CN114784598A - 基于强度调制的边带实现宇称-时间对称的光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于强度调制的边带实现宇称‑时间对称的光电振荡器，包括：激光器及与其依序连接的电光强度调制器、用于储存能量的长光纤、光电探测器、电放大器、电滤波器以及电功率分束器；本发明可以提供一种高质量微波信号源，该信号源能以电的形式稳定输出低相位噪声且高边模抑制比的微波信号，此外具有结构简单、无相位匹配和偏振相关问题，以及系统稳定性高的优点。

Description

基于强度调制的边带实现宇称-时间对称的光电振荡器

技术领域

本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种基于强度调制的边带实现宇称-时间对称的光电振荡器。

背景技术

光电振荡器采用光电反馈环路技术，能够产生高频且低相位噪声的微波信号，已经广泛被应用于现代雷达技术、航空航天工程、频率测量以及光纤无线电技术等领域中。为了获取超低相位噪声的微波信号，需要在光电振荡器中构建一个高Q值的光电反馈环路，一个有效的实现方案是使用长光纤来构建一个长环路。但是，长环路会导致光电振荡器产生的微波信号具有密集的纵模间隔，需要极窄带的电滤波器才能产生单纵模振荡的微波信号。高频率、极窄带宽且高Q值的电滤波器由于电子瓶颈的影响难以实现，因此，寻求一种新型且稳定的选模机制成为光电振荡器需要攻克的难点。近年来，宇称-时间对称原理被用作为光电振荡器的一种新颖的模式选择机制，即使光电振荡器中有一个长环路且不使用极窄带宽的电滤波器或者光滤波器，通过让光电振荡器满足对称破缺条件，仍能够产生单纵模振荡的微波信号，故利用新型的、易操作的宇称-时间对称系统在破缺状态下的选模机制对传统光电振荡器进行改造有着重要的研究价值和应用价值。中国发明专利“基于宇称-时间对称原理的光电振荡器”，其结构为基于双偏振的空间双环结构的宇称-时间对称光电振荡器。中国发明专利“一种基于宇称-时间对称原理的光电振荡器、光纤系统以及集成光电系统”，其结构为基于双波长激光器的空间单环结构的宇称-时间对称光电振荡器。上述两个专利中提及的光电振荡器面临双环或者双波长的复杂系统干扰问题，偏振相关问题，使其系统抗干扰能力弱，此外，这些系统体积大，结构复杂。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于强度调制的边带实现宇称-时间对称的光电振荡器，具有空间单环的结构，结构中使用电光强度调制器且不需要调节系统的光偏振态，不会面临偏振相关问题，抗干扰能力强，能够稳定产生高纯度、低相位噪声的高频率微波信号。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于强度调制的边带实现宇称-时间对称的光电振荡器，包括：

—激光器，用于产生波长为λ的激光，激光器的输出端为保偏光纤，激光器输出的线偏振激光的偏振方向与保偏光纤的慢轴保持一致；

—电光强度调制器，电光强度调制器具有一个光信号输入端口，一个光信号输出端口，一个微波信号输入端口以及一个电压输入端；电光强度调制器的光信号输入端口与激光器输出端的保偏光纤连接，通过该保偏光纤的慢轴将所激光器输出的线偏振激光耦合进电光强度调制器的非寻常光轴；

电光强度调制器，用于接收光载波和将该光电振荡器产生的微波信号调制到光载波上，以产生具有多阶调制边带的光信号；

—电压源，输出稳定可调直流偏压，与电光强度调制器的电压输入端口相连；

—长光纤，其输入端与电光强度调制器的光信号输出端口连接；

—光电探测器，其输入端与长光纤的输出端连接；

—电放大器，用于使得环路内光电信号增益大于损耗得以起振，其输入端与光电探测器的输出端连接；

—电滤波器，用于控制产生微波信号的频率范围，其输入端与电放大器的输出端连接；

—电功率分束器，具有一个输入端口、两个微波信号输出端口，电功率分束器的输入端口与电滤波器的输出端连接，电功率分束器的一个微波信号输出端口与电光强度调制器的微波信号输入端口连接。

