CN114976824A - 一种宽带稳频的光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽带稳频的光电振荡器。该光电振荡器包括：包括激光模块、声光移频模块、相位调制模块、平衡光电探测模块、振荡反馈模块、PID反馈模块和射频振荡器；激光模块、声光移频模块、相位调制模块、平衡光电探测模块和振荡反馈模块构成光电振荡环路；激光模块、声光移频模块、相位调制模块、平衡光电探测模块PID反馈模块和射频振荡器构成锁频锁相环路。本发明能够实现光电振荡器的宽带稳频输出。

Description

一种宽带稳频的光电振荡器

技术领域

本发明涉及光电振荡器技术领域，尤其涉及一种宽带稳频的光电振荡器。

背景技术

近年来，随着5G通信、无人驾驶、卫星通信导航以及无线电子通信的技术愈发地成熟，通信系统对微波信号质量的需求也越来越高。光电振荡器作为通信系统的核心，应用了射频光子技术，是一种新兴的微波振荡器。射频光子学融合了射频技术以及光学技术，突破了射频器件的对振荡器系统性能的限制，从而可以产生高质量的微波信号，是高质量通信系统的理想振荡器，因此对光电振荡器的研究具有重要的应用价值与广阔的市场前景。

射频信号的相位噪声和长期稳定度是评价光电振荡器性能的两项重要标准。典型的光电振荡器大多会采用长光纤作为谐振腔，如图1所示。长光纤的引入可以提高射频信号的相位噪声性能。但由于长光纤对环境变化非常敏感，外界环境温度的变化可能会导致长光纤的长度发生变化，进而导致振荡器输出的射频信号发生频率漂移，影响振荡器的长期稳定度。

现有技术为解决长光纤带来的射频信号的频率漂移问题，大多会采用在典型光电振荡器的基础上增加电控锁相环，如图2所示。通过采用电控锁相环保证电控移相器通过电信号量来进行腔长的补偿，维持振荡器整体腔长不变，从而实现稳频。然而，由于电控移相器的移相范围小，当光电振荡器处于宽温环境中时，光纤折射率的变化会引起环路腔长的大幅度变化，电控移相器无法补偿这样的变化，导致光电振荡器的长期稳定度较差。

发明内容

本发明提供了一种宽带稳频的光电振荡器，以解决由于电控移相器的移相范围小，当光电振荡器处于宽温环境中时，光纤折射率的变化会引起环路腔长的大幅度变化，电控移相器无法补偿这样的变化，导致光电振荡器的长期稳定度较差的问题。

本发明提供了一种宽带稳频的光电振荡器，包括激光模块、声光移频模块、相位调制模块、平衡光电探测模块、振荡反馈模块、PID反馈模块和射频振荡器；激光模块、声光移频模块、相位调制模块、平衡光电探测模块和振荡反馈模块构成光电振荡环路；

声光移频模块分别与激光模块、相位调制模块、平衡光电探测模块和PID反馈模块连接；相位调制模块分别与振荡反馈模块和平衡光电探测模块连接；平衡光电探测模块分别与振荡反馈模块和PID反馈模块连接；PID反馈模块与射频振荡器连接；

激光模块用于提供两路光载波信号；

声光移频模块用于分别对两路光载波信号进行移频，得到振幅相同的第一移频光信号和第二移频光信号；

相位调制模块用于对第一移频光信号进行相位调制，得到作为信号光的目标调制信号；目标调制信号经长光纤储能和传输后注入平衡光电探测模块；平衡光电探测模块用于以第二移频光信号为本振光，对目标调制信号进行共轭解调，得到目标射频电信号；目标射频电信号经振荡反馈模块滤波和射频放大后注入相位调制模块；其中，目标射频电信号的相位受控于声光移频模块的相位，在光电振荡环路的增益大于损耗时，光电振荡器开始振荡；

射频振荡器用于向PID反馈模块提供参考电信号；PID反馈模块用于将参考电信号和目标射频电信号进行混频和转换，得到注入声光移频模块的用于锁相的低频误差信号。

在一种可能的实现方式中，目标射频电信号I表示为：

其中，E_o1＝E₁+jE'₂，E_o2＝jE₁+E'₂，

*表示复数共轭，∝表示正比于，J(·)为一阶贝塞尔函数，β为相位调制模块的调制指数，ω_r为振荡信号的角频率，ω_m为声光移频模块的固有移动角频率，ω₀为激光模块输出光载波信号的角频率，E₀为激光模块输出光载波信号的振幅，

