本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種輕小型超低相噪光電振蕩器及其光學(xué)微腔制作方法。

背景技術(shù)：

高性能的微波振蕩信號源是雷達(dá)、信息對抗、通訊和現(xiàn)代電子儀器等設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵部件。在陣列雷達(dá)中，高性能信號源可以提高雷達(dá)的改善因子，濾除和降低雜波影響，增強(qiáng)弱信號檢測能力，提高測速精度并減小臨近波段信號干擾；更為突出的是，雷達(dá)信號源相位噪聲指標(biāo)已逐漸成為檢測雜波下慢、小、隱身目標(biāo)的技術(shù)瓶頸；因此，進(jìn)一步提升微波振蕩信號源的相位噪聲性能顯得非常重要而迫切。

傳統(tǒng)微波信號源技術(shù)很難產(chǎn)生低相噪的微波高頻信號。常用的晶振、聲表面波(saw)元件，工作頻率低，一般為幾十到幾百兆赫茲，可采用倍頻技術(shù)獲得更高頻率，但相位噪聲指標(biāo)惡化嚴(yán)重(相位噪聲增加倍數(shù)是頻率增加倍數(shù)的平方)；微波介質(zhì)諧振器能工作在微波高頻，但相位噪聲指標(biāo)不能滿足任務(wù)需求，如x波段相噪指標(biāo)典型值僅為-100dbc/hz@1khz。光電振蕩器(opto-electronicoscillator)類似于激光振蕩器，采用低損耗、高q值(高達(dá)10¹⁰)的光學(xué)儲能單元，構(gòu)建光電混合反饋環(huán)路，使得輸出微波信號具有極低的相位噪聲；與傳統(tǒng)電子振蕩器相比，光電振蕩器能將振蕩器相位噪聲指標(biāo)提升兩個(gè)數(shù)量級以上，如目前x波段傳統(tǒng)電子振蕩器相位噪聲較好指標(biāo)約為-100dbc/hz@1khz，而x波段光電振蕩器的相位噪聲可優(yōu)于-120dbc/hz@1khz；同時(shí)，高q值光學(xué)儲能單元內(nèi)損耗不隨微波頻率改變而變化，因此，理論上光電振蕩器輸出信號的性能不會隨著頻率升高而惡化，光電振蕩器在毫米波段將愈發(fā)體現(xiàn)優(yōu)勢。綜上所述，光電振蕩器具有工作頻率高、范圍廣、相位噪聲低、頻譜純度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種新穎的、有發(fā)展前途的高質(zhì)量超低相噪微波信號產(chǎn)生方案，將是振蕩器領(lǐng)域的革命性突破。

傳統(tǒng)光電振蕩器采用數(shù)千米的長光纖作為儲能單元，長光纖延時(shí)易受溫度影響，使起振模式發(fā)生改變造成輸出頻率不穩(wěn)定；同時(shí)光纖體積較大，難以集成；因此傳統(tǒng)光纖式光電振蕩器存在穩(wěn)定性和小型化兩大瓶頸技術(shù)。光學(xué)微腔是一種通過較小的模式體積存儲較大光能量的光學(xué)諧振器，屬于一種回音壁模(wgm：whisperinggallerymodes)腔，場在腔內(nèi)某個(gè)區(qū)域的內(nèi)壁和外壁之間形成全反射，從而被約束在腔內(nèi)并沿腔的周邊繞行，當(dāng)滿足一定的相位匹配條件后，將形成角向分布的諧振模式。存在于諧振模式中的能量要經(jīng)過很長時(shí)間才能從微腔內(nèi)泄露出去，這使得微腔具有較大的時(shí)延特性和非常大的能量密度，許多光學(xué)效應(yīng)在腔內(nèi)得到加強(qiáng)。光波被約束在腔內(nèi)并沿腔的周邊繞行；再加上其材料損耗和輻射損耗均很小，幾乎沒有能量損失，因而q值非常高，可達(dá)10¹⁰。與此同時(shí)，光學(xué)微腔還具有良好的寄生模式抑制能力。因此，光學(xué)微腔具有q值高、體積小、重量輕的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明提出一種新穎輕小型超低相噪光電振蕩器及其光學(xué)微腔制作方法，采用光學(xué)微腔代替光纖，采用鏈路降噪設(shè)計(jì)技術(shù)，突破了回音壁模微腔及其耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造難題，解決了傳統(tǒng)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了光電振蕩器的超低相噪、輕小型、高穩(wěn)定和高可靠。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在至少解決所述技術(shù)缺陷之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種輕小型超低相噪光電振蕩器，解決傳統(tǒng)光電振蕩器的長光纖延時(shí)易受溫度影響，使起振模式發(fā)生改變造成輸出頻率不穩(wěn)定；且光纖體積較大，難以集成，不能實(shí)現(xiàn)輕小型化的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種輕小型超低相噪光電振蕩器，包括：激光器、電光調(diào)制器、光放大器、光學(xué)微腔、光電探測器、電放大器、電濾波器和電耦合器；