进一步的，激光器为保偏输出的半导体激光器或保偏输出的DFB激光器或保偏输出的光纤激光器，可以使用非保偏光纤和偏振控制器代替保偏光纤。

进一步的，长光纤用于储存能量，长光纤的长度根据不同的应用对相位噪声的要求，在10至20000m之间选取。

进一步的，电放大器、电滤波器以及电功率分束器不局限于当前连接位置，可在光电探测器的输出端和电光强度调制器的微波信号输入端口之间任意位置和任意顺序连接。

进一步的，光电振荡器发射的单模微波信号，其边模抑制比大于20dB。

进一步的，电光强度调制器为5～100GHz带宽、能产生1阶边带和2阶边带的电光强度调制器或达到相同效果的其他类型电光强度调制器；

电滤波器为中心频率为1～100GHz电滤波器或达到与频率为1～100GHz的电滤波器相同效果的其他类型电滤波器。

进一步的，电压源为可输出-10V-10V的可调电压源或其他类型的可输出某个电压的电压源。

进一步的，光电探测器为1～100GHz带宽的光电探测器或达到与1～100GHz光电探测器相同效果的其他类型光电探测器；

电放大器为带宽为40kHz～100GHz且其增益系数足够使振荡器振荡的电方大器或达到相同效果的其他类型电放大器；

电功率分束器为带宽为1～100GHz的电功率分束器或达到与带宽为1～100GHz的电功率分束器相同效果的其他类型电功率分束器。

进一步的，多阶边带调制光信号通过调节电压源的电压与激光器输出激光的功率来实现宇称-时间对称系统中的增益与损耗匹配，可使用可调光衰减器代替调谐激光的功率，可调光滤波器代替调节电压源的电压。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明基于强度调制的多阶边带实现宇称-时间对称的光电振荡器，不依赖于高性能极窄带宽的电滤波器，通过调节电压源的偏压与激光器输出的功率，来调节电光强度调制器输出的载波、1阶边带和2阶边带的能量比值和整体能量水平，从而实现光电环路的增益和损耗强度的调节，并实现对称破缺状态以进行选模，调节方法简单，易于实现。

2、本发明不需要使用多个激光器和结构复杂的电光调制器，不需要调节系统的光偏振态，只使用到一个激光器和结构简单的电光强度调制器，这使得系统不会面临偏振相关问题，此外系统结构得到显著简化，这使得系统的稳定性得到大幅提高，能够稳定产生低相位噪声、高边模抑制比的微波信号。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是电光强度调制的产生1阶边带和2阶边带的光谱图；

图3是满足宇称-时间对称破缺条件之后，实现高边模抑制比单纵模微波信号输出的频谱图；

图4是光电振荡器输出微波信号的相位噪声谱。

附图标号说明：1-激光器；2-电光强度调制器；3-电压源；4-长光纤；5-光电探测器；6-电放大器；7-电滤波器；8-电功率分束器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明，基于强度调制的边带实现宇称-时间对称的光电振荡器，包括：

—激光器1，用于产生波长为λ的激光，激光器的输出端为保偏光纤，激光器输出的线偏振激光的偏振方向与保偏光纤的慢轴保持一致；

—电光强度调制器2，电光强度调制器具有一个光信号输入端A口，一个光信号输出端B口，一个微波信号输入端C口以及一个电压输入端；电光强度调制器的光信号输入端A口与激光器输出端的保偏光纤连接，通过该保偏光纤的慢轴将所激光器输出的线偏振激光耦合进电光强度调制器的非寻常光轴；

