CN114325009B - 一种绝对相位噪声标准产生方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种绝对相位噪声标准产生方法，包括以下步骤：低相噪光频梳通过光学锁频方式锁定在高稳光源上；使用EDFA对低相噪光频梳输出光进行放大；提取低相噪光频梳的高频谐波序列，经光电变频生成微波载频信号；调整EDFA增益，改变电信号噪声边带的动态范围；对所述微波载频信号进行放大，生成绝对相位噪声标准信号。本申请还包含实现所述方法的绝对相位噪声标准产生装置。本申请克服宽带噪声源的平坦度差和低相噪载波源的相位噪声的问题。

Description

一种绝对相位噪声标准产生方法和装置

技术领域

本申请涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于EDFA的绝对相位噪声校准方法和装置。

背景技术

目前在微波毫米波频率范围内，对相位噪声测量系统进行校准，所用的是绝对相位噪声标准装置，其组成包括低相噪载波源、宽带噪声源、调制器、衰减器和滤波器等，这种结构的绝对相位噪声标准装置的缺点是：首先，低相噪载波源由传统频率合成技术得到，其频率越高，相位噪声越差，直接导致绝对相位噪声标准装置的动态范围较差。其次，为了提高绝对相位噪声标准的动态范围，在微波毫米波频率范围内的宽带噪声源的功率就要大幅提升，因此带来两方面问题，一个是在微波毫米波频率范围的宽带噪声源的功率纵横大，难以进一步放大，另一个是宽带噪声源的带内平坦度难以控制，这会导致绝对相位噪声标准装置的定标不确定度较大。最后，绝对相位噪声标准装置是采用经过高精度定标后的已知宽带噪声源对低相噪载波源进行加性合成，在调制前，根据小角度调制原理，需要采用滤波器组对宽带噪声源进行分段的截取滤波，这种调制模式，带来的问题有两个，一个是调制器的插入损耗和平坦度对定标不确定度存在影响，另一个是滤波器组的带内平坦度会进一步使宽带噪声源的带内平坦度变差。

由于目前基于传统频率综合和噪声加性合成技术的缺陷，本专利提出采用基于EDFA的绝对相位噪声标准装置，以此来避免宽带噪声源的平坦度和低相噪载波源的相位噪声带来的问题。

发明内容

本申请提出一种绝对相位噪声标准产生方法和装置，特别适用于在微波毫米波频率范围内对相位噪声测量系统进行校准，这种装置的应用可以解决相位噪声测量系统的溯源问题。

一方面，本申请实施例提出一种绝对相位噪声标准产生方法，包括以下步骤：

低相噪光频梳通过光学锁频方式锁定在高稳光源上；

使用EDFA对低相噪光频梳输出光进行放大；

提取低相噪光频梳的高频谐波序列，经光电变频生成微波载频信号；

调整EDFA增益，改变电信号噪声边带的动态范围；

对所述微波载频信号进行放大，生成绝对相位噪声标准信号。

优选地，所述高稳光源，线宽小于第一设定阈值；所述低相噪光频梳，引入底部噪声小于第二设定阈值；所述光电变频引入底部噪声小于第三设定阈值。

优选地，所述光学锁频方式包含拍频锁定，对低相噪光频梳输出光和高稳光源的输出光进行混频生成的第一差拍频率，用PID技术锁定第一差拍频率。

优选地，所述光学锁频方式包含重频锁定，对光频梳输出的重频与偏置信号进行混频生成的第二差拍频率，用PID技术锁定第二差拍频率。

优选地，所述光学锁频方式包含偏置频率锁定，对光频梳输出光进行光电转换获得第三差拍频率，用PID技术锁定第三差拍频率。

另一方面，本申请实施例提出一种绝对相位噪声标准产生装置，用于实现本申请任意一项实施例所述方法，包括高稳光源、光纤拍频锁定环路、低相噪光频梳、光电变频链路、EDFA和增益控制器；

所述高稳光源的光输出端和所述光纤拍频锁定环路的光输入端用单模光纤连接；光纤拍频锁定环路的输出信号与低相噪光频梳的压控端用射频电缆相连；所述低相噪光频梳输出光经EDFA放大后，再经过光电变频链路输出微波载频信号；所述增益控制器用于控制EDFA的增益。

优选地，所述光纤拍频锁定环路，包含高稳光源拍频锁定环路。所述高稳光源拍频锁定环路包含：低相噪光频梳输出光和高稳光源输出光经光学混频器生成第一差拍频率；将第一差拍频率信号与DDS第一输出信号经第一射频混频器生成第一误差信号，经过第一PID环路生成第一反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的压控输入端。