激光器輸出的光信號經(jīng)電光調(diào)制器調(diào)制輸出，再經(jīng)光放大器進(jìn)行光信號放大，再經(jīng)由光學(xué)微腔進(jìn)行光延遲、光儲能，再由光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號在電域依次經(jīng)電放大器、電濾波器后，并由電耦合器反饋至電光調(diào)制器，其中，電耦合器直通主路輸出用于電光調(diào)制器的反饋調(diào)制，形成光電混合反饋環(huán)路；電耦合器的耦合支路輸出既定的超低相噪微波信號，

其中，激光器、電光調(diào)制器、光放大器、光學(xué)微腔、光電探測器構(gòu)成光電振蕩器反饋環(huán)路的光路部分，主要功能是實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換和在光域內(nèi)形成振蕩；電放大器、電濾波器、電耦合器構(gòu)成光電振蕩器反饋環(huán)路的電路部分；主要功能是構(gòu)成振蕩環(huán)路并給回路提供適當(dāng)增益；

在光電混合反饋環(huán)路中，當(dāng)電磁波滿足相位相干且環(huán)路增益大于損耗條件時(shí)，信號經(jīng)過不斷循環(huán)，最終從噪聲譜中形成穩(wěn)定的振蕩，實(shí)現(xiàn)所需振蕩譜的輸出。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，激光器是一種nd：yag半導(dǎo)體激光器，以實(shí)現(xiàn)相對強(qiáng)度噪聲小的光信號輸出；電光調(diào)制器是一種外調(diào)制的mach-zenhder型linbo3強(qiáng)度調(diào)制器，以實(shí)現(xiàn)大調(diào)制帶寬；光放大器是一種工作在飽和狀態(tài)的摻鉺光纖放大器，以實(shí)現(xiàn)光路的高增益和抑制鏈路相位噪聲；此外，光放大器、電放大器的增益在一定范圍內(nèi)可通過外部控制信號調(diào)整，光放大器、電放大器的增益控制相互獨(dú)立，激光器、電光調(diào)制器、光放大器、光學(xué)微腔和光電探測器直接安裝在光電振蕩器裝置的金屬殼體上，以實(shí)現(xiàn)良好的散熱和抗振性，光互連采用標(biāo)準(zhǔn)接口的光纖。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，光學(xué)微腔是由光腔輸入耦合裝置、微球腔和光腔輸出耦合裝置組成，其中，光腔輸入耦合裝置、微球腔和光腔輸出耦合裝置采用時(shí)域有限差分法精確仿真和設(shè)計(jì)制成，以實(shí)現(xiàn)光信號的輸入、延遲儲能和輸出。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，微球腔是一種回音壁模微球腔，且微球腔的腔體材料屬于介質(zhì)材料。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，微球腔是采用光纖高溫熔融冷卻法制備，采用兩只co2激光器相向放置，兩光束經(jīng)透鏡聚焦和對準(zhǔn)后聚焦在光纖上，將光纖局部加熱至融化，經(jīng)光纖上預(yù)加的拉力作用，形成光纖錐；精密調(diào)整光纖錐進(jìn)入聚焦點(diǎn)，通過熔融使玻璃光纖錐融成微球腔。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，光電探測器是一種pin型光電探測器，以實(shí)現(xiàn)微波信號的大帶寬、高靈敏探測和匹配輸出。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，電放大器是一種低噪聲高線性放大器，以在提供適當(dāng)鏈路增益的前提下，降低電鏈路的相位噪聲，且電放大器、電濾波器、電耦合器在同一塊介質(zhì)基板上布線安裝，采用集成化的mmic器件，電信號互連采用板上微帶線形式，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕小型。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，電濾波器是一種微波窄帶、低插損帶通濾波器，以實(shí)現(xiàn)單模起振和輸出。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，電耦合器是一種四端口器件，其中1個(gè)端口接匹配負(fù)載，電耦合器直通主路輸出端口用于電光調(diào)制器的反饋調(diào)制，形成光電混合反饋環(huán)路，耦合器的耦合支路輸出端口用于既定微波振蕩信號的輸出。

