CN115313126A - 具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器及其信号发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器系统，属于微波光子学领域，包括顺次连接的宽带光源、光耦合器、光可变延时线、双输入MZM、光纤放大器、光环形器且两端分别连接布拉格光栅和DP‑RDLs，单模光纤、光电探测器、电放大器及双输入MZM形成的正反馈回路。系统的核心将FIR滤波器和IIR滤波器融合形成一个级联MPF。其中，FIR滤波器是由宽带光源、双输入MZM,光可变延时线、布拉格光栅和光电探测器构造的MPF；IIR滤波器是DP‑RDLs形成。本发明利用FIR滤波器完成初步选模和宽带调谐功能，并结合IIR滤波器增强选模和提升稳定性，进而获得频率稳定且宽带可调谐的光电振荡器系统。

Description

具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器及其信号发生方法

技术领域

本发明涉及微波光子学领域，尤其涉及一种具有高稳定性的宽带可调谐光 电振荡器及其信号发生方法。

背景技术

光电振荡器(optoelectronic oscillator,OEO)作为一种微波产生技术，其物 理机制是利用光电正反馈环路和光学处理技术将连续光转换为高频谱纯度、高 稳定性、高Q值的微波信号，可应用于信号处理、传感器、光载无线通信系统 (radio over fibersystems,RoF)、雷达及现代仪表仪器等相关领域。其结构的主 流框架是由电光调制器、光纤储能设备、光电探测器(photodetector,PD)、电 放大器(electrical amplifier,EA)和电带通滤波器(electrical bandpass filter,EBPF) 等组成的正反馈环路和激光源构成。

光电振荡器的最初设计主要针对边模抑制和低相位噪声两个方面进行研究， 其系统对振荡模式的筛选大多通过电带通滤波器来实现。近些年，随着应用需 求的不断提升，可调谐光电振荡器应运而生。传统系统所采用的滤波器件即电 带通滤波器因其固定的中心频率和窄带宽特性，限制了光电振荡器的频率调谐 范围，无法实现大范围的调谐。为此，微波光子滤波器(microwave photonic filter, MPF)因其调谐范围宽、抗电磁干扰等优势可用来代替电带通滤波器实现光电 振荡器的滤波和宽带调谐功能。国内外不少学者对此展开相应的研究，主要包 括基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器、基于相移布拉格光栅(phase-shifted fiber Bragg grating,PS-FBG)的微波光子滤波器及基于色散效应 的微波光子滤波器。

将基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器融入光电振荡器中，通过调 节信号光或泵浦光的波长，可实现振荡频率的宽带调谐。然而，由于外注入的 泵浦光与信号光相互作用，限制了输出信号的稳定性，其频率漂移在几十MHz 量级；另外，双激光源的引入增加了系统的成本造价。

将基于相移布拉格光栅的微波光子滤波器融入光电振荡器中，通过调节激 光源的波长，可实现振荡频率的宽带调谐。然而，可调谐激光器较差的稳定性 使得光电振荡器容易发生频偏效应，其频率漂移在几十kHz量级。

将基于色散效应的微波光子滤波器融入光电振荡器中，通过调节系统中某 一光学器件参数(如偏振控制器的偏振态、光可变延时线的延时或电光调制器 的直流偏置)，进而实现振荡频率的宽带调谐，然而仍存在10kHz及以上的频 偏效应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的问题，提供一种具有高稳定性的宽带可 调谐光电振荡器及其信号发生方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有高稳定性的宽带可 调谐光电振荡器，该光电振荡器包括顺次连接的宽带光源、光耦合器、双输入 马赫-曾德尔调制器、光纤放大器和光环形器，光环形器另外两端分别连接有布 拉格光栅、基于双并行可循环延时线形成的无限脉冲响应滤波器，无限脉冲响 应滤波器顺次经单模光纤、光电探测器、电放大器与双输入马赫-曾德尔调制器 连接；

光耦合器与双输入马赫-曾德尔调制器的一连接光路中设有光可变延时线， 宽带光源、双输入马赫-曾德尔调制器、光可变延时线和布拉格光栅构成基于色 散效应的微波光子滤波器。

在一示例中，所述宽带光源为矩形宽带光源。

在一示例中，所述矩形宽带光源包括顺次连接的放大自发辐射源和光带通 滤波器。

在一示例中，所述光耦合器的上输出端经光可变延时线与双输入马赫-曾德 尔调制器的上输入光端口连接形成上连接臂，光耦合器的下输出端与双输入马 赫-曾德尔调制器的下输入光端口连接形成下连接臂，通过光可变延时线为上下 连接臂提供可变延时差。