电光强度调制器用于接收光载波和将该光电振荡器产生的微波信号调制到光载波上，以产生具有多阶调制边带的光信号；

—电压源3，电压控制模块输出稳定可调直流偏压，与电光强度调制器的电压输入端口相连；

—长光纤4，其输入端与电光强度调制器的光信号输出端B口连接；

—光电探测器5，其输入端与长光纤的输出端连接；

—电放大器6，用于使得环路内光电信号增益大于损耗得以起振，其输入端与光电探测器的输出端连接；

—电滤波器7，用于控制产生微波信号的频率范围，其输入端与电放大器的输出端连接；

—电功率分束器8，具有一个输入端D口、两个微波信号输出端E口与F口，电功率分束器的输入端D口与电滤波器的输出端连接，电功率分束器的一个微波信号输出端E口与电光强度调制器的微波信号输入端C口连接。

光电振荡器发射的单模微波信号，其边模抑制比大于20dB。

电放大器、电滤波器以及电功率分束器不局限于当前连接位置，可在光电探测器的输出端和电光强度调制器的微波信号输入端之间任意位置连接。

激光器为保偏输出的半导体激光器或保偏输出的DFB激光器或保偏输出的光纤激光器。

电压源为可输出-10V～10V的可调电压源或其他类型的可输出-10V至+10V中的某个电压的电压源，包括且不限于偏压控制器，任意波形发生器，直流电压适配器等。

长光纤用于储存能量，长光纤的长度根据不同的应用对相位噪声的要求，在10至20000米之间选取。本实施例中长光纤的长度为10.1千米；长光纤不局限于使用G652普通单模光纤，可以使用其他类型的光纤而达到G652普通单模光纤相同效果。

光电探测器为1～100GHz带宽的光电探测器或其他类型光电探测器而可达到与1～100GHz光电探测器相同效果，本实施例中，使用50GHz带宽光电探测器。

电放大器6的带宽为40kHz～100GHz，其增益系数足够使振荡器振荡，或其他类型电放大器，可达到与带宽为40kHz～100GHz的电功率放大器相同效果；本实施例中，使用增益系数为26dB的电放大器。

电光强度调制器为5～100GHz带宽的电光强度调制器或其他类型电光强度调制器而可达到与5～100GHz带宽电光强度调制器相同效果；电光强度调制器为可以产生1阶边带和2阶边带的调制器或者其他类型可以产生1阶和2阶边带的调制器。

电滤波器7的中心频率为1～100GHz，或其他类型电滤波器而可达到与频率为1～100GHz的电滤波器相同效果；本实施例中，使用中心频率10GHz、带宽20MHz的带通滤波器。

电功率分束器8的带宽为1～100GHz的电功率分束器或其他类型电功率分束器而可达到与带宽为1～100GHz的电功率分束器相同效果。本实施例中，使用工作带宽为4到40GHz的电功率分束器。

本实施例所述光电振荡器，是通过调节强度调制器的偏压实现的对各阶光学边带的能量相对强度关系调控，通过控制激光器的功率，来实现对各阶光学边带的整体能量控制，从而使其满足宇称-时间对称系统中的增益与损耗相等的条件。其中实现高边模抑制比模式输出的原理是基于宇称-时间对称机制，而不是仅靠电学滤波器实现单纵模输出。实施例中可以使用长达16km的光纤，相邻模式频率间隔仅13kHz，远小于电学滤波器的3dB带宽。

本实施例中，如图2所示；电光强度调制器能够输出一个具有正负1阶边带和正负2阶边带的光信号，正负1阶边带和光载波在环路内的光电转换以及1阶边带和2阶边带在环路内的光电转换等效于两个光电环路，通过调节电压源的偏压与激光器输出的激光的功率，来控制各个边带之间的能量比值和整体功率，从而实现这两个光电环路的增益和损耗强度的调节，如果这两个光电环路的增益和损耗不满足某一环路增益等于另一环路损耗，未实现对称性破缺状态时，将得到多纵模输出微波信号；如果调节电压源的偏压与激光器输出的激光的功率，能够让这两个光电环路的增益和损耗满足某一环路增益等于另一环路损耗，实现对称性破缺状态，将得到类似如图3所示的单纵模微波信号输出，边模抑制比超过20dB，此时的电光强度调制光信号的光谱图如图2所示，当光纤长度为10.1km时，在10kHz频率偏移处的相位噪声低至-142dBc/Hz，如图4所示。