为声光移频模块外加电压对其相位的改变量。

在一种可能的实现方式中，两路光载波信号包括第一光载波信号和第二光载波信号；声光移频模块包括第一声光移频器和第二声光移频器；

第一声光移频器分别与激光模块和相位器调制模块连接；第二声光移频器分别与激光模块、PID反馈模块和平衡光电探测模块连接；

第一声光移频模块用于对第一光载波信号进行移频，得到第一移频光信号；

第二声光移频模块用于对第二光载波信号进行移频，得到第二移频光信号。

在一种可能的实现方式中，相位调制模块包括相位调制器和光滤波器；

相位调制器分别与声光移频模块、振荡反馈模块和光滤波器连接；光滤波器与平衡光电探测模块连接；

相位调制器用于对第一移频光信号进行调制，得到初始调制信号；

光滤波器用于对初始调制信号进行波长选择，得到作为调制光的目标调制信号。

在一种可能的实现方式中，平衡光电探测模块包括光纤耦合器、平衡光电探测器和功分器单元；

平衡光电探测器分别与光纤耦合器和功分器单元连接；光纤耦合器与相位调制模块和声光移频模块连接；功分器单元分别与振荡反馈模块和PID反馈模块连接；

光纤耦合器用于对目标调制信号和第二移频光信号进行耦合，得到目标耦合信号和基准耦合信号；

平衡光电探测器用于以基准耦合信号为本振光，对目标耦合信号进行共轭解调，得到目标射频电信号；目标射频电信号经功分器单元分别输入振荡反馈模块和PID反馈模块。

在一种可能的实现方式中，功分器单元包括第一功分器和第二功分器；

第一功分器分别与平衡光电探测器、第二功分器和PID反馈模块连接；第二功分器与振荡反馈模块连接；

目标射频电信号经第一功分器和第二功分器输入振荡反馈模块；

目标射频电信号经第一功分器输入PID反馈模块。

在一种可能的实现方式中，振荡反馈模块包括带通滤波器和射频放大器；

带通滤波器分别与射频放大器和平衡光电探测模块连接；射频放大器与相位调制模块连接；

目标射频电信号依次经过带通滤波器滤波和射频放大器放大注入相位调制模块。

在一种可能的实现方式中，PID反馈模块包括混频器、低通滤波器和PID控制器；

混频器分别与平衡光电探测模块、射频振荡器和低通滤波器连接；PID控制器分别与低通滤波器和声光移频模块连接；

混频器用于对参考电信号和目标射频电信号进行混频，得到混频信号；

低通滤波器用于对混频信号进行低通滤波，得到低频信号；

PID控制器用于对低频信号进行转换，得到用于锁相的低频误差信号。

在一种可能的实现方式中，两路光载波信号的振幅相同。

在一种可能的实现方式中，光电振荡器还包括提供驱动信号的驱动器；驱动信号用于控制第二移频光信号的相位。

本发明实施例提供一种宽带稳频的光电振荡器，光电振荡环路通过相位调制模块进行相位调制，并通过平衡光电探测模块进行共轭解调，实现目标射频电信号的振荡输出。锁频锁相环路通过调节声光移频模块的相位进而调节目标射频电信号的相位，可以实现目标射频电信号的宽带稳频输出，二者共同作用实现目标射频电信号的长时间的振荡、稳频输出，可以提高光电振荡器的在宽温环境中的工作稳定性和可靠性，保证光电振荡器的长期稳定度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的典型光电振荡器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的增加电控锁相环的光电振荡器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的典型马赫－曾德尔的光电振荡器的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的第一种光电振荡器的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的第二种光电振荡器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，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，都应当属于本方案保护的范围。

本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：

参见图1，其示出了本发明实施例提供的典型光电振荡器的结构示意图。如图1所示，典型光电振荡器主要由光电储能链路和射频反馈回路组成。光电储能链路可以包括激光器、电光调制器、低损耗光纤链路、高速光电探测器；射频反馈回路可以包括带通滤波器、射频放大器和电耦合器等射频器件组成。

典型光电振荡器的工作原理为：激光器产生的光信号通过电光调制器后，射频信号调制在光载波上，被调制信号经光纤传输后由光电探测器进行解调得到射频信号，再经过放大、滤波等处理后反馈注入电光调制器，形成闭环的正反馈回路，实现信号振荡。