在一示例中，调节光可变延时线的延时，使光电振荡器获得6.1GHz～ 11.98GHz的宽带调谐范围。

在一示例中，所述布拉格光栅为线性啁啾布拉格光栅。

在一示例中，光纤放大器为掺铒光纤放大器。

在一示例中，所述电放大器为射频放大器。

在一示例中，所述微波光子滤波器为有限脉冲响应(FIR)滤波器。

本发明还包括一种具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器的信号发生方法， 该方法包括以下步骤：

宽带光源产生光信号；

利用光耦合器将光信号一分为二，上支路光信号经光可变延时线进行延时 处理后传输至双输入马赫-曾德尔调制器的上输入光端口，下支路光信号直接传 输至双输入马赫-曾德尔调制器的下输入光端口，然后对振荡信号进行调制；

将调制信号通过光纤放大器进行放大处理，并经由光环形器进入布拉格光 纤；

将经拉格光纤输出的光信号传输至基于双并行可循环延时线形成的无限脉冲 响应滤波器后，再将光信号经单模光纤传输至光电探测器，将光信号转换为电 信号；

对电信号进行放大处理，并传输至双输入马赫-曾德尔调制器射频输入端， 形成振荡，最后输出高稳定性、宽带可调谐的微波信号。

需要进一步说明的是，上述各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构 成新的技术方案。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

1.在一示例中，本发明将基于色散效应的微波光子滤波器(FIR滤波器)、 无限脉冲响应滤波器(IIR滤波器)融合处理构成一个级联微波光子滤波器 (MPF)。其中，FIR滤波器完成振荡模式的粗筛选和大范围调谐功能，IIR滤 波器完成振荡模式的精细筛选。

通过调节FIR滤波器中光可变延时线的延时差，完成振荡模式的初筛选以 及振荡频率的调谐，调谐范围大；IIR滤波器

2.在一示例中，通过基于双并行可循环延时线形成的IIR滤波器，一方面用 于进一步对振荡模式进行精细选择，提高模式选择能力；另一方面用于大幅增 强系统稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，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，在这些附图中 使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，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。

图1为本发明优选示例中的光电振荡器模型框图；

图2(a)、图2(b)为优选示例中级联MPF的频率响应图；

图3(a)、图3(b)为优选示例中光电振荡器振荡频率为7.48GHz的微波 信号频谱图；

图4(a)、图4(b)为优选示例中是否利用双并行可循环延时线的振荡信 号稳定性对比示意图；

图5为优选示例中光电振荡器振荡频率为7.48GHz的微波信号相位噪声示 意图；

图6(a)为优选示例中通过调节光可变延时线，对应输出不同微波信号频 谱图的叠加示意图；

图6(b)为优选示例中光电振荡器不同输出微波信号在频偏为10kHz时的 相位噪声示意图。

图中：BOS：宽带光源；OC：光耦合器；OVDL：光可变延时线；Dual-input MZM：双输入马赫-曾德调制器；EDFA：掺铒光纤放大器；LCFBG：线性啁啾 布拉格光栅；RDL：可循环延时线；DP-RDLs：双并行可循环延时线；SMF： 单模光纤；PD：光电探测器；EA：电放大器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述 的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施 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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、 “竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或 位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装 置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明的限制。此外，使用序数词(例如，“第一和第二”、“第一至第四”等) 是为了对物体进行区分，并不限于该顺序，而不能理解为指示或暗示相对重要 性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安 装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸 连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普 通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之 间未构成冲突就可以相互结合。

在一示例中，一种具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器，利用级联微波 光子滤波器(MPF)实现稳定的宽带可调谐光电振荡器(OEO)，具体将有限 FIR滤波器和无限脉冲响应IIR滤波器进行融合处理形成级联MPF。

其中，FIR滤波器是由宽带光源、双输入MZM,光可变延时线、布拉格光 栅和光电探测器构造的基于色散效应的MPF，完成振荡模式的粗筛选和大范围 调谐功能；IIR滤波器是由双并行可循环延时线形成，完成振荡模式的精细筛选， 并增强系统稳定性。将FIR滤波器、IIR滤波器进行级联并融入现有光电振荡器， 通过简单调节FIR滤波器中可变延时线的延时，改变双输入MZM输入端双连 接臂的延时差，可完成级联MPF中心频率的迁移，进而实现OEO振荡频率的 宽带调谐功能。

