CN115001589A - 一种基于对消结构光电振荡环路的分频器及分频方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于对消结构光电振荡环路的分频器及分频方法，所述分频器包括强度调制单元、平衡探测器、放大器、滤波器和移相器。所述分频方法通过强度调制单元将待分频信号与环路中的振荡信号调制到由光源发出的光载波上；调制后的信号将同时分成相位差180°的两路信号输入至平衡探测器，实现共模噪声抑制；平衡探测器输出的电信号经过放大与滤波后，一部分输出，另一部分信号与待分频信号耦合后重新注入到强度调制单元，形成新的振荡环路。本发明提供的基于对消结构光电振荡环路的分频器及分频方法，能够在电域实现信号的多种分频效果，且分频后的信号具有低相噪、可调谐、高信噪比的优点，可用于高性能测试测量、频率综合系统等。
Description
技术领域
本发明涉及分频器及分频方法，尤其涉及一种基于对消结构光电振荡环路的分频器，同时还涉及一种基于对消结构光电振荡环路的分频方法。
背景技术
分频器已广泛应用于雷达探测、无线通信、传感等领域，用于信号产生及频率合成、时钟恢复与信号处理、稳相传输及同步等。目前，微波分频器主要采用传统电子技术实现，包括基于Flip-Flop逻辑门数字技术或基于模拟注入锁定和频率再生技术等，随着通信技术、毫米波成像技术、太赫兹技术的高速发展，上述电子分频技术在工作频率以及带宽方面受到很大的挑战。在光通信或微波光子等光子技术和电子技术交叉的领域，直接使用光子技术实现分频将会具有更大的兼容性优势，如工作频率高、工作带宽大、传输损耗小等。因此，人们对光子技术实现微波分频进行了广泛的研究，包括通过利用光注入半导体激光器、法布里-珀罗激光二极管、半导体光放大器等器件的非线性动力学效应或通过注入锁定光纤环激光器(Zhang W,Sun J,Wang J,et al.Optical clock division based on dual-wavelength mode-locked semiconductor fiber ring laser.Optics Express,2008,16(15):11231-11236.)实现微波信号的频率分频。然而，由于受到半导体器件中载流子速率低的限制，这些方法的工作频率难以进一步提升。此外，还可以通过基于次谐波注入锁定光电振荡器(Wang Q,Huo L,Xing Y,et al.Simultaneous prescaled and frequency-doubled clock recovery using an injection-locked optoelectronicoscillator.Optics Communications,2014,320:22-26.)实现分频，其关键在于构建一个振荡频率接近输入信号频率1/n(n为整数)的光电振荡环路，并通过单环结构、双环结构、光频梳或者载波抑制结构构建光电振荡反馈腔实现微波信号的分频。但是，这些光电振荡环路仍然存在系统有源噪底较高，不能实现多种分频效果的问题。
因此，突破在电子领域或光通信中分频器的工作频率低，以及基于光电振荡器分频器的有源噪底较高，不能实现多种分频的问题，采用不同的结构克服上述问题对于雷达探测、无线通信、传感等领域的发展极为重要。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于对消结构光电振荡环路的分频器及分频方法，所产生的分频信号具有高信噪比，低相位噪声以及可以实现多种分频效果的优势。
技术方案：本发明提供的一种基于对消结构光电振荡环路的分频器，包括强度调制单元、平衡探测器、放大器、滤波器和移相器；所述强度调制单元、平衡探测器、放大器、滤波器以及移相器依次连接，且移相器的输出端连接强度调制单元的输入端，构成光电振荡环路；所述光电振荡环路的移相器和滤波器之间设有第一电耦合器，移相器和强度调制单元之间，设有第二电耦合器。
进一步的，所述滤波器为具有不同中心频率的带通滤波器。
可选的，所述强度调制单元采用双输出马赫-曾德尔调制器，或者由偏振调制器、偏振控制器以及偏振分束器组成。
一种基于对消结构光电振荡环路的分频方法，包括如下步骤：
(1)光源产生光载波；
(2)所述强度调制单元工作在线性点；强度调制单元将待分频信号以及光电振荡环路中的振荡信号调制到光源发出的光载波上，经强度调制单元调制后的信号分成两路信号，且两路信号的相位差为180°；