图1所示的典型光电振荡器中结合了许多有源器件，不同器件会带来不同机制的噪声，其中激光器会带来相对强度噪声，同时光纤的引入会引起瑞利散射，进而产生相对强度噪声，相对强度噪声会恶化振荡器的相位噪声性能，因此对相对强度噪声进行抑制是提高光电振荡器相位噪声的关键。

图1中的典型光电振荡器中的采用低损耗光纤作为谐振腔，得益于光纤具有很高的储能特性，保证光电振荡器具有极好的相位噪声性能。然而，长光纤的引入一方面提高了光电振荡器的相位噪声性能，但同时也引入了新的问题，由于光纤对于外界环境非常敏感，外界环境温度的变化可能导致光纤长度发生变化从而改变光电振荡器整体的腔长，进而导致振荡器的输出信号发生频率漂移，影响振荡器的长期稳定度差。

为解决长光纤带来的射频信号的频率漂移问题，大多会采用在典型光电振荡器的基础上增加电控锁相环以及利用马赫－增德尔调制器进行反馈控制。下面对两种现有技术进行具体分析：

第一，对于增加电控锁相环的现有技术：

图2示出了本发明实施例提供的增加电控锁相环的光电振荡器的结构示意图。如图2所示，其在图1提供的光电振荡器的结构基础上增加了电控锁相环。电控锁相环由鉴相器、反馈控制器以及电控移相器组成。该电控锁相环能够将光电振荡器的输出信号锁定在外部参考信号附近。

其中，外部参考信号由一个稳定的信号源产生，当光纤受到影响导致光电振荡器信号发生频率漂移后，鉴相器对参考信号与振荡器输出信号进行鉴相，得到误差信号，反馈控制器将误差信号转化为电信号，电控移相器通过电信号量来进行腔长的补偿，维持振荡器整体腔长不变，从而实现稳频。电控移相器通过改变相位来补偿腔长，具有一定的补偿范围，当光纤长度为3km时，锁相环可以保证光电振荡器输出信号在几十kHz范围内保持稳定。

然而，图2所示的方案在光电振荡器环路中通过输出射频信号与射频参考信号之间的误差信号来控制电控移相器，从而调节环路腔长，实现光电振荡器的稳频。该方案能够在一定程度上稳定输出射频信号的频率，但是仍然存在不足。具体包括：

首先，电控移相器的移相范围小。当光电振荡器处于宽温环境中时，光纤折射率的变化会引起环路腔长的大幅度变化，电控移相器无法补偿这样的变化，该光电振荡器的长期频率稳定度较差。

其次，该方案利用单个光电探测器构建光电振荡器环路。光电振荡器中必须用较长的光纤作为储能元件，使输出射频信号的相位噪声降低。但长光纤传输会引入较大的相对强度噪声，经过单个光电探测器的光电转换后，会直接恶化输出射频信号的相位噪声。

第二，对于利用马赫－增德尔调制器的现有技术：

图3示出了本发明实施例提供的典型马赫－曾德尔的光电振荡器的结构示意图。如图3所示，该结构使用了双并行调制器作为两个子调制器嵌入主调制器中，通过子调制器的偏压控制可以改变主调制器的调制信号。

首先，激光器产生光信号后经过双并行马赫－曾德尔调制器调制射频信号，光电振荡器是一个反馈振荡器，系统内部满足幅度与相位条件的噪声会不断的放大，经过反馈成为系统所需射频信号。

其次，已调制光信号经过光滤波器带通滤波后得到单边带调制信号再经过光纤传输，光电探测器对已调制光信号进行拍频得到射频信号，射频放大器提高射频信号的增益、滤波器能够得到对应频段的射频信号。

最后，射频信号经过电耦合器分为两部分，一部分作为输出信号，另一部分作为反馈信号。反馈信号又经过电耦合器分为两部分，一部分直接到达子调制器进行反馈，另一部分经过与本地参考信号进行鉴相处理得到反馈信号与参考信号之间的误差信号，反馈控制器根据误差信号进行处理，将反馈的结果再作用到主调制器上，通过控制MZM调制器的偏置电压实现锁相，提高光电振荡器的稳定性。

