CN115001594A - 小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器 - Google Patents
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Abstract
一种小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，属于微波与光电子技术领域。包括激光源模块、电光相位调制模块、单波导光学谐振腔模块、高Q值双波导光学谐振腔模块、光电探测模块、微波放大模块和微波功分模块；所述激光源模块产生一束激光输入电光相位调制模块调制后，经单波导光学谐振腔模块滤波和高Q值双波导光学谐振腔模块滤波后注入光电探测模块，光电探测模块将接收到的光信号转换为电信号，电信号经微波放大模块放大后，由微波功分模块注入电光相位调制模块调制光信号，形成光电反馈环路。本发明的小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，可有效提升光电振荡器频率稳定度和边模抑制比、增大频率调谐范围，同时具有小型化和低相位噪声的效果。
Description
技术领域
本发明属于微波与光电子技术领域，具体涉及一种小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器。
背景技术
宽带可调谐低相位噪声微波本振源是通信、雷达和电子测量等系统的核心部件。如在通信系统中低相位噪声的本振源可以降低通信误码率，在雷达系统中低相位噪声本振源可以提升系统的探测能力。
传统的微波本振源主要基于电子技术实现，如石英晶振、原子钟、介质谐振腔等。然而，基于电子技术的微波本振源存在频率限制，信号频率通常在1GHz以下。更高频率的信号一般采用倍频方式产生，其相位噪声和频率稳定性急剧下降。微波光子技术将具有大带宽和低损耗优势的光子技术引入到微波系统中，可以产生低相位噪声微波信号。微波光子微波信号产生方法主要有非线性调制倍频、光学拍频和光电振荡器三类。非线性调制倍频技术利用光电子器件传递函数的非线性产生高次谐波，进而实现微波信号的倍频；但却存在转换效率低的问题。光学拍频是将光域相干的不同波长光相干耦合并在光电探测器中转换为微波信号，具有宽带调谐的技术优势，然而基于该方法产生的微波信号相位噪声较差。
光电振荡器是一种将激光能量转换为微波能量的光电混合正反馈环路，具有低相位噪声的优势。为实现光电振荡器的广泛应用，还存在四个技术难点：一是由于光电反馈环路中能量储存介质为光纤，且光纤延时量易受温度等环境因素影响，因而信号频率稳定性较差；二是由于为了实现低相位噪声，光电反馈环路较长，自由频谱范围较小，难以实现单模选频，因而信号边模抑制比较差；三是难以实现宽带调谐带通滤波器，因而难以实现宽带调谐；四是由于数公里长的光纤的使用导致系统难以实现小型化。因此，提升光电振荡器频率稳定性、增大频率调谐范围、提高边模抑制比、并实现小型化等是亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的问题，提出了一种小型化、宽带调谐、高频率稳定性、高边摸抑制比、低相位噪声的光电振荡器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，包括：激光源模块、电光相位调制模块、单波导光学谐振腔模块、高Q值双波导光学谐振腔模块、光电探测模块、微波放大模块、微波功分模块；
所述激光源模块产生一束激光输入电光相位调制模块调制后，经单波导光学谐振腔模块滤波和高Q值双波导光学谐振腔模块滤波后注入光电探测模块，光电探测模块将接收到的光信号转换为电信号，电信号经微波放大模块放大后，由微波功分模块注入电光相位调制模块调制光信号，形成一个光电反馈环路。
进一步的，所述激光源模块产生波长为λ0、角频率为ω0的光载波信号输入电光相位调制模块，为系统提供能量来源；电光相位调制模块将角频率为ωRF的微波信号调制到角频率为ω0的光载波信号上，产生幅度相等、相位差为180度、频率为ω0±ωRF的上、下两个边带，并传输至单波导光学谐振腔模块；单波导光学谐振腔模块利用其传输端口的陷波滤波特性将角频率为(ω0+ωRF)的上边带或者角频率为(ω0-ωRF)的下边带滤除掉，得到滤除了上边带或者下边带的光信号，输入高Q值双波导光学谐振腔模块；高Q值双波导光学谐振腔模块作为能量储存介质和光学滤波介质，对输入的光信号进行能量储存和滤波，使得角频率为ω0的光载波信号和未被单波导光学谐振腔模块滤除的上边带或者下边带通过，其余的则被滤除，其中，所