一种主从式光电振荡器及其方法技术

本发明专利技术公开了一种主从式光电振荡器及其方法。包括半导体激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器、射频放大器、等效窄带滤波器、1X2功分器及辅助光电振荡器作为高稳定的外参考模块。其中辅助光电振荡器由第二半导体激光器、第二电光调制器、短光纤、第二光电探测器、第二射频放大器及第一射频带通滤波器组成，由稳定的外参考源实现注入锁定，通过1X2功分器将部分信号注入主振荡器中的等效窄带滤波器。主振荡器各模块通过射频线或者光纤连接构成一个闭合的光电环路，由等效窄带滤波器实现稳定的单频射频信号输出，该信号同时拥有很高的杂散抑制比和极低的相位噪声。

【技术实现步骤摘要】
一种主从式光电振荡器及其方法
本专利技术属于微波及光电子领域，具体涉及一种主从式光电振荡器及其方法。
技术介绍
光电振荡器具有高Q值、低相位噪声等优势，可以广泛应用于雷达、通信、制导、测试与测量等领域。在传统的微波信号产生方法中，往往采用基于石英晶体振荡器或者介质振荡器的倍频技术产生，但是倍频技术同时会导致相位噪声的急剧恶化。相比之下，光电振荡器作为一种新型的光、电结合的振荡器，能直接产生高频的微波信号，其产生信号的原理与传统的方法不同，因而能在产生高频信号的同时保持极低的相位噪声。近几十年来，随着微波光子技术的发展，光电振荡器的研究越来越受到重视，1994年，美国喷气动力实验室首次提出了光电振荡器，其组成包括低噪声的激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器、射频放大器和滤波器等，这些器件构成了闭合正反馈回路并实现振荡。光电振荡器通过光电转换器件将连续光能量转换为周期变换的微波信号。光电振荡器解决了传统射频信号源中不可避免的众多不足，具有高效率和高频谱纯度等优点。在光电振荡器系统中，光纤环路的储能时间直接决定了振荡器的Q值，根据里森相位噪声模型，振荡器的Q值越大，其输出的相位噪声越低。因此，可以通过增加光纤长度进一步降低光电振荡器的相位噪声。但实际上，由于延迟线振荡器的特性，当环路闭合之后，系统会同时产生很多的起振模式，这些模式之间都满足相位差为2π的整数倍，且振荡模式间隔与光纤长度成反比，模式间会彼此竞争，使得最终的输出频率不确定。理论上，我们可以使用一个足够窄的带通滤波器进行选模，去除不需要的模式，但是由于光电振荡器的模式间隔通常为几十kHz量级，而起振频率往往达到几个GHz或者几十GHz，以目前的技术还很难制作如此高Q值的窄带通滤波器。因此，这也成为目前制约光电振荡器进一步提高环路长度的因素。在随后的研究中，为了克服这一难题，又不断产生新的光电振荡器结构。2000年，Yao和Maleki提出双谐振腔结构的光电振荡器，它将调制器输出的光信号分配到两个光纤环路中，其中长环路光电振荡器保证较低的相位噪声，由短环路光电振荡器来实现边模抑制，由于考虑到对边模有较高的抑制效果，短环路光电振荡器需分配较多的功率或者使用极短的光纤。理论上，整个双环光电振荡器的相位噪声是由长、短环路光电振荡器同时决定，如果使用较短的环长或者短环光电振荡器的分配功率较高都会恶化整个光电振荡器的相位噪声水平。相关原理在专利“一种基于三光纤环结构的光电振荡器(申请号：201420402958.9)”中有具体说明。进一步，有研究人员提出采用注入锁定的方式实现单频低相位噪声输出的光电振荡器结构。注入式结构分为两种，一种是采用长、短环注入结构，它的原理和效果与双环结构光电振荡器类似。另一种是基于外部源注入锁定的光电振荡器，如在专利“一种稳定的微波振荡器(申请号：201310559289.6)”和专利“光电振荡器(申请号：201520267124.6)”中所提的方案，由于外部源通常是单频信号，因此能够实现对光电振荡器较好的选频效果，但是，外部源注入锁定的光电振荡器的近载端相位噪声由外部参考源决定，而外部源的近载端噪声往往很难做到很低。