本發(fā)明還提供一種光學(xué)微腔制作方法，包括以下步驟：

步驟s1，制作錐形光纖；構(gòu)建一套光纖拉錐系統(tǒng)，在氫氧焰的加熱下，通過兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，將光纖拉細(xì)，錐度控制在1度以內(nèi)，錐腰直徑在3微米以下；

步驟s2，制作微球腔；搭建一個(gè)基于co2激光器的光纖熔融裝置，采用兩只co2激光器相向放置，兩光束經(jīng)透鏡聚焦和對準(zhǔn)后聚焦在光纖上，將光纖局部加熱至融化，經(jīng)光纖上預(yù)加的拉力作用，形成光纖錐；精密調(diào)整光纖錐進(jìn)入聚焦點(diǎn)，通過熔融使玻璃光纖錐融成微球腔，直徑控制在10～600um；

步驟s3，制作光腔輸入耦合裝置、光腔輸出耦合裝置；采用精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配合顯微鏡觀察光纖與微球腔相對位置、微球腔表面光散射，在入射光纖中采用可調(diào)諧激光器掃描激光波長，檢測出射光纖中光譜；在輸出強(qiáng)度較大、譜線寬度合適時(shí)固定微球腔和光纖的相對位置，則光纖的一端為光學(xué)微腔的光腔輸入耦合裝置，另一端為光腔輸出耦合裝置。

本發(fā)明提供的光電振蕩器為陣列雷達(dá)用光電振蕩器，通過運(yùn)用光電混合振蕩技術(shù)、高q值的回音壁模微球腔技術(shù)、光電混合鏈路降噪技術(shù)、光電阻抗匹配技術(shù)、鏈路增益調(diào)整、單模起振技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光電振蕩器的超低相噪；采用錐形光纖耦合技術(shù)、光纖高溫熔融燒結(jié)技術(shù)、高集成單片化、單板化、模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)、光電阻抗匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光電振蕩器的輕小型、高穩(wěn)定和高可靠。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的輕小型超低相噪光電振蕩器內(nèi)部的連接示意圖；

圖2為圖1中光路部分的連接示意圖；

圖3為圖1中電路部分的連接示意圖；

圖4為圖1中光學(xué)微腔耦合方式原理示意圖；

圖5為圖1中光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例的輕小型超低相噪光電振蕩器的外部接口示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)微腔制作方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明實(shí)施例基于光電混合振蕩原理，采用光學(xué)微腔技術(shù)、光電混合鏈路降噪技術(shù)、鏈路增益調(diào)整技術(shù)、高集成設(shè)計(jì)技術(shù)、光電阻抗匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光電振蕩器的超低相噪、輕小型和高穩(wěn)定。因而本發(fā)明所提供的光電振蕩器具有超低相噪、輕小型、高穩(wěn)定、高可靠的特質(zhì)。

本發(fā)明提供一種輕小型超低相噪光電振蕩器。圖1為光電振蕩器內(nèi)部的連接示意圖。主要包括光路部分和電路部分，光路部分用以實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換和在光域內(nèi)形成振蕩，電路部分用以構(gòu)成振蕩環(huán)路并給回路提供適當(dāng)增益。本發(fā)明的一種輕小型超低相噪光電振蕩器裝置包括激光器1、電光調(diào)制器2、光放大器3、光學(xué)微腔4、光電探測器5、電放大器6、電濾波器7和電耦合器8。激光器1輸出的光信號經(jīng)電光調(diào)制器2調(diào)制輸出，再經(jīng)光放大器3進(jìn)行光信號放大，再由光學(xué)微腔4進(jìn)行光延遲、光儲能，再由光電探測器5進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號在電域進(jìn)行電放大器6、電濾波器7再經(jīng)電耦合器8；其中，電耦合器8直通主路輸出用于電光調(diào)制器2的反饋調(diào)制，形成光電混合反饋環(huán)路；電耦合器8的耦合支路輸出所需的超低相噪微波振蕩信號。