本实施例中，实际上只保留载波、+1阶边带和+2阶边带，或者只保留载波、-1阶边带和-2阶边带，也能够实现对称性破缺状态和产生单纵模输出微波信号，这与保留载波、两个1阶边带和两个2阶边带的电光强度调制光信号具有相同的效果。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“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、物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、物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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.基于强度调制的边带实现宇称-时间对称的光电振荡器，其特征在于，包括：

—激光器，用于产生波长为λ的激光，激光器的输出端为保偏光纤，激光器输出的线偏振激光的偏振方向与保偏光纤的慢轴保持一致；

—电光强度调制器，电光强度调制器具有一个光信号输入端口，一个光信号输出端口，一个微波信号输入端口以及一个电压输入端口；电光强度调制器的光信号输入端口与激光器输出端的保偏光纤连接，通过该保偏光纤的慢轴将所激光器输出的线偏振激光耦合进电光强度调制器的非寻常光轴；

电光强度调制器，用于接收光载波和将该光电振荡器产生的微波信号调制到光载波上，以产生具有多阶调制边带的光信号；

—电压源，输出稳定可调直流偏压，与电光强度调制器的电压输入端口相连；

—长光纤，其输入端与电光强度调制器的光信号输出端口连接；

—光电探测器，其输入端与长光纤的输出端连接；

—电放大器，用于使得环路内光电信号增益大于损耗得以起振，其输入端与光电探测器的输出端连接；

—电滤波器，用于控制产生微波信号的频率范围，其输入端与电放大器的输出端连接；

—电功率分束器，具有一个输入端口、两个微波信号输出端口，电功率分束器的输入端口与电滤波器的输出端连接，电功率分束器的一个微波信号输出端口与电光强度调制器的微波信号输入端口连接，电功率分束器的另一个微波信号输出端口将产生的微波信号输出振荡器外。

2.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，激光器为保偏输出的半导体激光器或保偏输出的DFB激光器或保偏输出的光纤激光器，可以使用非保偏光纤和偏振控制器代替保偏光纤。

3.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，长光纤用于储存能量，长光纤的长度根据不同的应用对相位噪声的要求，在10至20000m之间选取。

4.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，电放大器、电滤波器以及电功率分束器不局限于当前连接位置，可在光电探测器的输出端和电光强度调制器的微波信号输入端口之间任意位置和任意顺序连接。

5.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，光电振荡器发射的单模微波信号，其边模抑制比大于20dB。

6.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，电光强度调制器为5～100GHz带宽、能产生1阶边带和2阶边带的电光强度调制器或达到相同效果的其他类型电光强度调制器；

电滤波器为中心频率为1～100GHz电滤波器或达到与频率为1～100GHz的电滤波器相同效果的其他类型电滤波器。

7.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，电压源为可输出-10V-10V的可调电压源或其他类型的可输出某个电压的电压源。

8.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，光电探测器为1～100GHz带宽的光电探测器或达到与1～100GHz光电探测器相同效果的其他类型光电探测器；

电放大器为带宽为40kHz～100GHz且其增益系数足够使振荡器振荡的电放大器或达到相同效果的其他类型电放大器；

电功率分束器为带宽为1～100GHz的电功率分束器或达到与带宽为1～100GHz的电功率分束器相同效果的其他类型电功率分束器。

9.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，多阶边带调制光信号通过调节电压源的电压与激光器输出激光的功率来实现宇称-时间对称系统中的增益与损耗匹配，可使用可调光衰减器代替调谐激光的功率，可使用可调光滤波器代替调节电压源的电压。

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