优选地，所述光纤拍频锁定环路，包含重频锁定环路。所述重频锁定环路包含：低相噪光频梳输出重频信号经倍频后，和偏置信号经第二射频混频器生成第二差拍频率，将第二差拍频率信号与DDS第二输出信号经第三射频混频器生成第二误差信号，经第二PID环路生成第二反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的压控输入端。

优选地，所述光纤拍频锁定环路，包含偏置频率锁定环路。所述偏置频率锁定环路包含：低相噪光频梳输出光经光电转换器后得到第三差拍频率，将第三差拍频率信号与DDS第三输出信号经第四射频混频器生成第三误差信号，经第三PID环路生成第三反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的调制端。

优选地，所述光电变频链路，包含光电转换器、带通滤波器、微波放大器。所述低相噪光频梳输出光经光电转换器生成微波谐波序列；经带通滤波器提取目标频率成分，经微波放大器输出微波载频信号。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本申请解决了相位噪声测量系统溯源问题：传统频率合成的低相噪载波源相位噪声较差，影响动态范围；宽带噪声源的带内平坦度较差；滤波器组的平坦度导致相位噪声标准装置的不确定度较差。

本申请的装置和方法动态范围大、带内平坦度优越、定标不确定度小、无需宽带噪声源的研制、结构简单。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请方法的实施例流程图；

图2为本申请装置的实施例；

图3为光纤拍频锁定环路的实施例；

图4为光电变频链路的实施例。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本申请方法的实施例流程图。

一方面，本申请实施例提出一种绝对相位噪声标准产生方法，包括以下步骤：

步骤101、低相噪光频梳通过光学锁频方式锁定在高稳光源上；

优选地，所述光学锁频方式包含拍频锁定，对低相噪光频梳输出光和高稳光源的输出光进行混频生成的第一差拍频率，用PID技术锁定第一差拍频率。

优选地，所述光学锁频方式包含重频锁定，对光频梳输出的重频与偏置信号进行混频生成的第二差拍频率，用PID技术锁定第二差拍频率。

优选地，所述光学锁频方式包含偏置频率锁定，对光频梳输出光进行光电转换获得第三差拍频率，用PID技术锁定第三差拍频率。

优选地，所述高稳光源，线宽小于第一设定阈值；所述低相噪光频梳，引入底部噪声小于第二设定阈值。在本申请的实施例中，高稳光源的线宽小于1Hz，波长1550nm±20nm，输出光功率+11dBm；低相噪光频梳的重复频率是1GHz，输出光脉冲功率+11dBm，底部噪声小于-160dBc/Hz@100kHz。

步骤102、使用EDFA对低相噪光频梳输出光进行放大；

步骤103、提取低相噪光频梳的高频谐波序列，经光电变频生成微波载频信号；

所述光电变频引入底部噪声小于第三设定阈值。在本申请的实施例中，光电变频链路的输入光功率>+5dBm，底部噪声小于-170dBc/Hz@100kHz，输出电信号频率范围1GHz～40GHz，电信号输出功率>+8dBm。

步骤104、调整EDFA增益，改变电信号噪声边带的动态范围；

步骤105、对所述微波载频信号进行放大，生成绝对相位噪声标准信号。

图2为本申请装置的实施例。

另一方面，本申请实施例提出一种绝对相位噪声标准产生装置，用于实现本申请任意一项实施例所述方法，包括高稳光源21、光纤拍频锁定环路22、低相噪光频梳23、光电变频链路24、EDFA25、增益控制器26。

所述高稳光源的光输出端和所述光纤拍频锁定环路的光输入端用单模光纤连接。光纤拍频锁定环路的输出信号与低相噪光频梳的压控端用射频电缆相连。所述低相噪光频梳输出光经光电变频链路输出微波载频信号。

具体地，如图2，低相噪光频梳的光频输出端与光纤拍频锁定环路的光梳端(即光梳脉冲输入端口)单模光纤连接，光纤拍频锁定环路的环路输出端与低相噪光频梳的压控端射频电缆连接，低相噪光频梳的光脉冲输出端与EDFA的输入端单模光纤连接，EDFA的输出端连接光电变频电路。光电变频链路的输出端是绝对相位噪声标准装置的输出。

