自鎖定式光電振蕩器及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自鎖定式光電振蕩器及其方法。包括半導(dǎo)體光放大器、光環(huán)形器、窄帶光濾波器、光纖分束器、梳狀光濾波器、電光調(diào)制器、光電探測(cè)器、微波放大器、微波耦合器等器件。其中由半導(dǎo)體光放大器、光環(huán)形器、窄帶光濾波器、光纖分束器的一個(gè)輸出端、梳狀光濾波器形成的閉合光環(huán)路產(chǎn)生穩(wěn)定的單縱模激光輸出；光纖分束器的另一個(gè)輸出端、電光調(diào)制器、光環(huán)形器、梳狀光濾波器、光電探測(cè)器、微波放大器、微波耦合器的一個(gè)輸出端構(gòu)成的閉合光電環(huán)路產(chǎn)生穩(wěn)定的單頻微波信號(hào)，光電環(huán)路中經(jīng)過(guò)調(diào)制產(chǎn)生的多階諧波邊帶再經(jīng)梳狀光濾波器選模，產(chǎn)生頻率自鎖定效應(yīng)，使產(chǎn)生的微波信號(hào)具有頻率穩(wěn)定性好、頻譜純度高的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】自鎖定式光電振蕩器及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微波/毫米波信號(hào)發(fā)生的微波光子領(lǐng)域和光通信領(lǐng)域，尤其涉及一種自鎖定式光電振蕩器及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代雷達(dá)，無(wú)線通信，軟件無(wú)線電，測(cè)試與測(cè)量等領(lǐng)域中，具有相位噪聲低、頻譜純度高、頻率穩(wěn)定性高等品質(zhì)的高質(zhì)量微波源發(fā)揮著重要的作用。對(duì)于傳統(tǒng)的射頻/微波信號(hào)源，諸如頻率合成器、電子振蕩器等產(chǎn)生的微波信號(hào)都存在相位噪聲大、頻譜純度低、頻率不夠高、頻率穩(wěn)定度不夠好等缺點(diǎn)。
[0003]光電振蕩器是利用微波光子學(xué)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)光電器件將連續(xù)光能量轉(zhuǎn)換為周期性變換的微波信號(hào)裝置。它解決了傳統(tǒng)射頻信號(hào)源中不可避免的眾多不足，具有高效率、高速度、信號(hào)穩(wěn)定度高和頻譜純度高等優(yōu)點(diǎn)，在產(chǎn)生高頻微波/毫米波信號(hào)方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。Steve Yao和Maleki于1996年首次提出光電振蕩器的概念，將光的能量轉(zhuǎn)化為周期性變化的射頻信號(hào)，并利用長(zhǎng)光纖構(gòu)造高Q值諧振腔，其產(chǎn)生信號(hào)Q值可達(dá)106。在隨后的研究中，又不斷產(chǎn)生新的光電振蕩器結(jié)構(gòu)，有雙環(huán)甚至多環(huán)的光電振蕩器，耦合式光電振蕩器，注入鎖定式光電振蕩器，基于高Q值光濾波器的光電振蕩器，基于微波光子濾波器的光電振蕩器等。其中，多環(huán)光電振蕩器、稱合式光電振蕩器、注入鎖定式光電振蕩器均米用長(zhǎng)光纖保證信號(hào)的高Q值，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致在閉合的光電振蕩回路里，滿足相位2 π整數(shù)倍的起振模式間隔變小，需在閉合的微波鏈路里用一個(gè)高Q值窄帶微波濾波器進(jìn)行濾波，保證微波輸出端能夠得到一個(gè)穩(wěn)定理想的單模信號(hào)。而基于高Q值的光濾波器和微波光子濾波器的光電振蕩器工作原理是通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)窄帶透射峰的開環(huán)響應(yīng)，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)中某些參數(shù)，調(diào)諧微波濾波響應(yīng)的峰值位置，濾出需要的特定頻率振蕩模式，得到穩(wěn)定的單頻微波信號(hào)輸出。相比于電振蕩器，基于以上提到的各種結(jié)構(gòu)光電振蕩器解決了頻率不夠高、相位噪聲性能不夠好等問(wèn)題，但由于整個(gè)光電振蕩環(huán)路沒有使用特定的穩(wěn)頻技術(shù)，仍會(huì)不可避免的遇到頻率穩(wěn)定性不夠高的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)光電振蕩器的頻率穩(wěn)定性不夠高，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低損耗、易集成、頻譜純度高、頻率穩(wěn)定性高的自鎖定式光電振蕩器及其方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的方案是:
