无源被动补偿两种基于往返延迟校准的稳相手段。主动补偿方案是通过对信号进行相位检测和补偿算法来对信号进行实时补偿，校正和抵消相位抖动，但其补偿带宽和频段会受到补偿电器件的严重限制，同时引入附加噪声，降低系统的频率稳定度；无源被动补偿方案则是通过借助混频器和倍频器，将接收信号的相位偏移进行共轭反相处理，从而传输回远端实现相位抖动的相消，既克服了电器件带宽的限制，又结构简单，但由于相位共轭需要用到大量的非线性器件，因此会带来本振泄露和谐波杂散等问题，从而叠加在远端的相位噪声谱上，并进一步恶化频率稳定度。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统，如图1所示。

在图1所示的系统方案中主要由本地站和远端站两部分组成，本地站包括注入锁定光电振荡器OEO环路的主体部分和全光微波相位共轭部分，注入锁定光电振荡器由连续激光器101、电光调制器102、单模长光纤112和114、光电探测器106、电放大器105和带通滤波器104构成；双平行电光调制器108、倍频器109、光滤波器110和环形器111则构成了全光共轭部分。远端站包括全光混频滤波部分，即光耦合器113，光电探测器115，带通滤波器116，电光调制器117，光电探测器118和带通滤波器119。本地站和远端站之间通过光电振荡器OEO的两段长光纤连接起来，光纤环路同时也作为光电振荡器OEO的谐振腔。OEO振荡信号探测长光纤环的相位延迟变化，并在本地与经过倍频之后的本振微波信号通过双平行调制器和光滤波器进行全光微波相位共轭。相位共轭信号反向传输到远端站与前向信号再次进行全光混频，可以消除光纤引起的相位抖动。

根据本发明的一个方面，提供了一种低相噪、高频率稳定度的本振传输方案，其特征在于包括：

在基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统结构中，连续激光器101、电光调制器102、单模长光纤112和114、光电探测器106、电放大器105和带通滤波器104组成了光电振荡器OEO。OEO拥有长光纤环路作为一个高品质因数储能腔，能够生成超低相噪的振荡信号，本方案将长光纤作为远距离传输的手段来进行环路中远端站点的高质量低相噪本振分发，提高了系统的短期稳定性。同时将本地的参考信号经过电耦合器103输入到OEO环路中进行注入锁定，既能够有效抑制OEO振荡器的多模振荡现象，保持单模起振；又能将OEO振荡信号与本地参考信号锁定，防止跳模，极大的改善了系统的长期稳定性。

根据本发明的一个方面，提供了一种四倍频本振的无源被动补偿传输方案。其特征在于包括:

在基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统结构中，OEO的光路部分，连续激光器101的输出光通过电光调制器、光纤环路并被光电探测器106检测；电路部分产生的振荡信号被电放大器105放大，并由带通滤波器104过滤。OEO产生的振荡信号可以表示为

其中ω_eoe＝2πf_oeo是振荡频率，

和

分别是初始相位和光纤环路引入的相位偏移量。本地参考微波信号表示为

其中ω_LO是角频率，

是初始相位。

当本地参考信号与OEO振荡信号被锁定之后，两者的频率相等，相位差恒定为常数，即

ω_oeo＝ω_LO    (3)

远端站通过光耦合器113得到部分前向传输信号E_fw，表示为

其中ω_c为光载波频率，

和

是单模光纤112引入的相位偏移和时间抖动。

系统被动补偿使用全光微波相位共轭的方式，将经过倍频器109之后的本振信号

经过双平行电光调制器108调制到经过光纤环路传输回本地站的信号

其中τ_s是经过光纤环路引入的总时间抖动。经过光滤波器110滤波产生相位共轭信号E_pr，表示为

相位共轭信号经过环形器111和单模光纤114反向传输到远端，并由光电探测器115检测和带通滤波器116选频，表示为

其中

是由单模光纤114引入的相位抖动，且在光纤延迟变化较慢的情况下保持

然后将后向相位共轭信号V_bw经由电光调制器117调制到公式(5)前向传输信号E_fw上，经过光电探测器118和带通滤波器119得到相位偏移抵消的四倍频本振信号V_r，表达式如下