该结构的优势一方面在于光滤波器得到单边带调制信号，能够提高系统的输出信号性能，另一方面通过反馈控制调制器的偏置电压，在光域进行锁相，极大地提高了锁相范围。

然而，图3中利用级联的双并行马赫－曾德尔调制器与光滤波器构建了光电振荡器结构，该方案能够通过调节调制器的偏置电压实现射频信号的移相，再与电锁相环技术结合实现了光电振荡器的宽带稳频。与图2的方案相比，该方案的移相范围大大增加，能够实现在较宽温条件下的光电振荡器稳频。但是该方案也存在不足之处。具体如下：

首先，与图2的方案相同，该方案使用单个光电探测器来构建光电振荡器环路，经过长光纤传输后的相对强度噪声会直接恶化输出射频信号的相位噪声。

其次，该方案中使用了双并行马赫－曾德尔调制器，其中的一个偏置电压为误差反馈端口，另外的两个偏置电压需要分别精准控制在抑制载波偏置点和正交偏置点，该光电振荡器的结构和控制都更为复杂。

最后，与图2的方案相比，该方案通过在光域移相提高了移相范围，但移相范围最终也会受限于调制器偏置的最大工作电压和半波电压，光电振荡器在宽温环境下的长期稳定度仍然难以保证。

综上，现有技术未能彻底解决引入长光纤导致光电振荡器相位噪声变差，以及因受温度影响导致光电振荡器长期稳定度较差的问题。

为解决上述问题，本发明实施例提供了新的光电振荡器。图4示出了本发明实施例提供的第一种光电振荡器的结构示意图。如图4所示，该光电振荡器包括激光模块10、声光移频模块11、相位调制模块12、平衡光电探测模块13、振荡反馈模块14、PID反馈模块15和射频振荡器16；

激光模块10、声光移频模块11、相位调制模块12、平衡光电探测模块13和振荡反馈模块14构成光电振荡环路；激光模块10、声光移频模块11、相位调制模块12、平衡光电探测模块13、PID反馈模块15和射频振荡器16构成锁频锁相环路。其中，激光模块可以包括激光器。

声光移频模块11分别与激光模块10、相位调制模块12、平衡光电探测模块13和PID反馈模块15连接；相位调制模块12分别与振荡反馈模块14和平衡光电探测模块13连接；平衡光电探测模块13分别与振荡反馈模块14和PID反馈模块15连接；PID反馈模块15与射频振荡器16连接；其中，射频振荡器16用于提供本地射频信号，也即参考电信号。

具体的，各部分的连接关系和作用如下：

激光模块10的输出端与声光移频模块11的输入端连接，激光模块10用于提供两路光载波信号。其中，两路光载波信号分别为第一光载波信号和第二光载波信号，第一光载波信号和第二光载波信号的振幅相同。

声光移频模块11用于分别对两路光载波信号进行移频，得到振幅相同的第一移频光信号和第二移频光信号。

相位调制模块12的输入端与声光移频模块11的第一输出端连接，相位调制器模12块用于对第一移频光信号进行相位调制，得到作为信号光的目标调制信号。

相位调制模块12的输出端通过长光纤与平衡光电探测模块13的第一输入端连接。目标调制信号经长光纤储能和传输后注入平衡光电探测模块。

平衡光电探测模块13的第二输入端与声光移频模块11的第二输出端连接。平衡光电探测模块13用于以第二移频光信号为本振光，对目标调制信号进行共轭解调，得到目标射频电信号。

可选的，平衡光电探测模块13中包括平衡光电探测器。平衡光电探测器接收光信号，可以抑制或消除信号中的共模噪声。在本发明提供的实施例中，目标调制信号作为信号光，第二移频光信号作为本振光，平衡光电探测模块13对目标调制信号进行共轭解调，将相位信息转换为强度信息，得到目标射频电信号。

振荡反馈模块14，输入端与平衡光电探测模块13的输出端连接，输出端与相位调制模块12的反馈端连接。目标射频电信号经振荡反馈模块14滤波和射频放大后注入相位调制模块12。

PID反馈模块，第一输入端与平衡光电探测模块13的输出端连接，第二输入端与射频振荡器16的输出端连接，输出端与声光移频模块11的反馈端连接。射频振荡器用于向PID反馈模块提供参考电信号；PID反馈模块用于将参考电信号和目标射频电信号进行混频和转换，得到注入声光移频模块的用于锁相的低频误差信号。