圖2為光電振蕩器光路部分的連接示意圖。光路部分主要由激光器1、電光調(diào)制器2、光放大器3、光學(xué)微腔4、光電探測器5等組成。微波信號經(jīng)電光調(diào)制器2后，以光波作為載波，經(jīng)光學(xué)微腔4進(jìn)行光延遲、光儲能后，再經(jīng)光電探測器5后轉(zhuǎn)化為微波信號。此部分光路對外共有4個(gè)接口，1個(gè)電壓輸入口vcc-in1，用于電光調(diào)制器2的偏置和工作狀態(tài)調(diào)整；1個(gè)sma型電輸入口rfin1，信號來自電路部分的輸出rf信號，用于提供電光調(diào)制器2的電反饋；1個(gè)調(diào)諧輸入口tune-in1，用于光放大器3的增益調(diào)整；1個(gè)電輸出口pd-out1。其中，激光器1是一種nd：yag半導(dǎo)體激光器，以實(shí)現(xiàn)相對強(qiáng)度噪聲小的光信號輸出；電光調(diào)制器2是一種外調(diào)制的mach-zenhder型linbo3強(qiáng)度調(diào)制器，以實(shí)現(xiàn)大調(diào)制帶寬；光放大器3是一種工作在飽和狀態(tài)的摻鉺光纖放大器，以實(shí)現(xiàn)光路的高增益和抑制鏈路相位噪聲；光學(xué)微腔4實(shí)現(xiàn)光信號的輸入、延遲和輸出；光電探測器5是一種輸出50歐姆阻抗的pin型光電探測器，以實(shí)現(xiàn)微波信號的大帶寬、高靈敏探測和匹配輸出。

圖3為光電振蕩器的電路部分的連接示意圖。電路部分主要由電放大器6、電濾波器7、電耦合器8組成，主要功能是構(gòu)成振蕩的電環(huán)路和給振蕩回路提供足夠的增益。此部分電路對外共有4個(gè)接口，1個(gè)電壓輸入口vcc-in2，用于電放大器6的工作偏置和增益調(diào)整；1個(gè)sma型電輸入口rfin2，rfin2與光路部分的輸出信號pd-out1相連，用于構(gòu)造光電回路；2個(gè)電輸出口，rfout1作為電耦合器8的直通支路信號(與光路部分中rfin1相連)輸出后反饋給電光調(diào)制器形成環(huán)路，rfout2作為耦合器8的耦合支路輸出所需的超低相噪微波信號。其中，電放大器6是一種低噪聲(nf≤3db)高線性放大器，以降低電路的相位噪聲；電濾波器7是一種微波窄帶(3db帶寬≤30m)、低插損帶通濾波器，以實(shí)現(xiàn)單模起振；電耦合器8是一種四端口器件，其中1個(gè)端口接匹配負(fù)載，耦合器直通主路用于電光調(diào)制器的反饋調(diào)制，形成光電混合反饋環(huán)路，耦合器的耦合支路用于超低相噪微波振蕩信號的輸出。

光學(xué)微腔腔內(nèi)場模式屬于回音壁模場，當(dāng)光在光學(xué)微腔內(nèi)傳播時(shí)，通過光學(xué)微腔表面不斷的發(fā)生全反射，光學(xué)微腔將光約束在赤道平面附近并沿大圓繞行，當(dāng)滿足相位匹配條件時(shí)，會激發(fā)出特有的回音壁模式，一部分能量以倏逝波的形式滲透到微腔的外面?zhèn)鬏敗?/p>

圖4為光學(xué)微腔的耦合方式原理示意圖。光學(xué)微腔4由光腔輸入耦合裝置9、微球腔10和光腔輸出耦合裝置11組成，以實(shí)現(xiàn)光信號的輸入、延遲和輸出。直接光照因效率很低而無法激發(fā)出微腔的回音壁模，需要采用倏逝波耦合，即利用一個(gè)全反射器件產(chǎn)生的倏逝波與微腔的回音壁模式的倏逝波交疊來產(chǎn)生模式耦合。當(dāng)激光通過全反射器件耦合進(jìn)微腔時(shí)，只有特定波長的光滿足相位匹配條件，可以不斷的耦合進(jìn)微腔并疊加，產(chǎn)生很高的能量密度及q值。常用耦合方式有三種，分別為棱鏡耦合、傾角光纖耦合和錐形光纖耦合；棱鏡耦合方式高效，但裝置尺寸很大；傾角光纖容易激發(fā)出基模，但耦合效率低，尺寸也在毫米量級；錐形光纖耦合效率最高，可以達(dá)到99％以上，尺寸為微米量級，具有效率高、尺寸小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，非常適合高q值微球腔的模式激發(fā)。圖4為本發(fā)明使用的錐形光纖耦合方式原理圖。