从公式中可以看出，最终在远端得到抵消相位抖动且保留初始相位的四倍频本振信号。

根据本发明的一个方面，提供了一种全光微波相位共轭处理方案，其特征在于包括：

在基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统结构中，将OEO环路光信号耦合出一路先经过光放大器107进行放大，然后与本振倍频之后的信号输入到双平行电光调制器108中进行调制，最后经过光滤波器110实现相位共轭。该过程的频谱变化如图2(a)所示，携带了相位偏移量

的微波信号跟随光载波输入双平行电光调制器(DP-MZM)，经过二倍频本振信号调制之后，上下边带分别搬移二倍频2ω_oeo并实现相位的共轭，最后经过光滤波器滤除高阶边带得到相位共轭光信号。同时在远端站也利用同样的方法进行相位混频相消，其频谱变化如图2(b)所示，后向相位共轭信号经过光电转换之后，与前向信号一起输入到电光调制器117上，前向信号的相位偏移

是由单模光纤112引起，在经过相位共轭信号调制之后得到只包含本振参考信号相位

的二阶分量，二阶边带经过光电探测器11拍频之后得到相位抖动相消的四倍频本振。这种利用全光信号处理的方式来进行微波信号的相位共轭和相位混频相消，既具有光子信号处理的大带宽、高频段的特性，同时避免了混频器、倍频器等非线性器件的使用，解决了因本振泄露、谐波杂散带来的频率稳定度恶化的问题，极大的提升了系统的适用范围。

本发明的优点及有益效果在于：

本发明主要针对主动补偿稳相传输带宽限制及噪声恶化问题、被动补偿稳相传输非线性杂散问题等不足。在无源被动补偿技术的基础上，首次提出了利用基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统进行低相噪、高稳定度的微波信号稳相传输。该方案不仅可以消除光纤传输带来的相位抖动，而且可以避免非线性器件带来的同频干扰信号，进一步降低远端接收信号的相位噪声。与主动补偿方法相比具有大带宽、补偿范围广等优点，与被动补偿方法相比具有更高的频谱纯净度和更低相位噪声等优点。这能够使微波信号稳相传输在高频领域得到更为广泛的应用，弥补传统方案在适用频段和带宽上的缺陷。

附图说明

图1是基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统原理图。

图2(a)是全光微波相位共轭频谱示意图。

图2(b)是全光微波相位混频相消频谱示意图。

图3是本发明的一个实例框图。

图4是自由运行OEO、36GHz微波源和相位补偿信号的相位噪声对比。

图5是自由运行OEO、36GHz微波源和相位补偿信号的阿伦方差对比。

图中标号说明如下：

连续激光器101，电光调制器102，电耦合器103，带通滤波器104，电放大器105，光电探测器106，光放大器107，双平行电光调制器108，倍频器109，光滤波器110，环形器111，单模光纤112和114，光耦合器113，光电探测器115，带通滤波器116，电光调制器117，光电探测器118，带通滤波器119；

连续激光器301，偏振控制器302，电光调制器303，电耦合器304，带通滤波器305，电放大器306，光电探测器307，光耦合器308，光放大器309，偏振控制器310，双平行电光调制器311，倍频器312，光滤波器313，环形器314，光隔离器315，单模光纤316和318，光耦合器317，光放大器319，光电探测器320，带通滤波器321，电放大器322，电光调制器323，光电探测器324，带通滤波器325，电放大器326，相噪分析仪327，频率计数器328；

具体实施方式

本发明提出一种基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出一种基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统，电路结构如图3所示，包括：

本发明基于这样的考虑：在基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统中，通过注入锁定OEO振荡信号来探测光纤环路相位抖动，既抑制OEO环路的杂散分量，实现单模振荡；同时提高传输本地信号的质量，降低远端输出信号的相位噪声水平。在本地和远端分别使用全光微波相位共轭和全光混频的方式，有效避免非线性器件带来的谐波杂散、本振泄露等问题，进一步提升系统的长期稳定性。