此外，平衡光电探测模块13的输出端可以作为光电振荡器的输出端，还用于输出目标射频电信号。

可选的，目标射频电信号I表示为：

其中，E_o1＝E₁+jE'₂，E_o2＝jE₁+E'₂，

*表示复数共轭，∝表示正比于，J(·)为一阶贝塞尔函数，β为相位调制模块的调制指数，ω_r为振荡信号的角频率，ω_m为声光移频模块的固有移动角频率，ω₀为激光模块输出光载波信号的角频率，E₀为激光模块输出光载波信号的振幅，

为声光移频模块外加电压对其相位的改变量。

对于光电振荡环路而言，在光电振荡环路的增益大于损耗时，光电振荡器开始振荡，光电振荡器实现振荡输出。

对于锁频锁相环路而言，该环路实现对声光移频模块的锁相，实现目标声光移频模块的稳频输出。并且，目标射频电信号的相位受控于声光移频模块11的相位

通过改变声光移频模块11的相位，可以改变目标射频电信号的相位，实现光电振荡器的宽范围稳频输出。

本发明实施例通过构建光电振荡环路和锁频锁相环路，实现目标射频电信号的振荡、稳频输出。通过调节声光移频模块11的相位可以实现目标射频电信号的相位调节，调节范围广，且基本不受温度影响，可以实现在宽温范围内的稳频输出。以第二移频光信号为本振光，通过平衡光电探测模块14实现对相位调制的目标调制信号的共轭解调，在消除长光纤导致的共模噪声的基础上，引入相位调制，且可以将相位信息转换为调制信息，得到的目标射频电信号质量较优。

参见图5，其示出了本发明实施例提供的第二种光电振荡器的结构示意图。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，两路光载波信号包括第一光载波信号和第二光载波信号；声光移频模块11包括第一声光移频器111和第二声光移频器112。

第一声光移频器111分别与激光模块10和相位器调制模块12连接；第二声光移频器112分别与激光模块10、PID反馈模块15和平衡光电探测模块13连接。

具体的，第一声光移频器111的输入端与激光模块10的输出端连接，第一声光移频模块111用于对第一光载波信号进行移频，得到第一移频光信号。

第二声光移频器112的输入端与激光模块10的输出端连接，第二声光移频模块112用于对第二光载波信号进行移频，得到第二移频光信号。

可选的，第一移频光信号和第二移频光信号的振幅可以相同，均可以为

在本发明的一些实施例中，如图5所示，相位调制模块12包括相位调制器121和光滤波器122。

相位调制器121分别与声光移频模块11、振荡反馈模块14和光滤波器122连接；光滤波器122与平衡光电探测模块13连接。

具体的，相位调制器121的输入端与第一声光移频器111的输出端连接，相位调制器121用于对第一移频光信号进行调制，得到初始调制信号。

光滤波器122的输入端与相位调制器121的输出端连接，光滤波器122用于对初始调制信号进行滤波，得到作为调制光的目标调制信号。

可选的，初始调制信号的振幅可以为：

其中，E₂为初始调制信号的振幅。

目标调制信号的振幅可以为：

在本发明的一些实施例中，如图5所示，平衡光电探测模块13包括光纤耦合器131、平衡光电探测器132和功分器单元；

平衡光电探测器132分别与光纤耦合器131和功分器单元连接；光纤耦合器131与相位调制模块12和声光移频模块11连接；功分器单元分别与振荡反馈模块14和PID反馈模块15连接。

具体的，光纤耦合器的第一输入端通过长光纤与光滤波器122的输出端连接，光纤耦合器131用于对目标调制信号和第二移频光信号进行耦合，得到目标耦合信号和基准耦合信号。

平衡光电探测器132，第一输入端与光纤耦合器的第一输出端连接，第二输入端与光纤耦合器的第二输出端连接，平衡光电探测器132用于以基准耦合信号为本振光，对目标耦合信号进行共轭解调，得到目标射频电信号；目标射频电信号经功分器单元分别输入振荡反馈模块14和PID反馈模块15。

可选的，功分器单元包括第一功分器133和第二功分器134。

第一功分器133分别与平衡光电探测器132、第二功分器134和PID反馈模块15连接；第二功分器134与振荡反馈模块14连接。

具体的，第一功分器133，输入端与平衡光带你探测器132的输出端连接，第一输出端与第二功分器134的输入端连接，第二输出端与PID模块16连接。目标射频电信号经第一功分器133和第二功分器134输入振荡反馈15模块；目标射频电信号经第一功分器133输入PID反馈模块15。

