CN114325608A - 一种光电转换器底部噪声校准方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光电转换器底部噪声校准方法，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；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；用所述低相噪微波频率信号对高稳光源进行强度调制，生成调制输出光；用待测光电转换器对所述调制输出光进行光电转换，恢复微波载频信号；对恢复的载波频率信号的相位噪声进行测量，获得待测光电转换器的底部噪声。本申请还包含实现所述方法的光电转换器底部噪声校准装置。本申请克服了传统校准装置存在的灵敏度低、盲区大的问题。

Description

一种光电转换器底部噪声校准方法和装置

技术领域

本申请涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于超低相位噪声光电频率综合技术的光电转换器底部噪声装置。

背景技术

在微波光子雷达技术中，接收端的光电转换器的底部噪声直接影响雷达的目标捕捉性能，是重要参数。但是，光电转换器的技术指标中通常只包括带宽、暗电流和响应度等，在雷达和通信领域的实际应用中，需要对于光电转换器底部噪声进行校准。

目前光电转换器底部噪声校准装置采用的是传统的延迟线法，装置组成包括低相噪参考源、激光器、电光调制器、延迟线、检相器和数字采集处理器，这种装置的缺点是：传统频率综合技术产生的低相噪参考源的相位噪声比光电转换器的底部噪声还要大，即使在正交检相状态下，低相噪参考源的相位噪声影响也不能完全消除；传统电延迟线的校准方法，测量灵敏度低、存在分析傅氏频偏盲区；采用窄线宽激光器时，近载频相位噪声较差，造成整体校准装置近载频底部噪声较差的结果；传统延迟线校准装置由于检相两臂的电延迟的不平衡性，导致检相灵敏度的定标不确定度较大。

由于目前光电转换器底部噪声校准装置存在上述局限性，造成测量灵敏度下降、傅氏分析频偏盲区和定标不确定度较大等问题，所以需要提出一种基于超低相位噪声光电频率综合技术的光电转换器底部噪声装置，克服上述校准装置的缺点。

发明内容

本申请提出一种光电转换器底部噪声校准方法和装置，特别适用于高灵敏度的光电转换器底部噪声的校准，这种装置的应用可以避免现有校准装置带来的测量灵敏度下降、分析傅氏频偏盲区等问题。

一方面，本申请实施例提出一种光电转换器底部噪声校准方法，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；

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；

用所述低相噪微波频率信号对高稳光源进行强度调制，生成调制输出光；

用待测光电转换器对所述调制输出光进行光电转换，恢复微波载频信号；

对恢复的载波频率信号的相位噪声进行测量，获得待测光电转换器的底部噪声。

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光电转换器底部噪声校准装置，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、电光调制器、测试输入端、测试输出端、放大器、信号源分析仪。

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。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。测试输出端的信号，经放大器放大后输入到信号源分析仪。

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：

本申请的装置和方法，通过超低相位噪声光电频率综合技术产生的低相噪载波信号的相位噪声远优于光电转换器的底部噪声；校准结果不存在分析傅氏频偏盲区的问题；高稳光源近载频相位噪声相当优越，大幅优化了整体校准装置的近载频底部噪声；减小了定标的不确定度。

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光电转换器底部噪声校准方法，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、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103、用所述低相噪微波频率信号对高稳光源进行强度调制，生成调制输出光；

步骤104、用待测光电转换器对所述调制输出光进行光电转换，恢复微波载频信号；

步骤105、对恢复的载波频率信号的相位噪声进行测量，获得待测光电转换器的底部噪声。

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光电转换器底部噪声校准装置，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、电光调制器25、测试输入端TI、测试输出端TO、放大器26、信号源分析仪27。

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光电变频链路的输入端单模光纤连接，光电变频链路的输出端与电光调制器的射频输入端射频电缆连接。

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放大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。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。

基于超低相位噪声光电频率综合技术的光电转换器底部噪声校准装置之所以能够对光电转换器的底部噪声进行校准，其主要决定于基于超低相位噪声光电频率综合技术产生的微波信号的相位噪声的优越性，此技术产生的微波信号的相位噪声之所以优越，是因为高稳光源在光域上具备优越的噪声特性，而低相噪光频梳是将光域转换到电域的媒介，其起到了光频的分频作用，用1550nm的光频分频到微波频率，分频系数达到1E6，相位噪声达到微波频率上时，就可以优化120dB以上，从理论上讲，这样得到的微波信号的相位噪声可以达到-200dBc/Hz。

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，光电变频链路对低相噪光频梳的谐波序列进行提取，由于低相噪光频梳对高稳光源起到了高阶分频的作用，所以光电变频链路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，通过电光调制器对高稳光源进行强度调制，调制后的光输出通过待测的光电转换器进行光电转换，光电转换后得到低相噪载波频率，通过放大器对载波频率信号的幅度进行补偿，载波频率获得足够的增益后，通过信号源分析仪对其的相位噪声特性进行分析，由于采用超低相位噪声光电频率综合技术产生的低相噪载波信号的相位噪声远优于光电转换器的底部噪声，所以信号源分析仪得到的校准结果就可以表征待测光电转换器的底部噪声。

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)

1.一种光电转换器底部噪声校准方法，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；

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；

用所述低相噪微波频率信号对高稳光源进行强度调制，生成调制输出光；

用待测光电转换器对所述调制输出光进行光电转换，恢复微波载频信号；

对恢复的载波频率信号的相位噪声进行测量，获得待测光电转换器的底部噪声。

2.如权利要求1所述光电转换器底部噪声校准方法，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所述光电转换器底部噪声校准方法，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所述光电转换器底部噪声校准方法，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所述光电转换器底部噪声校准方法，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。

6.一种光电转换器底部噪声校准装置，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、电光调制器、测试输入端、测试输出端、放大器、信号源分析仪；

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；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；测试输出端的信号，经放大器放大后输入到信号源分析仪。

7.如权利要求6所述光电转换器底部噪声校准装置，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所述光电转换器底部噪声校准装置，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所述光电转换器底部噪声校准装置，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所述光电转换器底部噪声校准装置，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。

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