现对将FIR滤波器、IIR滤波器进行级联并融入现有光电振荡器进行说明， 一种具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器具体包括顺次连接的宽带光源、光 耦合器(OC1)、光可变延时线、双输入MZM、光纤放大器、光环形器，光环 形器两端分别连接色散器件布拉格光栅和基于双并行可循环延时线形成的无限 脉冲响应滤波器，无限脉冲响应滤波器顺次经单模光纤、光电探测器、电放大 器连接至双输入马赫-曾德尔调制器的射频输入端，形成的光电正反馈回路。

本示例中光电振荡器的工作原理为：

宽带光源产生光信号，利用光耦合器(OC1)将光信号一分为二，上支路光 信号经光可变延时线进行延时处理后传输至双输入马赫-曾德尔调制器的上输入 光端口，下支路光信号直接传输至双输入马赫-曾德尔调制器的下输入光端口， 对振荡信号进行调制；将调制信号通过光纤放大器进行放大处理后，经由光环 形器进入色散器件布拉格光纤，然后将布拉格光纤输出的光信号传输至无限脉 冲响应滤波器，并经单模光纤传输至光电探测器将光信号转换为电信号，通过 放大器补偿环路损耗后传输至双输入MZM射频输入端，形成振荡。优选地，在 电放大器的输出端连接电耦合器，用于引出微波信号。

在一示例中，宽带光源为矩形宽带光源。更为具体地，矩形宽带光源包括 顺次连接的放大自发辐射源(amplified spontaneous emission,ASE)和光带通滤 波器(opticalbandpass filter,OBPF)。

在一示例中，光耦合器(OC1)的上输出端经光可变延时线与双输入马赫- 曾德尔调制器的上输入光端口连接形成上连接臂，光耦合器(OC1)的下输出端 与双输入马赫-曾德尔调制器的下输入光端口连接形成下连接臂，通过光可变延 时线为上下连接臂提供可变延时差。

在一示例中，通过调整光可变延时线的延时，光电振荡器可获得6.1GHz～11.98GHz的宽带调谐范围。

在一示例中，布拉格光栅为线性啁啾布拉格光栅，以构成基于色散效应的 MPF。

在一示例中，无限脉冲响应滤波器为基于双并行可循环延时线(DP-RDLs) 形成的无限脉冲响应滤波器。无限脉冲响应滤波器具体包括第一可循环延时线 和第二可循环延时线，第一可循环延时线(RDL1)和第二可循环延时线(RDL2) 经第三光耦合器(OC3)实现双并行连接，第一可循环延时线经第二光耦合器 (OC2)与光环形器一端连接。

在一示例中，电放大器为射频放大器，用于补偿环路衰减损耗。

在一示例中，微波光子滤波器为FIR滤波器。

将上述示例进行组合，得到本发明的优选示例，如图1所示，此时光电振 荡器包括顺次连接的宽带光源、光耦合器、光可变延时线、双输入MZM、掺饵 光纤放大器、光环形器，光环形器另外两端分别连接有色散器件布拉格光栅和 双并行可循环延时线(DP-RDLs)，双并行可循环延时线经单模光纤、光电探 测器、射频放大器连接至双输入MZM射频输入端，形成正反馈回路。光电振荡 器的核心在于将有限脉冲响应(FIR)滤波器和无限脉冲响应(IIR)滤波器融合 处理形成一个级联微波光子滤波器(MPF)。其中，FIR滤波器是由宽带光源、 双输入MZM,光可变延时线、布拉格光栅和光电探测器构造的基于色散效应的 MPF；IIR滤波器是由双并行可循环延时线形成。优选示例中，光电振荡器的运 行原理为：

将放大自发辐射源利用光带通滤波器(OBPF)进行塑型形成矩形宽带光源 后经由光耦合器(OC1)分成两路光信号传输至双输入MZM，用以调制反馈的 振荡信号。在此，OVDL被引入于双输入MZM输入端的上连接臂为两路光信 号提供一个延时差。调制完成后，经由EDFA放大后由光环形器进入色散器件 LCFBG，接着再次通过光环形器依次发送至DP-RDLs和单模光纤，然后进入光 电探测器(PD)恢复出微波信号，并通过电放大器补偿环路衰耗后反馈至双输 入MZM射频输入端，进而形成振荡，最后从电放大器的输出端输出微波信号。

首先，对FIR滤波器进行分析。假定双输入MZM射频输入端反馈的振荡 信号V_in(t)＝V_mcos(2πω_mt)，式中的V_m和ω_m分别为V_in(t)的振幅和角频率。 进而可得FIR滤波器的频率响应如下：