可选的，目标耦合信号和基准耦合信号的振幅可以分别为：E_o1＝E₁+jE'₂，E_o2＝jE₁+E′₂。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，振荡反馈模块14包括带通滤波器141和射频放大器142。

带通滤波器141分别与射频放大器142和平衡光电探测模块13连接；射频放大器142与相位调制模块12连接。

具体的，带通滤波器141，输入端与第二功分器134的输出端连接，输出端与射频放大器142的输入端连接。射频放大器142的输出端与相位调制器121的反馈端连接。目标射频电信号依次经过带通滤波器141滤波和射频放大器142放大注入相位调制模块12。

可选的，带通滤波器151为中心频率为ω_r的窄带带通滤波器。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，PID反馈模块15包括混频器151、低通滤波器152和PID控制器153。

混频器151分别与平衡光电探测模块13、射频振荡器16和低通滤波器152连接；PID控制器153分别与低通滤波器152和声光移频模块11连接。

具体的，混频器151，第一输入端与第一功分器133的输出端连接，第二输入端与射频振荡器16的输出端连接，混频器151用于对参考电信号和目标射频电信号进行混频，得到混频信号。

低通滤波器152的输入端与混频器151的输出端连接，低通滤波器152用于对混频信号进行低通滤波，得到低频信号。

PID控制器153的输入端与低通滤波器152的输出端连接，PID控制器153用于对低频信号进行转换，得到用于锁相的低频误差信号。

可选的，射频振荡器16的频率为ω_r。PID控制器为比例－积分－微分控制器，低频误差信号为电压信号。该低频误差信号用于反馈调节第二声光移频器112的相位，从而消除本地的射频振荡器16与光电振荡器之间的频率和相位误差，以实现光电振荡器输出目标射频电信号的频率稳定。

在本发明的一些实施例中，光电振荡器还包括提供驱动信号的驱动器；驱动信号用于控制第二移频光信号的相位。

具体的，驱动器与第二声光移频器112连接，用于提供驱动电信号，以控制第二移频信号的相位。声光移频器仅需很小的驱动电信号即可在宽范围内改变相位。通过增加驱动器，可以宽范围、便捷改变第二声光移频器112的相位，进而可以改变目标射频电信号的相位。例如，驱动器可以为PID反馈模块中的射频放大器，可以连接在第二声光移频器和PID控制器之间，用于放大低频误差信号，调整第二声光移频器的相位。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，一种光电探测器可以包括激光模块10、第一声光移频器111、第二声光移频器112、相位调制器121、光滤波器122、光纤耦合器131、平衡光电探测器132、第一功分器133、第二功分器134、带通滤波器141、射频放大器142、混频器151、低通滤波器152、PID控制器153和射频振荡器16。

激光器10、第一声光移频器111、第二声光移频器112、相位调制器121、光滤波器122、光纤耦合器131、平衡光电探测器132、第一功分器133、第二功分器134、带通滤波器151和射频放大器152构成光电振荡环路。在光电振荡环路的增益大于损耗时，光电振荡器起振。

具体的，平衡光电探测器141输出的光电流经两个功分器后，一路通过中心频率为ω_r的窄带带通滤波器后经过射频放大器，反馈至相位调制器的射频输入端，另一路作为光电振荡器输出射频信号。

本发明实施例通过构建光电振荡环路，将激光信号分为上下两路，相位调制后的上边带与另一路光载波耦合输出，并通过光纤耦合器结合平衡光电探测器大幅度抑制了长光纤导致的相对强度噪声，从而降低了光电振荡器输出信号的相位噪声。

激光器10、第一声光移频器111、第二声光移频器112、相位调制器121、光滤波器122、光纤耦合器131、平衡光电探测器132、第一功分器133、第二功分器134、混频器151、低通滤波器152、PID控制器153和射频振荡器16构成锁频锁相环路。

具体的，平衡光电探测器141输出的光电流经过第二功分器143后与频率为ω_r的射频振荡器16通过混频器151，再经过低通滤波器152得到射频振荡器16与光电振荡器之间的低频误差信号，最后利用PID控制器153转化为相应电压信号，来反馈调节第二声光移频器112的相位，从而消除射频振荡器与光电振荡器之间的频率和相位误差，实现了光电振荡器输出射频信号的频率稳定。此外，通过改变第二声光移频器的相位，可以控制光电振荡器的输出射频信号的相位，进而实现光电振荡器宽范围稳定输出。