增益控制器的输出端与EDFA的增益控制端串口总线连接。

在本申请的实施例中，光纤拍频锁定环路的参考光源输入功率>+5dBm，光频梳输入功率>+5dBm，环路带宽小于1Hz。

所述微波频率信号输入所述电光调制器，对高稳光源的另一路输出光进行强度调制，生成调制输出光，输出至测试输入端。在测试输入端和测试输出端之间，接待测光电转换器28。测试输出端的信号，经放大器放大后输入到信号源分析仪。

具体地，电光调制器的光输入端与高稳光源的调制端单模光纤连接，电光调制器的输出端与待测光电转换器的测试输入端单模光纤连接，待测光电转换器的测试输出端与放大器的输入端射频电缆连接，放大器的输出端与信号源分析仪的输入端射频电缆连接。

在本申请的实施例中，电光调制器的输入光波长1550nm±20nm，光输入功率>+5dBm，电调制信号的频率范围是1GHz～40GHz，输入电信号功率>+0dBm，光插损为8dB。

图3为光纤拍频锁定环路的实施例。

低相噪光频梳锁定在高稳光源上采用的是光纤拍频锁定环路，光纤拍频锁定环路的组成如图3所示，实现三个方面的功能，一个是低相噪光频梳与高稳光源的拍频锁定环路，一个是光频梳的重频锁定环路，一个是光频梳的偏置频率锁定环路。

优选地，所述光纤拍频锁定环路，包含高稳光源拍频锁定环路。所述高稳光源拍频锁定环路包含：低相噪光频梳23输出光和高稳光源21输出光经光学混频器311生成第一差拍频率；将第一差拍频率信号与DDS 313第一输出信号经第一射频混频器312生成第一误差信号，经过第一PID环路314生成第一反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的压控输入端PZT。例如，低相噪光频梳与高稳光源的拍频锁定环路，如图3所示，低相噪光频梳的输出光脉冲与高稳光源进行光学混频，混频得到的第一差拍频率为0～125MHz的差拍信号，此差拍信号与DDS的频率35MHz的第一输出信号进行射频鉴相，鉴相误差经过PID环路进行积分，积分输出给低相噪光频梳的压电陶瓷，形成拍频锁定环路。

优选地，所述光纤拍频锁定环路，包含重频锁定环路。所述重频锁定环路包含：低相噪光频梳23输出重频信号经倍频后，和偏置信号322经第二射频混频器323生成第二差拍频率，将第二差拍频率信号与DDS 325第二输出信号经第三射频混频器324生成第二误差信号，经第二PID环路326生成第二反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的压控输入端。具体地，例如，光频梳的重频锁定环路是低相噪光频梳的输出光脉冲，重频250MHz，通过光学四倍频器321，将重频倍频到1GHz，此1GHz信号通过与偏置信号780MHz的混频，得到差拍信号，为第二差拍频率20MHz的差拍信号，与DDS输出的信号进行鉴相，鉴相误差经过第二PID环路，输出第二反馈信号，经加法器327与第一反馈信号共同输至低相噪光频梳的压电陶瓷控制端口。

优选地，所述光纤拍频锁定环路，包含偏置频率锁定环路。所述偏置频率锁定环路包含：低相噪光频梳23输出光经光电转换器331后得到第三差拍频率，将第三差拍频率信号与DDS 333第三输出信号经第四射频混频器332生成第三误差信号，经第三PID环路334生成第三反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的调制端。具体地，例如，光频梳的偏置频率锁定环路，低相噪光频梳经过光电转换器后，得到第三差拍频率0～125MHz的差拍信号，此差拍信号与DDS的输出频率35MHz进行射频鉴相，鉴相误差通过PID环路积分，环路积分输出给低相噪光频梳的EOM端，形成偏置频率锁定环路。

图4为光电变频链路的实施例。

优选地，所述光电变频链路，包含光电转换器、带通滤波器、微波放大器。EDFA的输出端与光电转换器的输入端单模光纤连接，光电转换器的输出端与开关滤波器组射频电缆连接，开关滤波器组的输出端与放大器的输入端射频电缆连接，放大器的输出端是绝对相位噪声标准装置的输出。

所述低相噪光频梳输出光经光电转换器生成微波谐波序列；经带通滤波器提取目标频率成分，经微波放大器输出微波载频信号。

例如，光频梳的输出光脉冲通过光电转换器进行光电转换，光电转换器的暗电流小于5Na，响应度大于0.8A/W，频率范围覆盖需校准的频率点，光电转换得到的微波谐波序列经过带通滤波器进行提取载频，提取得到的载频信号经过微波放大器进行放大。