其中，χ为LCFBG的累积色散值；Δτ为2×1MZM输入端上下连接臂的延 时差；

为BOS的功率谱；

表示在BOS有限谱宽下色散导致的传 输功率衰减函数，可表示如下：

由于宽带光源经由ASE和OBPF联合作用，形成一个矩形光谱，进而可将

表示如下：

其中，ζ为常数；ω₀为BOS光谱的中心角频率；∈为BOS的谱宽。将式(3) 代入式(2)，可得：

将式(4)代入式(1)，可得：

根据式(5)，可知

是一个sinc函数，对应于一个FIR滤波器。其峰 值点需满足ω_m±Δτ/χ＝0，进而，可得峰值点角频率：

接着，对IIR滤波器进行分析，其结构是由两个RDL级联构成的DP-RDLs。 在不考虑传输损耗情况下，IIR滤波器的频率响应可表示为：

其中，κ₁,κ₂分别表示OC2和OC3的耦合系数；Z_i＝exp(jω_mτ_i)，τ_i为第i 个RDL环的延时。进而，可得IIR滤波器的峰值角频率

其中，M、N、L均为整数。将FIR滤波器和IIR滤波器进行融合处理后， 对应的级联MPF可表示为：

将级联MPF融入OEO中，利用该MPF选取OEO的振荡模式。当OEO的 闭环增益大于环路损耗时，通过无数次循环形成稳定振荡后，从光电探测器恢 复的微波信号电压可描述为：

其中，τ₃为OEO振荡环路的传输延时；G_A表示闭环增益系数，主要由电放 大器的增益和振荡环路损耗共同决定。

进而可得其输出功率

其中，R表示光电探测器的负载阻抗。根据式(6)、式(8)、式(9)和 式(11)，可得OEO起振条件如下：

其中，A为整数，ω_osc为振荡角频率。从式(12)可以看出，通过简单调节 Δτ，可实现振荡角频率ω_osc的调谐功能。

为进一步说明本发明光电振荡器有益效果，现对优选示例光电振荡器进行 实验，得到如图2-图6的实验结果图。其中，图2(a)、图2(b)为级联MPF 的频率响应图，横坐标均表示频率(Frequency)，单位为GHz；纵坐标均表示 频率响应函数，单位为dB；在图2(a)中，本发明光电振荡器扫频范围(SPAN) 为20GHz；在图2(b)中，本发明光电振荡器扫频范围(SPAN)为560MHz。

图3(a)、图3(b)为本发明光电振荡器振荡频率为7.48GHz的微波信号 频谱图，图3(a)的横坐标表示频率(Frequency)，单位为GHz；纵坐标表示 功率，单位为dBm；图3(b)的横坐标表示频偏(Offset Frequency)，单位为 Hz；纵坐标表示功率，单位为dBm；在图3(a)中，本发明光电振荡器扫频范 围(SPAN)为14GHz；在图3(b)中，本发明光电振荡器扫频范围(SPAN) 为200kHz。从图中可知，在IIR滤波器的作用下，该光电振荡器可输出频谱纯 度高的微波信号。

图4(a)、图4(b)为本发明是否利用双并行可循环延时线(DP-RDLs) 的振荡信号稳定性对比示意图。其中，图4(a)、图4(b)中横坐标均为时间 (Time)，单位为分钟(min)；纵坐标均为频率漂移(Frequency drift)；图4 (a)表示光电振荡器引入了DP-RDLs，图4(b)表示光电振荡器未引入DP-RDLs， 对比图4(a)、图4(b)可以看出，本发明引入DP-RDLs后，光电振荡器稳 定性大大提高，具体通过1个小时的连续测量，其振荡信号的最大频率漂移仅 为1.817kHz，同时未出现模式跳变。进而可知，在基于DP-RDLs的IIR滤波器 的作用下，光电振荡器可产生高稳定性的微波信号。

图5为本发明光电振荡器振荡频率为7.48GHz时的微波信号相位噪声示意 图。其中，图中横坐标为频偏(Offset frequency)，单位为Hz；纵坐标表示相 位噪声(Phasenoise)，单位为dBc/Hz；由图可知，输出微波信号在振荡频率 为7.48GHz时，可获得的相位噪声为-100.7dBc/Hz@10kHz。