本发明实施例构建锁频锁相环路，通过光电振荡器与本振射频源之间的误差信号反馈控制下路声光移频器的控制电压，直接改变光电振荡器输出信号的相位，从而实现了光电振荡器的宽温宽带稳频。

本发明实施例的在宽温范围内实现输出稳频，消除了长光纤因对温度变化敏感导致的场地稳定度不佳，并且可以保持低相位噪声，不需要缩减光纤的长度，引入声光移频来稳频，借用PID控制器可以实现快速稳定的反馈。本本发明的光电振荡器链路简化，并且相较于电光强度调制，引入相位调制，在保证相位调制器可以正常工作的同时，提高了射频信号的输出质量。

本发明实施例在光电振荡环路中使用了相位调制器和光滤波器，实现了上路光信号的单边带调制。相较于传统使用强度调制器双边带调制的光电振荡器而言，本发明实施例无需精准控制偏置电压，省去了复杂的偏置控制电路。此外，本发明实施例仅需要通过声光移频器控制下路光信号的相位，就能够直接改变输出射频信号的相位，可以实现光电振荡器的稳频输出。

本发明提出了一种低噪声宽带稳频的光电振荡器，通过平衡探测结构抑制了相对强度噪声，从而抑制了输出射频信号的相位噪声，并将声光移频器与反馈控制系统相结合，使光电振荡器实现了宽温环境下的宽带稳频，大幅度提高了光电振荡器的长期频率稳定度。本发明克服了传统稳频光电振荡器移相范围不足，难以补偿长光纤抖动导致的射频相位突变，和难以在宽温条件下长时间稳频的缺点，同时避免了单个光电振荡器无法抑制相对强度噪声、需精准控制偏置电压等缺点。本发明利用声光移频器结合反馈控制系统，大幅度提高了光电振荡器的长期频率稳定度，并使用平衡探测结构降低了光电振荡器输出信号的相位噪声。

综上，本发明实施例的有益效果包括：

第一，本发明实施例将激光器输出分为两路，在两路都加入声光移频器，调节声光移频器的相位能够控制光电振荡器射频输出信号的相位，结合电锁相环技术，解决了光电振荡器在宽温环境中的宽带稳频问题。

第二，在光电振荡器中使用平衡光电探测器，抑制了传统光电振荡器中的相对强度噪声，从而降低了光电振荡器输出目标射频电信号的相位噪声。

第三，在光电振荡器中使用了相位调制器，不需要精确控制偏置电压，省去了复杂的偏置控制电路，使结构简化、稳定性提升。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种宽带稳频的光电振荡器，其特征在于，包括激光模块、声光移频模块、相位调制模块、平衡光电探测模块、振荡反馈模块、PID反馈模块和射频振荡器；所述激光模块、所述声光移频模块、所述相位调制模块、所述平衡光电探测模块和所述振荡反馈模块构成光电振荡环路；

所述声光移频模块分别与所述激光模块、所述相位调制模块、所述平衡光电探测模块和所述PID反馈模块连接；所述相位调制模块分别与所述振荡反馈模块和所述平衡光电探测模块连接；所述平衡光电探测模块分别与所述振荡反馈模块和所述PID反馈模块连接；所述PID反馈模块与所述射频振荡器连接；

所述激光模块用于提供两路光载波信号；

所述声光移频模块用于分别对两路光载波信号进行移频，得到振幅相同的第一移频光信号和第二移频光信号；

所述相位调制模块用于对所述第一移频光信号进行相位调制，得到作为信号光的目标调制信号；所述目标调制信号经长光纤储能和传输后注入所述平衡光电探测模块；所述平衡光电探测模块用于以所述第二移频光信号为本振光，对所述目标调制信号进行共轭解调，得到目标射频电信号；所述目标射频电信号经所述振荡反馈模块滤波和射频放大后注入所述相位调制模块；其中，所述目标射频电信号的相位受控于所述声光移频模块的相位，在所述光电振荡环路的增益大于损耗时，所述光电振荡器开始振荡；