[0006]自鎖定式光電振蕩器包括半導(dǎo)體光放大器、窄帶光濾波器、光纖分束器、第一光環(huán)形器、梳狀光濾波器、第二光環(huán)行器、電光調(diào)制器、光電探測(cè)器、微波放大器、微波耦合器；半導(dǎo)體光放大器、窄帶光濾波器、光纖分束器的輸出端、第一光環(huán)形器的I端口通過(guò)光纖順次相連，第一光環(huán)行器的2端口、梳狀光濾波器、第二光環(huán)形器的2端口通過(guò)光纖順次相連，第二光環(huán)行器的3端口與半導(dǎo)體光放大器通過(guò)光纖相連，整體構(gòu)成一個(gè)閉合的光環(huán)路；光纖分束器的輸出端、電光調(diào)制器、第二光環(huán)行器的I端口通過(guò)光纖順次相連，第一光環(huán)行器的3端口與光電探測(cè)器的輸入口通過(guò)光纖相連,光電探測(cè)器的輸出口、微波放大器、微波I禹合器的一個(gè)輸出端、電光調(diào)制器的射頻輸入口通過(guò)微波同軸線順次相連，其中，微波耦合器另一個(gè)輸出端是微波信號(hào)輸出端，電光調(diào)制器、第二光環(huán)行器、梳狀光濾波器、第一光環(huán)行器、光電探測(cè)器、微波放大器、微波稱合器構(gòu)成了一個(gè)閉合的光電振蕩環(huán)路。
[0007]自鎖定式光電振蕩方法:在閉合的光環(huán)路中，梳狀光濾波器具有相等頻率間隔的多個(gè)窄帶透射峰響應(yīng)，環(huán)路中起振的模式有多個(gè)，相鄰的縱模間隔等于梳狀光濾波器的窄帶透射峰頻率間隔，多縱模輸出經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體光放大器的增益補(bǔ)償后，進(jìn)入窄帶光濾波器，窄帶光濾波器的帶寬小于兩倍的梳狀光濾波器的窄帶透射峰頻率間隔，通過(guò)調(diào)整窄帶光濾波器的透射峰位置，從眾多模式中濾出一個(gè)縱模，被濾出的縱模在光環(huán)路中不斷振蕩，最終形成穩(wěn)定的單縱模激光輸出，此閉合光環(huán)路構(gòu)成了一個(gè)單縱模輸出的光纖環(huán)形激光器，為閉合的光電環(huán)路提供光載波；閉合的光電環(huán)路剛開始起振時(shí)，有多個(gè)縱模開始振蕩，多縱模的頻率間隔與光電環(huán)路的長(zhǎng)度成反比，當(dāng)多縱模進(jìn)入梳狀光濾波器后，只有落入梳狀光濾波器的眾多窄帶透射峰內(nèi)的縱模才穩(wěn)定振蕩，而其它多個(gè)邊模被有效濾除，通過(guò)有限探測(cè)范圍的光電探測(cè)器拍頻，產(chǎn)生一個(gè)頻率大小等于梳狀光濾波器的窄帶透射峰頻率間隔的微波信號(hào)，微波放大器對(duì)該微波信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)微波耦合器的一個(gè)輸出端口進(jìn)入電光調(diào)制器的射頻輸入端，形成一個(gè)閉合的光電反饋回路，在閉合的光電環(huán)路中，電光調(diào)制器輸出的多階諧波邊帶不斷注入到梳狀光濾波器中，產(chǎn)生頻率自鎖定效應(yīng)，當(dāng)梳狀光濾波器工作環(huán)境足夠穩(wěn)定，保持窄帶透射峰頻率間隔大小不變，由微波耦合器的另一個(gè)端(14)輸出的微波信號(hào)就不會(huì)產(chǎn)生頻率漂移現(xiàn)象，通過(guò)有效濾除光電環(huán)路中的邊模，提高了微波信號(hào)的頻譜純度。
[0008]與傳統(tǒng)的光電振蕩器相比，本發(fā)明不需要窄帶高通微波濾波器，不需要長(zhǎng)光纖，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低損耗、易集成等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是，通過(guò)頻率自鎖定，是一個(gè)頻率穩(wěn)定性好、頻譜純度高的高質(zhì)量微波信號(hào)源。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是自鎖定式光電振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2中實(shí)線表示梳狀光濾波器的多個(gè)窄帶透射峰光譜，虛線表示窄帶光濾波器的透射譜；