图6(a)为本发明光电振荡器通过调节OVDL，对应输出不同微波信号频 谱图的叠加示意图。可以看出，通过简单调节OVDL的延时，输出微波信号获 得了6.1～11.98GHz的宽带调谐范围。其中，图中横坐标为频率(Frequency)， 单位为GHz；纵坐标表示功率，单位为dBm。图6(b)为本发明光电振荡器不 同输出微波信号在频偏为10kHz时的相位噪声示意图。其中，图中横坐标为频 率(Frequency)，单位为GHz；纵坐标表示相位噪声(Phase noise)，单位为dBc/Hz；从图中可知，相位噪声仅存在细微变化，可近似看作频率无关函数， 与OEO的特性相一致。

综上，本发明调谐方式简单，调谐范围大(即仅通过简单调整OVDL的延 时，即可完成振荡频率的可调谐性，其调谐范围为6.1～11.98GHz)，易于工程 实现。另外，通过基于DP-RDLs的IIR滤波器的引入，不仅提高了MPF的模式 选择能力(大幅度降低了MPF的3-dB带宽)，而且极大地提升了光电振荡器 稳定性(通过一个小时的观测，频率漂移不足未使用DP-RDLs的五分之一)。

本发明还包括一种具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器的信号发生方法， 与上述一种具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器具有相同的发明构思，包括 以下步骤：

S1：宽带光源产生光信号；

S2：利用光耦合器(OC1)将光信号一分为二，上支路光信号经光可变延 时线进行延时处理后传输至双输入MZM的上输入光端口，下支路光信号直接传 输至双输入马赫-曾德尔调制器的下输入光端口，对振荡信号进行调制；

S3：将调制信号通过掺铒光纤放大器进行放大处理，并经由光环形器进入 色散器件线性啁啾布拉格光纤；

S4：将经线性啁啾布拉格光纤输出的光信号传输至双并行可循环延时线无 限脉冲响应滤波器；

S5：将光信号经单模光纤传输至光电探测器，将光信号转换为电信号；

S6：对电信号进行放大处理，并传输至双输入马MZM，形成振荡，最后输 出高稳定性、宽带可调谐的微波信号。

以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方 式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本 发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器，其特征在于：包括顺次连接的宽带光源、光耦合器、双输入马赫-曾德尔调制器、光纤放大器和光环形器，光环形器另外两端分别连接有布拉格光栅、基于双并行可循环延时线形成的无限脉冲响应滤波器，无限脉冲响应滤波器顺次经单模光纤、光电探测器、电放大器与双输入马赫-曾德尔调制器连接；

光耦合器与双输入马赫-曾德尔调制器的一连接光路中设有光可变延时线，宽带光源、双输入马赫-曾德尔调制器、光可变延时线和布拉格光栅构成基于色散效应的微波光子滤波器。

2.根据权利要求1所述具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器，其特征在于：所述宽带光源为矩形宽带光源。

3.根据权利要求2所述具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器，其特征在于：所述矩形宽带光源包括顺次连接的放大自发辐射源和光带通滤波器。

4.根据权利要求1所述具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器，其特征在于：所述光耦合器的上输出端经光可变延时线与双输入马赫-曾德尔调制器的上输入光端口连接形成上连接臂，光耦合器的下输出端与双输入马赫-曾德尔调制器的下输入光端口连接形成下连接臂，通过光可变延时线为上下连接臂提供可变延时差。

5.根据权利要求4所述具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器，其特征在于：调节光可变延时线的延时，使光电振荡器获得6.1GHz～11.98GHz的宽带调谐范围。

6.根据权利要求1所述具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器，其特征在于：所述布拉格光栅为线性啁啾布拉格光栅。

7.根据权利要求1所述具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器，其特征在于：光纤放大器为掺铒光纤放大器。

8.根据权利要求1所述具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器，其特征在于：所述电放大器为射频放大器。

9.根据权利要求1所述具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器，其特征在于：所述微波光子滤波器为有限脉冲响应滤波器。

10.一种具有高稳定性的宽带可调谐光电振荡器的信号发生方法，其特征在于：包括以下步骤：

宽带光源产生光信号；

利用光耦合器将光信号一分为二，上支路光信号经光可变延时线进行延时处理后传输至双输入马赫-曾德尔调制器的上输入光端口，下支路光信号直接传输至双输入马赫-曾德尔调制器的下输入光端口，然后对振荡信号进行调制；

将调制信号通过光纤放大器进行放大处理，并经由光环形器进入布拉格光纤；

将经拉格光纤输出的光信号传输至基于双并行可循环延时线形成的无限脉冲响应滤波器后，再将光信号经单模光纤传输至光电探测器，将光信号转换为电信号；

对电信号进行放大处理，并传输至双输入马赫-曾德尔调制器，形成振荡，最后输出高稳定性、宽带可调谐的微波信号。

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