所述射频振荡器用于向所述PID反馈模块提供参考电信号；所述PID反馈模块用于将所述参考电信号和所述目标射频电信号进行混频和转换，得到注入所述声光移频模块的用于锁相的低频误差信号。

2.如权利要求1所述的宽带稳频的光电振荡器，其特征在于，所述目标射频电信号I表示为：

其中，E_o1＝E₁+jE'₂，E_o2＝jE₁+E'₂，

*表示复数共轭，∝表示正比于，J(·)为一阶贝塞尔函数，β为所述相位调制模块的调制指数，ω_r为振荡信号的角频率，ω_m为所述声光移频模块的固有移动角频率，

为所述声光移频模块外加电压对其相位的改变量。

3.如权利要求1所述的宽带稳频的光电振荡器，其特征在于，所述两路光载波信号包括第一光载波信号和第二光载波信号；所述声光移频模块包括第一声光移频器和第二声光移频器；

所述第一声光移频器分别与所述激光模块和所述相位器调制模块连接；所述第二声光移频器分别与所述激光模块、所述PID反馈模块和平衡光电探测模块连接；

所述第一声光移频模块用于对所述第一光载波信号进行移频，得到第一移频光信号；

所述第二声光移频模块用于对所述第二光载波信号进行移频，得到第二移频光信号。

4.如权利要求1所述的宽带稳频的光电振荡器，其特征在于，所述相位调制模块包括相位调制器和光滤波器；

所述相位调制器分别与所述声光移频模块、所述振荡反馈模块和所述光滤波器连接；所述光滤波器与所述平衡光电探测模块连接；

所述相位调制器用于对所述第一移频光信号进行调制，得到初始调制信号；

所述光滤波器用于对所述初始调制信号进行波长选择，得到作为调制光的目标调制信号。

5.如权利要求1所述的宽带稳频的光电振荡器，其特征在于，所述平衡光电探测模块包括光纤耦合器、平衡光电探测器和功分器单元；

所述平衡光电探测器分别与所述光纤耦合器和所述功分器单元连接；所述光纤耦合器与所述相位调制模块和所述声光移频模块连接；所述功分器单元分别与所述振荡反馈模块和所述PID反馈模块连接；

所述光纤耦合器用于对所述目标调制信号和所述第二移频光信号进行耦合，得到目标耦合信号和基准耦合信号；

所述平衡光电探测器用于以所述基准耦合信号为本振光，对所述目标耦合信号进行共轭解调，得到目标射频电信号；所述目标射频电信号经所述功分器单元分别输入所述振荡反馈模块和所述PID反馈模块。

6.如权利要求5所述的宽带稳频的光电振荡器，其特征在于，所述功分器单元包括第一功分器和第二功分器；

所述第一功分器分别与所述平衡光电探测器、所述第二功分器和所述PID反馈模块连接；所述第二功分器与所述振荡反馈模块连接；

所述目标射频电信号经所述第一功分器和所述第二功分器输入所述振荡反馈模块；

所述目标射频电信号经所述第一功分器输入所述PID反馈模块。

7.如权利要求1所述的宽带稳频的光电振荡器，其特征在于，所述振荡反馈模块包括带通滤波器和射频放大器；

所述带通滤波器分别与所述射频放大器和所述平衡光电探测模块连接；所述射频放大器与所述相位调制模块连接；

所述目标射频电信号依次经过所述带通滤波器滤波和所述射频放大器放大注入所述相位调制模块。

8.如权利要求1所述的宽带稳频的光电振荡器，其特征在于，所述PID反馈模块包括混频器、低通滤波器和PID控制器；

所述混频器分别与所述平衡光电探测模块、所述射频振荡器和所述低通滤波器连接；所述PID控制器分别与所述低通滤波器和所述声光移频模块连接；

所述混频器用于对所述参考电信号和所述目标射频电信号进行混频，得到混频信号；

所述低通滤波器用于对所述混频信号进行低通滤波，得到低频信号；

所述PID控制器用于对所述低频信号进行转换，得到用于锁相的低频误差信号。

9.如权利要求1至8任一项所述的宽带稳频的光电振荡器，其特征在于，所述两路光载波信号的振幅相同。

10.如权利要求1至8任一项所述的宽带稳频的光电振荡器，其特征在于，所述光电振荡器还包括提供驱动信号的驱动器；所述驱动信号用于控制所述第二移频光信号的相位。

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