述高Q值双波导光学谐振腔模块的自由频谱范围为ωFSR，且其中一个谐振角频率等于光载波信号的角频率ω0，单波导光学谐振腔模块的谐振角频率与激光源模块的角频率之差为Δω1，Δω1为高Q值双波导光学谐振腔模块的自由频谱范围ωFSR的整数倍，即Δω1＝NωFSR，N为正整数；高Q值双波导光学谐振腔模块输出的光载波信号和边带信号注入光电探测模块，经光电探测模块转换为角频率为ωRF的微波信号，其中微波信号角频率ωRF＝Δω1＝NωFSR；光电探测模块输出的微波信号输入微波放大模块，经微波放大模块放大后，传输至微波功分模块；微波功分模块将放大后的微波信号反馈至电光相位调制模块，形成正增益光电反馈环路，并输出频率为ωRF＝Δω1＝NωFSR的微波本振信号。
进一步的，所述单波导光学谐振腔模块和高Q值双波导光学谐振腔模块基于硅基、氮化硅、二氧化硅、铌酸锂薄膜、氟化钙玻璃、有机聚合物等光子集成平台或光纤实现；所述单波导光学谐振腔模块和高Q值双波导光学谐振腔模块可以为微环、微盘、微球等形式的谐振腔。
进一步的，所述单波导光学谐振腔模块的3dB带宽Bfw小于高Q值双波导光学谐振腔模块自由频谱范围ωFSR的两倍，即Bfw<2ωFSR。
进一步的，所述微波放大模块为光电反馈环路提供增益，使反馈环路增益系数大于1。
进一步的，所述高Q值双波导光学谐振腔模块的Q值大于106。
优选地，通过提升高Q值双波导光学谐振腔模块的Q值可以降低光电振荡器的相位噪声。
优选地，通过增大单波导光学谐振腔模块的自由频谱范围可以提升光电振荡器的频率调谐范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，其中的单波导光学谐振腔模块自由频谱范围远远小于其谐振频率，因此通过光学分频机制大大提升了光电振荡器的频率稳定度；单波导光学谐振腔模块的3dB带宽Bfw小于高Q值双波导光学谐振腔模块自由频谱范围ωFSR的两倍，使得光电振荡器中只有单个振荡模式被带通微波光子滤波器选中，实现单模振荡，提升光电振荡器的边模抑制比；激光源模块、电光相位调制模块、单波导光学谐振腔模块、高Q值双波导光学谐振腔模块、光电探测模块组成宽带可调谐微波光子带通滤波器，使得光电振荡器具有宽带调谐的特点；高Q值双波导光学谐振腔模块为光信号提供了能量储存介质，提升了光电反馈环路的Q值，因而光电振荡器具有低相位噪声的特点；采用易于集成的光学谐振腔实现了宽带滤波，并替代了难于集成的能量储存介质长光纤，因而光电振荡器具有可集成的特点。
附图说明
图1为本发明提供的一种小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器的结构示意图；
图2为宽带可调谐微波光子带通滤波器的频率调谐原理图；
图3为实施例的小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
一种小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，如图1所示，包括：激光源模块、电光相位调制模块、单波导光学谐振腔模块、高Q值双波导光学谐振腔模块、光电探测模块、微波放大模块、微波功分模块；
所述激光源模块产生一束激光输入电光相位调制模块调制后，经单波导光学谐振腔模块滤波和高Q值双波导光学谐振腔模块滤波后注入光电探测模块，光电探测模块将接收到的光信号转换为电信号，电信号经微波放大模块放大后，由微波功分模块注入电光相位调制模块调制光信号，形成一个光电反馈环路。
本发明提供的一种小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，其中，激光源模块、电光相位调制模块、单波导光学谐振腔模块、高Q值双波导光学谐振腔模块、光电探测模块组成宽带可调谐微波光子带通滤波器，其频率调谐原理如图2所示，滤波器中心角频率为ωRF＝Δω1＝NωFSR。通过调谐激光源模块与单波导光学谐振腔模块的频率差，使得微波光子滤波器的中心频率以调谐步进ωFSR进行宽带调谐，且最小中心角频率值为ωFSR，最大中心角频率小于单波导光学谐振腔模块自由频谱范围的二分之一。
实施例