(3)两路信号同时输入至平衡探测器，经光电转换和差分运算后输出共模噪声抑制的电信号；
(4)所述共模噪声抑制的电信号经过放大与滤波后一部分输出，另一部分振荡信号与待分频信号耦合后重新注入到强度调制单元，形成新的振荡环路。
具体的，当两路信号中待分频信号的±n阶光边带与振荡信号的±m阶光边带的拍频等于光电振荡环路中振荡信号的频率时，光电振荡环路开始振荡，实现了待分频信号fi的n/(m+1)分频；
表达式如下：
其中，fc为光载波频率，fi为待分频信号的频率，fosc是振荡信号的频率，fc+nfi为待分频信号通过强度调制器调制于光载波上的第n阶光边带，fc+mfosc为光电振荡环路中的振荡信号通过强度调制器调制于光载波上的第m阶光边带，N为非零整数。
具体的，所述强度调制单元输出的两路光信号通过平衡探测器光电转换对应的光电流为：
其中，Ec表示光载波信号的幅度，s(t)为输入到调制单元的信号，
表示平衡探测器的响应度，β为调制系数，平衡探测器输出的信号为上下两路光电路对消后的结果，即：
即实现了信号的叠加输出，将输出信号的功率提升至原来的四倍，且通过平衡探测器的差分运算实现了共模信号的对消。
有益效果：
和现有技术相比，本发明能够对注入的信号实现分频，对分频出的信号有性能上的优化，并且通过选用不同中心频率的带通滤波器实现不同的分频效果，利用强度调制单元与平衡探测器组成的对消结构，能够有效抑制环路中的共模噪声，提高信号的信噪比，降低分频信号的相位噪声。
附图说明
图1为本发明的一种基于对消结构光电振荡环路的分频器的结构框图；
图2为本发明一个实施方式中基于对消结构光电振荡环路二分频器的结构框图；
图3为本发明一个实施方式中强度调制单元输出光信号的示意图；
图4为本发明一个实施方式中对消结构的共模噪声的抑制原理框图；
图5为本发明一个实施方式中单路和双路时的输出信号的频谱图；
图6为本发明一个实施方式中单路和双路时的输出信号的相位噪声图；
图7为本发明一个实施方式中输出信号与待分频信号的相位噪声对比图；
图8为本发明强度调制单元的一种结构框图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示为本发明的一种基于对消结构光电振荡环路的分频器，包括强度调制单元、平衡探测器、放大器、滤波器以及移相器。其中，强度调制单元和平衡探测器构成抑制共模噪声的对消结构，用于抑制光电振荡环路中的共模噪声。强度调制单元、平衡探测器、放大器、滤波器以及移相器依次连接，移相器的输出端连接强度调制单元的输入端，构成光电振荡环路，在移相器和滤波器之间设有第一电耦合器，移相器和强度调制单元之间设有第二电耦合器。
各模块具体的作用如下：
强度调制单元，用于将待分频信号和光电振荡环路中的振荡信号调制到光载波上，输出两路相位差为180°的信号。
平衡探测器，由上下两个光电探测器组成，用于将调制后的光载波转换为电信号(微波信号/毫米波信号)，并实现强度调制单元两路信号上的共模噪声的对消。
放大器，用于平衡探测器输出电信号的放大。
滤波器，用于选出需要的分频信号，优选使用中心频率可调谐的带通滤波器，以实现输出分频信号的可调谐。
移相器，用于使振荡环路满足巴克豪森的相位条件，在光电振荡环路起振后，移相器能够保证光电振荡环路的稳定。
进一步的，强度调制单元可通过现有的或将有的各种方式进行实现，例如，使用双输出马赫-曾德尔调制器，或者使用偏振调制器加偏振分束器等方式构建。图8是一种由偏振调制器、偏振控制器以及偏振分束器组成的强度调整单元，该结构同样能够产生相位差为180°的两路光信号。
基于上述基于对消结构光电振荡环路的分频器，本发明还提供一种分频方法，包括如下步骤：
步骤一、光源产生光载波。
步骤二、强度调制单元将待分频信号以及光电振荡环路中的振荡信号调制到光源发出的光载波上，经强度调制单元调制后的信号分成两路信号，两路信号的相位差为180°；
步骤三、两路信号同时输入至平衡探测器，经光电转换处理和差分运算后输出共模噪声抑制的电信号；
步骤四、平衡探测器输出的电信号经过放大与滤波后一部分输出，另一部分振荡信号与待分频信号耦合后重新注入到强度调制单元，形成新的振荡环路。
其中，应调节强度调制单元的工作状态，使其工作在线性点。处于线性点状态下的强度调制单元输出具有不同分频时的不同奇数阶光边带以及偶数阶边带的两路信号，该两路信号具有相差180°相位的特点；可选一路的部分信号输出作为远端的控制信号，之后两路信号同时输入至平衡探测器输出的两路信号注入到具有两个光电探测器的平衡光电探测器中。当平衡探测器输出的拍频信号与光电振荡环路中的振荡信号满足以下条件时，环路开始振荡：