实例：

如图3所示的本发明示例性实施例。将本发明方法示例性地应用于最基本的面向5G高频本振信号的远距离传输稳相系统结构，并对未补偿的自由运行光电振荡器OEO和基于光电振荡器OEO的全光共轭补偿方案进行了实验对比测试。实例的具体实施方案如下：本地站的OEO光电振荡器作为5G系统中心站点的高质量本振信号发生器由中心波长1550nm连续激光器301、偏振控制器302、电光调制器303、光隔离器315、单模光纤316和318、光电探测器307、电放大器306和带通滤波器305构成；远端站则是模拟5G基站站点，由光耦合器317，光放大器319，光电探测器320，带通滤波器321，电放大器322，电光调制器323，光电探测器324，带通滤波器325，电放大器326组成。本地参考微波源生成的式(2)中9GHz本振单频微波信号V_Lo被分为三路，一路信号被倍频器312倍频之后式(6)V_Lo2经过工作在抑制载波模式的双平行电光调制器311调制到环路光载波上，其中环路光信号式(7)E由光耦合器308分出来并经过光放大器309和偏振控制器310放大，调制完成通过光滤波器313滤除高阶边带之后得到式(8)中的相位共轭信号E_pr，该相位共轭信号再通过环形器314沿单模光纤318反向传输到远端站；一路信号与OEO环路信号一起由电耦合器304注入到电光调制器303，实现注入锁定光电振荡器OEO。OEO振荡信号沿单模光纤316前向传输到远端站，同后向信号一起经由光耦合器317耦合出来，其中后向光信号经过光放大器319、光电探测器320和带通滤波器321处理得到微波信号式(9)V_bw，进入电放大器322后被调制器323调制到前向光信号式(5)E_fw上，最后由光电探测器324、带通滤波器325和电放大器326得到式(10)V_r四倍频36GHz无相位抖动信号；还有一路信号与远端得到的补偿信号一起输入到相噪分析仪327和频率计数器328中，来测量和评估频率稳定性能。

首先，用相噪分析仪327分别测得36GHz的微波源、未补偿自由运行9GHz的OEO信号和补偿后的36GHz高频本振信号的相位噪声谱，结果如图4所示。可以看到，本发明在10kHz频偏下的相位噪声大约为-130dBc/Hz，远低于微波源高频本振的相位噪声和；相比于自由运行OEO，本发明在远频端显著地抑制了边模导致的相位噪声波动。该方法相比大多数微波稳相传输系统的短期频率稳定性有着显著的提高。

然后用频率计数器328分别测量36GHz的微波源、未补偿自由运行9GHz的OEO信号和补偿后的36GHz高频本振信号的频率抖动值，进一步计算得到阿伦方差来反映传输系统的长期稳定性，结果如图5所示。可以看到本发明的1s稳定性为1.069*10-14/1s，1000s稳定性为3.3*10-16/1000s，其系统频率稳定性都比未补偿信号提高了20倍左右。

应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims (5)

1.一种基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统，其特征在于：由本地站和远端站两部分组成；本地站包括注入锁定光电振荡器OEO和全光微波相位共轭部分；

其中，注入锁定光电振荡器OEO由连续激光器、电光调制器、单模长光纤、光电探测器、电放大器和带通滤波器构成；

全光微波相位共轭部分由双平行电光调制器、倍频器、光滤波器和环形器构成；

远端站包括全光混频滤波部分，即光耦合器，光电探测器，带通滤波器，电光调制器，光电探测器和带通滤波器；

本地参考微波源生成9GHz本振单频微波信号V_LO被分为三路，一路信号被倍频器倍频之后V_LO2经过工作在抑制载波模式的双平行电光调制器调制到环路光载波上，其中环路光信号E由光耦合器分出来并经过光放大器和偏振控制器放大，调制完成通过光滤波器滤除高阶边带之后得到相位共轭信号E_pr，该相位共轭信号再通过环形器沿单模光纤反向传输到远端站；一路信号与OEO环路信号一起由电耦合器注入到电光调制器，实现注入锁定光电振荡器OEO；OEO振荡信号沿单模光纤前向传输到远端站，同后向光信号一起经由光耦合器耦合出来，其中后向光信号经过光放大器、光电探测器和带通滤波器处理得到微波信号V_bw，进入电放大器后被调制器调制到前向光信号E_fw上，最后由光电探测器、带通滤波器和电放大器得到V_r四倍频36GHz无相位抖动信号；还有一路信号与远端得到的补偿信号一起输入到相噪分析仪和频率计数器中，来测量和评估频率稳定性能。