[0011]圖3(a)中實(shí)線表示梳狀光濾波器的多個(gè)窄帶透射峰光譜，虛線表示閉合的光電環(huán)路剛開始起振時(shí)多縱模光譜；
[0012]圖3(b)表不頻率自鎖定后的梳狀譜；
[0013]圖3(c)表示自鎖定式光電振蕩器的輸出微波信號(hào)頻譜。

【具體實(shí)施方式】
[0014]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0015]如圖1所75,自鎖定式光電振蕩器包括半導(dǎo)體光放大器1、窄帶光濾波器2、光纖分束器3、第一光環(huán)形器6、梳狀光濾波器7、第二光環(huán)行器8、電光調(diào)制器9、光電探測(cè)器10、微波放大器11、微波稱合器12 ;半導(dǎo)體光放大器1、窄帶光濾波器2、光纖分束器3的輸出端4、第一光環(huán)形器6的I端口通過(guò)光纖順次相連,第一光環(huán)行器6的2端口、梳狀光濾波器7、第二光環(huán)形器8的2端口通過(guò)光纖順次相連，第二光環(huán)行器8的3端口與半導(dǎo)體光放大器I通過(guò)光纖相連，整體構(gòu)成一個(gè)閉合的光環(huán)路；光纖分束器3的輸出端5、電光調(diào)制器9、第二光環(huán)行器8的I端口通過(guò)光纖順次相連,第一光環(huán)行器6的3端口與光電探測(cè)器10的輸入口通過(guò)光纖相連，光電探測(cè)器10的輸出口、微波放大器11、微波I禹合器12的一個(gè)輸出端13、電光調(diào)制器9的射頻輸入口通過(guò)微波同軸線順次相連，其中，微波耦合器12的另一個(gè)輸出端14是微波信號(hào)輸出端，電光調(diào)制器9、第二光環(huán)行器8、梳狀光濾波器7、第一光環(huán)行器
6、光電探測(cè)器10、微波放大器11、微波稱合器12構(gòu)成了一個(gè)閉合的光電振蕩環(huán)路。
[0016]自鎖定式光電振蕩方法:在閉合的光環(huán)路中，梳狀光濾波器7具有相等頻率間隔的多個(gè)窄帶透射峰響應(yīng)，環(huán)路中起振的模式有多個(gè)，相鄰的縱模間隔等于梳狀光濾波器7的窄帶透射峰頻率間隔FSR，(見圖2實(shí)線)，多縱模輸出經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體光放大器I的增益補(bǔ)償后，進(jìn)入窄帶光濾波器2，窄帶光濾波器2的帶寬小于兩倍的梳狀光濾波器的窄帶透射峰頻率間隔，通過(guò)調(diào)整窄帶光濾波器2的透射峰位置，從眾多模式中濾出一個(gè)縱模，(見圖2虛線)，被濾出的縱模在光環(huán)路中不斷振蕩，最終形成穩(wěn)定的單縱模激光輸出，此閉合光環(huán)路構(gòu)成了一個(gè)單縱模輸出的光纖環(huán)形激光器，為閉合的光電環(huán)路提供光載波；閉合的光電環(huán)路剛開始起振時(shí)，有多個(gè)縱模開始振蕩，(見圖3(a)虛線)，縱模頻率間隔f。= c/nL, c為光速，η為光纖的折射系數(shù)，L為光電環(huán)路的長(zhǎng)度，當(dāng)多縱模進(jìn)入梳狀光濾波器后，只有落入梳狀光濾波器的眾多窄帶透射峰內(nèi)的縱模才穩(wěn)定振蕩，而其它多個(gè)邊模被有效濾除，(見圖3 (b))，通過(guò)有限探測(cè)范圍的光電探測(cè)器10拍頻，產(chǎn)生一個(gè)頻率f。,。等于梳狀光濾波器的窄帶透射峰頻率間隔FSR的微波信號(hào)，(見圖3(c))，微波放大器11對(duì)該微波信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)微波稱合器12的一個(gè)輸出端口 13進(jìn)入電光調(diào)制器9的射頻輸入端,形成一個(gè)閉合的光電反饋回路，在閉合的光電環(huán)路中，電光調(diào)制器輸出的多階諧波邊帶不斷注入到梳狀光濾波器7中，產(chǎn)生頻率自鎖定效應(yīng)，當(dāng)梳狀光濾波器7工作環(huán)境足夠穩(wěn)定，保持窄帶透射峰頻率間隔FSR大小不變，產(chǎn)生的微波信號(hào)就不會(huì)產(chǎn)生頻率漂移現(xiàn)象，通過(guò)有效濾除光電環(huán)路中的邊模，提高了微波信號(hào)的頻譜純度。