fc+nfi-(fc+mfosc)＝fosc(n,m∈N)
其中，fc为光载波频率，fi为待分频信号的频率，fosc是振荡信号的频率，fc+nfi为待分频信号通过强度调制器调制于光载波上的第n阶光边带，fc+mfosc为光电振荡环路中的振荡信号通过强度调制器调制于光载波上的第m阶光边带，N为非零整数。
可知，将光电振荡环路中带通滤波器的中心频率选择为所需要分频信号频率的中心频率，或使用中心频率可调谐的滤波器，实现可调谐分频。当对应阶数的待分频光边带于与对应阶数的环路振荡信号的光边带进行拍频，得到的拍频信号为环路中带通滤波器的中心频率时，环路输出所需要的分频信号。
当n＝1时，可实现整数分频：
强度调制单元将频率为fi的待分频信号以及频率为fosc振荡信号调制至光源输出的光载波频率fc上，输出的两路已调制的光信号中待分频信号的±1阶光边带与振荡信号的±m阶光边带的拍频等于环路中的振荡信号频率，可以表示为：
所以振荡信号的频率为fi/(m+1)，实现了待分频信号fi的(m+1)分频。
当n≠1时，可实现分数分频：
当强度调制单元输出的两路已调制的信号中待分频信号的±n(n≠1)阶光边带与振荡信号的±m阶光边带的信号进行拍频，可以表示为：
所以振荡信号的频率为nfi/(m+1)，实现了待分频信号fi的n/(m+1)分频。
以下是本发明的一种实施方式，该实施例采用双输出马赫-曾德尔调制器，提出一种基于对消结构光电振荡环路的二分频器，能够产生高信噪比、低相位噪声的二分频信号。
如图2所示为本实施例的二分频装置的结构框图，包括：
光源，用于产生光载波；
信号产生模块，用于产生需要进行分频的信号；
双输出马赫曾德尔调制器，简写为DOMZM，将信号源产生的待分频信号与振荡信号一起调制到光源输出的光载波上；
BPD，为平衡探测器，内部包含两个光电探测器，用于将调制后的光信号转换为微波信号，之后实现共模噪声的对消；
放大器，用于平衡探测器输出电信号的放大；
滤波器，中心频率为信号源输出待分频信号的一半，滤出二分频信号。
移相器，用于使振荡环路满足巴克豪森的相位条件，可以通过调节移相器达到环路快速稳定的目的，实现更快的分频。
下面结合图3-7，对共模噪声对消的原理进行详细的解释和说明。
现假设光源发出的载波信号为Ec(t)＝Ecexp(jωct)，其中Ec为光载波幅度，ωc为角频率，输入到调制单元DOMZM的微波信号为s(t)，DOMZM输出的信号分为两路，且两路信号相位差为180°，所以其上下两路输出的调制光信号可以表示为：
其中，θb为偏置相位，a(t)为环路中的加性噪声，ρ和κ为光耦合器的耦合器系数且满足能量守恒定律ρ2+κ2＝1，β为调制系数。假设DOMZM为理想调制器，且κ＝ρ，于是可得：
上下两路调制光信号经过平衡探测器的上下两路光电探测器转换成上下两路光电流为：
其中，
表示平衡探测器的响应度。
令DOMZM工作在线性点，即θb＝0或者π，且注入信号为小信号，只分析基频信号可得：
平衡探测器输出的信号为上下两路光电路对消后的结果，即
对比式(4)和式(5)可知，对消结构实现了信号的叠加输出，将输出信号的功率提升至原来的4倍，且通过平衡探测器的差分运算实现了共模信号的对消。图4为DOMZM输出的已调制的光信号的示意图，其中箭头a表示光源发出的光载波，箭头b1，b2，b3，b4为环路中的振荡信号调制到光载波后发生频移的光边带，箭头c1，c2，c3，c4为待分频信号调制到光载波后发生频移的光边带，光载波和一系列的光边带经过平衡探测器的处理后，实现了信号幅度的叠加与共模噪声的对消，输出频率为f0/2，f0，3f0/2等频率分量，其中频率为f0/2的分量是待分频信号的±1阶光边带与振荡信号的±1阶光边带的拍频信号以及振荡信号的±1阶光边带与光载波的拍频信号的矢量和，经过放大、滤波后仅保留频率为f0/2的频率分量。这样就实现了待分频信号的二分频。
图5为单路信号和双路信号情况下的输出信号频谱图，单路信号是指光电振荡环路中强度调制单元只有一路输出，光电探测器只探测一个信号，双路信号即指图2的结构，可以从图中明显看到，双路信号的信噪比是比单路信号的要高5.9dB。图6为单路信号和双路信号情况下输出信号的相位噪声图，可以看到，基于对消结构的分频器输出信号的相位噪声是低于单路时的相位噪声8.02dB，图7是待分频信号与二分频之后信号的相位噪声对比图，可以看到，在10kHz相对频率偏、偏移处，二分频信号的相噪优于理论上二分频器的6dB优化。上图充分地表明了所提出的基于对消结构光电振荡器的分频器输出的分频信号具有高信噪比以及低相噪的优点。