因此，这种结构的光电振荡器只能应用在对近载端相位噪声要求不高的场景中。第三种实现单模起振光电振荡器的方案是采用将信号下变频到中频来实现滤波选频，再上变频到射频并实现起振。如在专利“一种超窄带低噪声光电振荡器(申请号：201510704413.2)”中所提的方案，但是该方案需要选用外部源作为上下变频的本振信号，而该本振信号是锁相环频率合成器，具有较差的相位噪声表现，因而会导致光电振荡器最终输出信号的远载端相位噪声表现很差，不适合应用在对远载端相位噪声要求较高的场景中。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服传统光电振荡器的起振频率不确定、难以兼顾杂散抑制和低相位噪声输出的缺陷，提供了一种单一模式起振、具有很高杂散抑制和全频段极低相位噪声输出的光电振荡器。本专利技术解决其技术问题所采用的方案是：一种主从式光电振荡器及其方法，其特征在于：包括第一半导体激光器，第一电光调制器，长光纤(一般光纤长度可达几千米或者十几千米)，第一光电探测器，第一射频放大器，等效窄带滤波器模块，辅助光电振荡器模块，第一1X2功分器或定向耦合器。第一半导体激光器的输出端连接到第一电光调制器的光输入端，第一电光调制器的输出端连接到长光纤的输入端，长光纤的输出端连接到第一光电探测器的输入端，在所述光电探测器的输出端连接到等效窄带滤波器的一个输入端口，等效窄带滤波器的输出端连接第一射频放大器的输入端，第一射频放大器的输出端连接到第一1X2功分器或定向耦合器的输入端，第一1X2功分器或定向耦合器的其中一个输出端连接到电光调制器的微波输入端，形成振荡反馈环路，第一1X2功分器或定向耦合器的另一个输出端输出微波信号。进一步的，所述的辅助光电振荡器应具有极低的远载端相位噪声水平，可以为单环光电振荡器、双环或多环光电振荡器、耦合式光电振荡器、回音廊壁结构光电振荡器、法布里波罗腔结构的光电振荡器以及由上述光电振荡器构成的注入锁定式光电振荡器或锁相环稳定光电振荡器。他们的共有特质是能提供极低的远载端相位噪声并且能稳定输出单一频率的射频信号。更加进一步的，所述的辅助光电振荡器包括第二半导体激光器、第二电光调制器、短光纤(一般光纤长度为几十米或者几百米)、第二光电探测器、第一射频带通滤波器、第二射频放大器、2X1合路器、第二1X2功分器或定向耦合器以及外部参考源；第二半导体激光器的输出端连接到第二电光调制器的输入端，第二电光调制器的输出端连接到短光纤的输入端，短光纤的输出端连接到第二光电探测器的输入端，第二光电探测器的输出通过第一射频带通滤波器、第二射频放大器连接到2X1合路器的一个输入端，2X1合路器的输出端连接到第二1X2功分器或定向耦合器的输入端，第二1X2功分器或定向耦合器的其中一个输出端连接到第二电光调制器的微波输入端，形成辅助振荡反馈环路，第二1X2功分器或定向耦合器的另一个输出端输出微波信号通入等效窄带滤波器的另一个输入端；稳定的外参考源的输出端连接2X1合路器的另一个输入端。优选的，所述的等效窄带滤波器包括下变频器、中频带通滤波器、中频放大器、上变频器、镜频抑制滤波器、延时匹配链路、第三1X2功分器或定向耦合器，其中辅助光电振荡器的输出连接到第三1X2功分器或定向耦合器，第三1X2功分器或定向耦合器的其中一个输出端连接到下变频器的一个输入端，下变频器的输出端经中频带通滤波器和中频放大器连接到上变频器的一个输入端，第二1X2功分器或定向耦合器的另一个输出端通过一段延时匹配链路与上变频器的另一输入端口相连，上变频器的输出端与镜频抑制滤波器的输入端相连，镜频抑制滤波器的输出端连接到主光电振荡器的第一射频放大器的输入端。优选的，所述中频滤波器为窄带通滤波器，其频率选通范围与光电振荡器模式间隔为同一数量级。优选的，所述外部参考源是高稳定微波源，可以为恒温晶振、蓝宝石振荡器、原子钟、介质腔振荡器中的一种或者由上述中的多种构成的合成频率源。