圖5為微腔-光纖耦合系統(tǒng)示意圖。微球腔10粘接在一個(gè)可實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動調(diào)節(jié)的平臺上，光纖12粘貼在壓電片13上。設(shè)計(jì)的三維運(yùn)動調(diào)節(jié)平臺的調(diào)節(jié)精度約為1微米，而粘貼在壓電片13上的光纖12的位移精度可達(dá)到納米量級，這樣，對于光纖-微球腔的耦合間距，可以實(shí)現(xiàn)了納米量級的精密調(diào)節(jié)。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例的輕小型超低相噪光電振蕩器的外部接口示意圖。對外接口有3個(gè)，包括：1個(gè)電輸出接口，用于微波振蕩信號輸出；1個(gè)光輸出接口，用于回路中光信號的輸出和監(jiān)測；1個(gè)低頻控制接口，用于供電、調(diào)諧控制信號、故障監(jiān)測信號的傳輸。

本發(fā)明還提供一種光學(xué)微腔制作方法，如圖7所示，包括以下步驟：

步驟s1，制作錐形光纖；構(gòu)建一套光纖拉錐系統(tǒng)，在氫氧焰的加熱下，通過兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，將光纖拉細(xì)，錐度控制在1度以內(nèi)，錐腰直徑在3微米以下；

步驟s2，制作微球腔；搭建一個(gè)基于co2激光器的光纖熔融裝置，采用兩只co2激光器相向放置，兩光束經(jīng)透鏡聚焦和對準(zhǔn)后聚焦在光纖上，將光纖局部加熱至融化，經(jīng)光纖上預(yù)加的拉力作用，形成光纖錐；精密調(diào)整光纖錐進(jìn)入聚焦點(diǎn)，通過熔融使玻璃光纖錐融成微球腔，直徑可以控制在10～600um；

步驟s3，制作光腔輸入耦合裝置、光腔輸出耦合裝置；采用精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配合顯微鏡觀察光纖與微球腔相對位置、微球腔表面光散射，在入射光纖中采用可調(diào)諧激光器掃描激光波長，檢測出射光纖中光譜；在輸出強(qiáng)度較大、譜線寬度合適時(shí)固定微球腔和光纖的相對位置，則光纖的一端為光學(xué)微腔的光腔輸入耦合裝置，另一端為光腔輸出耦合裝置。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種光電振蕩器裝置，至少能夠帶來以下有益效果。

1、本發(fā)明綜合運(yùn)用光電混合振蕩技術(shù)、高q值的回音壁模微球腔技術(shù)、光電混合鏈路降噪技術(shù)、光電阻抗匹配技術(shù)、鏈路增益調(diào)整技術(shù)和單模起振技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光電振蕩器在x及其以上波段的相位噪聲指標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)有傳統(tǒng)產(chǎn)生方式2個(gè)數(shù)量級以上。因而本發(fā)明所提供的光電振蕩器具有超低相噪的特質(zhì)。

2、本發(fā)明采用錐形光纖耦合技術(shù)、光纖高溫熔融燒結(jié)技術(shù)、高集成單片化、單板化、模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)、光電阻抗匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光電振蕩器的輕小型和高穩(wěn)定。因而本發(fā)明所提供的光電振蕩器具有輕小型、高穩(wěn)定、高可靠的特質(zhì)。

3、本發(fā)明采用光學(xué)微腔代替光纖，采用鏈路降噪設(shè)計(jì)技術(shù)，突破了回音壁模微腔及其耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造難題，解決傳統(tǒng)光電振蕩器的長光纖延時(shí)易受溫度影響，使起振模式發(fā)生改變造成輸出頻率不穩(wěn)定；且光纖體積較大，難以集成，不能實(shí)現(xiàn)輕小型化的問題。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求極其等同限定。