综上，本发明采用强度调制单元、平衡探测器、放大器、滤波器以及移相器构建一种光电振荡环路，该光电振荡环路具有产生低相噪，高杂散抑制比微波信号的优势。当使用低损耗、高Q值的光纤时，能够使得环路产生的微波信号具有很低的相位噪声，环路中的放大器使得环路增益大于1，将环路内的各种噪声不断放大，最终形成频率间隔为光纤延时的倒数的振荡模式，这些振荡模式在通过一个窄带滤波器时，只允许少量的模式通过，少量的模式由于增益竞争等原因，最终只是保留一个模式，从而输出该模式对应的单频微波信号。基于对消结构光电振荡环路的分频器中，对消结构是由双输出的强度调制单元与平衡探测器构成，具有抑制共模噪声，提升输出信号信噪比的特点，从而保证本发明所提出的分频器能够产生信噪比高，相位噪声低的分频信号。
基于上述对消结构光电振荡环路的分频方法，是将频率为fi的待分频信号以及环路中的振荡信号通过强度调制单元对光源产生的光载波进行调制，调制后的信号是分为两路的，且这两路信号具有相位相差180°的特点，平衡光电探测器将调制后的光载波进行光电转换，重新变换到微波域(或毫米波)。通过改变环路中滤波器的中心频率为所需要的待分频信号分频后的频率，实现不同的分频效果，达到分频器可重构的作用，也可以使用中心频率可调谐的滤波器，达到分频效果可调谐的目的。
Claims (8)
1.一种基于对消结构光电振荡环路的分频器，其特征在于：包括强度调制单元、平衡探测器、放大器、滤波器和移相器；
所述强度调制单元、平衡探测器、放大器、滤波器以及移相器依次连接，且移相器的输出端连接强度调制单元的输入端，构成光电振荡环路；所述光电振荡环路的移相器和滤波器之间设有第一电耦合器，移相器和强度调制单元之间，设有第二电耦合器。
2.根据权利要求1所述的基于对消结构光电振荡环路的分频器，其特征在于：所述滤波器为具有不同中心频率的带通滤波器。
3.根据权利要求1所述的基于对消结构光电振荡环路的分频器，其特征在于：所述强度调制单元采用双输出马赫-曾德尔调制器。
4.根据权利要求1所述的基于对消结构光电振荡环路的分频器，其特征在于：所述强度调制单元由偏振调制器、偏振控制器以及偏振分束器组成。
5.一种采用如权利要求1-4任一所述分频器的分频方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)光源产生光载波；
(2)所述强度调制单元工作在线性点；强度调制单元将待分频信号以及光电振荡环路中的振荡信号调制到光源发出的光载波上，经强度调制单元调制后的信号分成两路信号，且两路信号的相位差为180°；
(3)两路信号同时输入至平衡探测器，经光电转换和差分运算后输出共模噪声抑制的电信号；
(4)所述共模噪声抑制的电信号经过放大与滤波后一部分输出，另一部分振荡信号与待分频信号耦合后重新注入到强度调制单元，形成新的振荡环路。
6.根据权利要求5所述的分频方法，其特征在于，当两路信号中待分频信号的±n阶光边带与振荡信号的±m阶光边带的拍频等于光电振荡环路中振荡信号的频率时，光电振荡环路开始振荡，实现了待分频信号fi的n/(m+1)分频；
表达式如下：
其中，fc为光载波频率，fi为待分频信号的频率，fosc是振荡信号的频率，fc+nfi为待分频信号通过强度调制器调制于光载波上的第n阶光边带，fc+mfosc为光电振荡环路中的振荡信号通过强度调制器调制于光载波上的第m阶光边带，N为非零整数。
7.根据权利要求5所述的分频方法，其特征在于，所述强度调制单元输出的两路信号通过平衡探测器的光电转换，形成上下两路光电流：
其中，Ec表示光载波信号的幅度，s(t)为输入到调制单元的信号，
表示平衡探测器的响应度，β为调制系数，平衡探测器输出的信号为上下两路光电路对消后的结果，即：
即实现了信号的叠加输出，将输出信号的功率提升至原来的四倍，且通过差分运算实现了共模信号的对消。
8.根据权利要求5所述的分频方法，其特征在于，步骤(3)中，在强度调制单元输出的两路信号中，选一路的部分信号输出作为远端的控制信号。
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2022
- 2022-06-06 CN CN202210628157.3A patent/CN115001589B/zh active Active
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