【權(quán)利要求】
1.一種自鎖定式光電振蕩器，其特征在于包括半導(dǎo)體光放大器(I)、窄帶光濾波器(2)、光纖分束器(3)、第一光環(huán)形器(6)、梳狀光濾波器(7)、第二光環(huán)行器(8)、電光調(diào)制器(9)、光電探測(cè)器(10)、微波放大器(11)、微波稱合器(12);半導(dǎo)體光放大器(I)、窄帶光濾波器(2)、光纖分束器(3)的輸出端(4)、第一光環(huán)形器(6)的I端口通過(guò)光纖順次相連，第一光環(huán)行器(6)的2端口、梳狀光濾波器(7)、第二光環(huán)形器(8)的2端口通過(guò)光纖順次相連，第二光環(huán)行器(8)的3端口與半導(dǎo)體光放大器(I)通過(guò)光纖相連，整體構(gòu)成一個(gè)閉合的光環(huán)路；光纖分束器(3)的輸出端(5)、電光調(diào)制器(9)、第二光環(huán)行器(8)的I端口通過(guò)光纖順次相連，第一光環(huán)行器(6)的3端口與光電探測(cè)器(10)的輸入口通過(guò)光纖相連，光電探測(cè)器(10)的輸出口、微波放大器(11)、微波I禹合器(12)的一個(gè)輸出端(13)、電光調(diào)制器(9)的射頻輸入口通過(guò)微波同軸線順次相連，其中，微波耦合器(12)另一個(gè)輸出端(14)是微波信號(hào)輸出端，電光調(diào)制器(9)、第二光環(huán)行器(8)、梳狀光濾波器(7)、第一光環(huán)行器(6)、光電探測(cè)器(10)、微波放大器(11)、微波稱合器(12)構(gòu)成了一個(gè)閉合的光電振蕩環(huán)路。
2.—種使用如權(quán)利要求1所述光電振蕩器的自鎖定式光電振蕩方法，其特征在于:在閉合的光環(huán)路中，梳狀光濾波器(7)具有相等頻率間隔的多個(gè)窄帶透射峰響應(yīng)，環(huán)路中起振的模式有多個(gè)，相鄰的縱模間隔等于梳狀光濾波器(7)的窄帶透射峰頻率間隔，多縱模輸出經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體光放大器(I)的增益補(bǔ)償后，進(jìn)入窄帶光濾波器(2)，窄帶光濾波器(2)的帶寬小于兩倍的梳狀光濾波器的窄帶透射峰頻率間隔，通過(guò)調(diào)整窄帶光濾波器(2)的透射峰位置，從眾多模式中濾出一個(gè)縱模，被濾出的縱模在光環(huán)路中不斷振蕩，最終形成穩(wěn)定的單縱模激光輸出，此閉合光環(huán)路構(gòu)成了一個(gè)單縱模輸出的光纖環(huán)形激光器，為閉合的光電環(huán)路提供光載波；閉合的光電環(huán)路剛開始起振時(shí)，有多個(gè)縱模開始振蕩，多縱模的頻率間隔與光電環(huán)路的長(zhǎng)度成反比，當(dāng)多縱模進(jìn)入梳狀光濾波器后，只有落入梳狀光濾波器的眾多窄帶透射峰內(nèi)的縱模才穩(wěn)定振蕩，而其它多個(gè)邊模被有效濾除，通過(guò)有限探測(cè)范圍的光電探測(cè)器(10)拍頻，產(chǎn)生一個(gè)頻率大小等于梳狀光濾波器的窄帶透射峰頻率間隔的微波信號(hào)，微波放大器(11)對(duì)該微波信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)微波耦合器(12 )的一個(gè)輸出端口( 13 )進(jìn)入電光調(diào)制器(9)的射頻輸入端，形成一個(gè)閉合的光電反饋回路，在閉合的光電環(huán)路中，電光調(diào)制器輸出的多階諧波邊帶不斷注入到梳狀光濾波器(7)中，產(chǎn)生頻率自鎖定效應(yīng)，當(dāng)梳狀光濾波器(7)工作環(huán)境足夠穩(wěn)定，保持窄帶透射峰頻率間隔大小不變，由微波耦合器的另一個(gè)端(14)輸出的微波信號(hào)就不會(huì)產(chǎn)生頻率漂移現(xiàn)象，通過(guò)有效濾除光電環(huán)路中的邊模，提高了微波信號(hào)的頻譜純度。
【文檔編號(hào)】H01S3/10GK104184028SQ201410328872
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】每媛, 池灝, 金韜, 鄭史烈, 章獻(xiàn)民, 金曉峰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)