如图3所示，为实施例的小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器的结构示意图；激光器、电光相位调制器、单波导光学谐振腔(单波导微盘)、高Q值双波导光学谐振腔(双波导微盘)、光电探测器基于光学集成平台集成为光子集成芯片，光子集成芯片与放大器、功分器、控制及电源模块基于光电集成平台集成为光电集成芯片，最终形成集成的宽带可调谐低相噪光电振荡器。其中，控制及电源模块控制激光源模块的角频率与单波导光学谐振腔模块的谐振角频率之差为Δω1，Δω1为高Q值双波导光学谐振腔模块的自由频谱范围ωFSR的整数倍，即ωRF＝Δω1＝NωFSR，N为正整数；并且，控制及电源模块为光子集成芯片和光电集成芯片供电。实施例的小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，可有效提升光电振荡器频率稳定度和边模抑制比、增大频率调谐范围，同时具有小型化和低相位噪声的效果。
Claims (8)
1.一种小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，其特征在于，包括激光源模块、电光相位调制模块、单波导光学谐振腔模块、高Q值双波导光学谐振腔模块、光电探测模块、微波放大模块、微波功分模块；
所述激光源模块产生激光输入电光相位调制模块调制后，经单波导光学谐振腔模块滤波和高Q值双波导光学谐振腔模块滤波后注入光电探测模块，光电探测模块将接收到的光信号转换为电信号，电信号经微波放大模块放大后，由微波功分模块注入电光相位调制模块调制，形成光电反馈环路。
2.根据权利要求1所述的小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，其特征在于，所述激光源模块产生波长为λ0、角频率为ω0的光载波信号输入电光相位调制模块；电光相位调制模块将角频率为ωRF的微波信号调制到角频率为ω0的光载波信号上，产生幅度相等、相位差为180度、频率为ω0±ωRF的上边带和下边带，并传输至单波导光学谐振腔模块；单波导光学谐振腔模块将角频率为ω0+ωRF的上边带或者角频率为ω0-ωRF的下边带滤除掉，得到滤除上边带或者下边带的光信号，输入高Q值双波导光学谐振腔模块；高Q值双波导光学谐振腔模块对输入的光信号进行能量储存和滤波，使得角频率为ω0的光载波信号和未被单波导光学谐振腔模块滤除的上边带或者下边带通过，其余的则被滤除，其中，所述高Q值双波导光学谐振腔模块的自由频谱范围为ωFSR，且其中一个谐振角频率等于光载波信号的角频率ω0，单波导光学谐振腔模块的谐振角频率与激光源模块的角频率之差为Δω1，Δω1为高Q值双波导光学谐振腔模块的自由频谱范围ωFSR的整数倍，Δω1＝NωFSR，N为正整数；高Q值双波导光学谐振腔模块输出的光载波信号和边带信号注入光电探测模块，经光电探测模块转换为角频率为ωRF的微波信号，其中微波信号角频率ωRF＝Δω1＝NωFSR；光电探测模块输出的微波信号输入微波放大模块，经微波放大模块放大后，传输至微波功分模块；微波功分模块将放大后的微波信号反馈至电光相位调制模块，形成光电反馈环路，并输出频率为ωRF＝Δω1＝NωFSR的微波本振信号。
3.根据权利要求1所述的小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，其特征在于，所述单波导光学谐振腔模块和高Q值双波导光学谐振腔模块基于硅基、氮化硅、二氧化硅、铌酸锂薄膜、氟化钙玻璃或有机聚合物光子集成平台实现；所述单波导光学谐振腔模块和高Q值双波导光学谐振腔模块为微环、微盘或微球形式的谐振腔。
4.根据权利要求1所述的小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，其特征在于，所述单波导光学谐振腔模块的3dB带宽Bfw小于高Q值双波导光学谐振腔模块自由频谱范围ωFSR的两倍，Bfw<2ωFSR。
5.根据权利要求1所述的小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，其特征在于，所述微波放大模块为光电反馈环路提供增益，使反馈环路增益系数大于1。
6.根据权利要求1所述的小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，其特征在于，所述高Q值双波导光学谐振腔模块的Q值大于106。
7.根据权利要求1所述的小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，其特征在于，通过提升高Q值双波导光学谐振腔模块的Q值降低光电振荡器的相位噪声。
8.根据权利要求1所述的小型化宽带可调谐低相噪光电振荡器，其特征在于，通过增大单波导光学谐振腔模块的自由频谱范围提升光电振荡器的频率调谐范围。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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