2.根据权利要求1所述的一种基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统，其特征在于：本地站和远端站之间通过光电振荡器OEO的两段长光纤连接起来，光纤环路同时也作为光电振荡器OEO的谐振腔；OEO振荡信号探测长光纤环的相位延迟变化，并在本地与经过倍频之后的本振微波信号通过双平行调制器和光滤波器进行全光微波相位共轭；相位共轭信号反向传输到远端站与前向信号再次进行全光混频，消除光纤引起的相位抖动。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统，其特征在于：在基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统结构中，连续激光器、电光调制器、单模长光纤、光电探测器、电放大器和带通滤波器组成了光电振荡器OEO；将长光纤作为远距离传输的手段来进行环路中远端站点的高质量低相噪本振分发；同时将本地的参考信号经过电耦合器输入到OEO环路中进行注入锁定，能够有效抑制OEO振荡器的多模振荡现象，保持单模起振；能将OEO振荡信号与本地参考信号锁定，防止跳模。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统，其特征在于：在基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统结构中，OEO的光路部分，连续激光器的输出光通过电光调制器、光纤环路并被光电探测器检测；电路部分产生的振荡信号被电放大器放大，并由带通滤波器过滤；OEO产生的振荡信号表示为

其中ω_oeo＝2πf_oeo是振荡频率，

和

分别是初始相位和光纤环路引入的相位偏移量；本地参考微波信号表示为

其中ω_LO是角频率，

是初始相位；

当本地参考信号与OEO振荡信号被锁定之后，两者的频率相等，相位差恒定为常数，即

ω_oeo＝ω_LO   (3)

远端站通过光耦合器得到部分前向传输信号E_fw，表示为

其中ω_c为光载波频率，

和τ₁是单模光纤引入的相位偏移和时间抖动；

系统被动补偿使用全光微波相位共轭的方式，将经过倍频器之后的本振信号

经过双平行电光调制器调制到经过光纤环路传输回本地站的信号

其中τ_s是经过光纤环路引入的总时间抖动；经过光滤波器滤波产生相位共轭信号E_pr，表示为

相位共轭信号经过环形器和单模光纤反向传输到远端，并由光电探测器检测和带通滤波器选频，表示为

其中

是由单模光纤引入的相位抖动，且在光纤延迟变化较慢的情况下保持

然后将后向相位共轭信号V_bw经由电光调制器调制到公式(5)前向传输信号E_fw上，经过光电探测器和带通滤波器得到相位偏移抵消的四倍频本振信号V_r，表达式如下

从公式中可以看出，最终在远端得到抵消相位抖动且保留初始相位的四倍频本振信号。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统，其特征在于：在基于光电振荡器的全光微波信号远距离传输稳相系统结构中，将OEO环路光信号耦合出一路先经过光放大器进行放大，然后与本振倍频之后的信号输入到双平行电光调制器中进行调制，最后经过光滤波器实现相位共轭；该过程携带了相位偏移量

的微波信号跟随光载波输入双平行电光调制器DP-MZM，经过二倍频本振信号调制之后，上下边带分别搬移二倍频2ω_oeo并实现相位的共轭，最后经过光滤波器滤除高阶边带得到相位共轭光信号；同时在远端站也利用同样的方法进行相位混频相消，后向相位共轭信号经过光电转换之后，与前向信号一起输入到电光调制器上，前向信号的相位偏移

是由单模光纤引起，在经过相位共轭信号调制之后得到只包含本振参考信号相位

的二阶分量，二阶边带经过光电探测器拍频之后得到相位抖动相消的四倍频本振。

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