优选的，所述延时匹配链路为光电延时或电延时链路。本专利技术还公开了一种所述主从式光电振荡器的信号输出方法，包括如下步骤：先将外部稳定参考源本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种主从式光电振荡器，其特征在于包括第一半导体激光器(1)、第一电光调制器(2)、长光纤(3)、第一光电探测器(4)、等效窄带滤波器(5)、第一射频放大器(6)、第一1X2功分器或定向耦合器(7)、辅助光电振荡器(8)；第一半导体激光器(1)的输出端连接到第一电光调制器(2)的光输入端，第一电光调制器(2)的输出端连接到长光纤(3)的输入端，长光纤(3)的输出端连接到第一光电探测器(4)的输入端，所述光电探测器(4)的输出端连接到等效窄带滤波器(5)的一个输入端口，等效窄带滤波器(5)的输出端连接第一射频放大器(6)的输入端，第一射频放大器(6)的输出端连接到第一1X2功分器或定向耦合器(7)的输入端，第一1X2功分器或定向耦合器(7)的其中一个输出端连接到电光调制器(2)的微波输入端，形成振荡反馈环路，第一1X2功分器或定向耦合器(7)的另一个输出端输出微波信号，其中，辅助光电振荡器(8)的输出端连接到等效窄带滤波器(5)的另一个输入端。

【技术特征摘要】
1.一种主从式光电振荡器，其特征在于包括第一半导体激光器(1)、第一电光调制器(2)、长光纤(3)、第一光电探测器(4)、等效窄带滤波器(5)、第一射频放大器(6)、第一1X2功分器或定向耦合器(7)、辅助光电振荡器(8)；第一半导体激光器(1)的输出端连接到第一电光调制器(2)的光输入端，第一电光调制器(2)的输出端连接到长光纤(3)的输入端，长光纤(3)的输出端连接到第一光电探测器(4)的输入端，所述光电探测器(4)的输出端连接到等效窄带滤波器(5)的一个输入端口，等效窄带滤波器(5)的输出端连接第一射频放大器(6)的输入端，第一射频放大器(6)的输出端连接到第一1X2功分器或定向耦合器(7)的输入端，第一1X2功分器或定向耦合器(7)的其中一个输出端连接到电光调制器(2)的微波输入端，形成振荡反馈环路，第一1X2功分器或定向耦合器(7)的另一个输出端输出微波信号，其中，辅助光电振荡器(8)的输出端连接到等效窄带滤波器(5)的另一个输入端。2.如权利要求1所述的主从式光电振荡器，其特征在于所述的辅助光电振荡器(8)为单环光电振荡器、双环或多环光电振荡器、耦合式光电振荡器、回音廊壁结构光电振荡器、法布里波罗腔结构的光电振荡器以及由上述光电振荡器构成的注入锁定式光电振荡器或锁相环稳定光电振荡器。3.如权利要求1所述的主从式光电振荡器，其特征在于：所述的辅助光电振荡器(8)包括第二半导体激光器(9)、第二电光调制器(10)、短光纤(11)、第二光电探测器(12)、第一射频带通滤波器(13)、第二射频放大器(14)、2X1合路器(15)、第二1X2功分器或定向耦合器(16)以及外部参考源(17)；第二半导体激光器(9)的输出端连接到第二电光调制器(10)的输入端，第二电光调制器(10)的输出端连接到短光纤(11)的输入端，短光纤(11)的输出端连接到第二光电探测器(12)的输入端，第二光电探测器(12)的输出通过第一射频带通滤波器(13)、第二射频放大器(14)连接到2X1合路器(15)的一个输入端，2X1合路器(15)的输出端连接到第二1X2功分器或定向耦合器(16)的输入端，第二1X2功分器或定向耦合器(16)的其中一个输出端连接到第二电光调制器(10)的微波输入端，形成辅助振荡反馈环路，第二1X2功分器或定向耦合器(16)的另一个输出端输出微波信号通入等效窄带滤波器(5)的另一个输入端；稳定的外参考源(17)的输出端连接2X1...

【专利技术属性】
技术研发人员：童国川，金韬，池灏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33