本申请的装置工作时，低相噪光频梳通过光纤拍频锁定环路锁定在高稳光源上，低相噪光频梳的输出通过EDFA进行宽带的光放大，由于EDFA在高增益状态下，会产生大量的白噪声，这种白噪声就会叠加在低相噪光频梳的光脉冲上，光电转换器对低相噪光梳的输出的飞秒光脉冲进行光电转换，光电转换后的电信号的噪声边带全部由白噪声占据，通过控制EDFA的增益量，就会控制噪声边带的动态范围。由于低相噪光频梳对高稳光源起到了高阶分频的作用，所以光电转换得到的载波的相位噪声非常优越，在近载频优于传统频率合成的参考源40dB以上，在远载频优于20dB以上。在得到了低相噪的载频频率后，通过适当的放大器进行放大，然后作为绝对相位噪声标准进行输出。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种绝对相位噪声标准产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

低相噪光频梳通过光学锁频方式锁定在高稳光源上；

使用EDFA对低相噪光频梳输出光进行放大；

提取低相噪光频梳的高频谐波序列，经光电变频生成微波载频信号，光电转换后的电信号的噪声边带全部由白噪声占据；

调整EDFA增益，改变电信号噪声边带的动态范围；

所述低相噪光频梳输出光经光电转换器生成微波谐波序列；经带通滤波器提取目标频率成分，对所述微波载频信号进行放大，生成绝对相位噪声标准信号。

2.如权利要求1所述绝对相位噪声标准产生方法，其特征在于，所述高稳光源，线宽小于第一设定阈值；所述低相噪光频梳，引入底部噪声小于第二设定阈值；所述光电变频引入底部噪声小于第三设定阈值。

3.如权利要求1所述绝对相位噪声标准产生方法，其特征在于，所述光学锁频方式包含拍频锁定，对低相噪光频梳输出光和高稳光源的输出光进行混频生成的第一差拍频率，用PID技术锁定第一差拍频率。

4.如权利要求1所述绝对相位噪声标准产生方法，其特征在于，所述光学锁频方式包含重频锁定，对光频梳输出的重频与偏置信号进行混频生成的第二差拍频率，用PID技术锁定第二差拍频率。

5.如权利要求1所述绝对相位噪声标准产生方法，其特征在于，所述光学锁频方式包含偏置频率锁定，对光频梳输出光进行光电转换获得第三差拍频率，用PID技术锁定第三差拍频率。

6.一种绝对相位噪声标准产生装置，用于实现权利要求1～5任意一项所述方法，其特征在于，包括高稳光源、光纤拍频锁定环路、低相噪光频梳、光电变频链路、EDFA和增益控制器；

所述高稳光源的光输出端和所述光纤拍频锁定环路的光输入端用单模光纤连接；光纤拍频锁定环路的输出信号与低相噪光频梳的压控端用射频电缆相连；所述低相噪光频梳输出光经EDFA放大后，再经过光电变频链路输出微波载频信号；所述增益控制器用于控制EDFA的增益。

7.如权利要求6所述绝对相位噪声标准产生装置，其特征在于，

所述光纤拍频锁定环路，包含高稳光源拍频锁定环路；所述高稳光源拍频锁定环路包含：低相噪光频梳输出光和高稳光源输出光经光学混频器生成第一差拍频率；将第一差拍频率信号与DDS第一输出信号经第一射频混频器生成第一误差信号，经过第一PID环路生成第一反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的压控输入端。

8.如权利要求6所述绝对相位噪声标准产生装置，其特征在于，

所述光纤拍频锁定环路，包含重频锁定环路；所述重频锁定环路包含：低相噪光频梳输出重频信号经倍频后，和偏置信号经第二射频混频器生成第二差拍频率，将第二差拍频率信号与DDS第二输出信号经第三射频混频器生成第二误差信号，经第二PID环路生成第二反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的压控输入端。

9.如权利要求6所述绝对相位噪声标准产生装置，其特征在于，

所述光纤拍频锁定环路，包含偏置频率锁定环路；所述偏置频率锁定环路包含：低相噪光频梳输出光经光电转换器后得到第三差拍频率，将第三差拍频率信号与DDS第三输出信号经第四射频混频器生成第三误差信号，经第三PID环路生成第三反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的调制端。

10.如权利要求6所述绝对相位噪声标准产生装置，其特征在于，

所述光电变频链路，包含光电转换器、带通滤波器、微波放大器；

所述低相噪光频梳输出光经光电转换器生成微波谐波序列；经带通滤波器提取目标频率成分，经微波放大器输出微波载频信号。