光电振荡器的振动噪声抑制装置及光电振荡器的制作方法

1.本实用新型涉及一种光电振荡器的振动噪声抑制装置，属于微波光子技术领域。


背景技术：

2.光电振荡器(optoelectronic oscillator,oeo)是近些年兴起的一种利用光电混合手段实现的新型振荡器，利用高品质因数的长光纤作为储能介质实现超低相噪的微波信号输出。相比于传统的基于电子学和声学储能模块的微波振荡器，光电振荡器可以产生数mhz到数百ghz的高纯度微波或毫米波信号，相位噪声理论上可接近量子极限，因而是一种非常理想的高性能微波振荡器。但是，由于光电振荡器的高精密性，其工作性能极易受到外界环境因素的影响，影响系统的可靠性，其中的典型环境就是振动环境。光电振荡器所受的振动来源主要分成两个部分，其中之一是通过结构件传递的物理振动，另一个则是外界噪声在器件表面激起的物理振动。在整个光电振荡环路中，受到影响最大的器件就是作为储能介质的长光纤，外界振动会改变其长度或者直径，影响传输信号的群时延，从而造成相位噪声指标上的恶化现象，因此需要进行振动抑制。常见的振动抑制方法主要有两种，一种是通过独特的抗振材料或者结构进行被动减振，另一种则是通过控制结构进行主动减振。常用的主动减振方法一般是通过传感器探测各个方向的加速度大小，再结合光纤对振动的敏感度使用移相器进行噪声的消除(a.hati et al.,“vibration sensitivity of microwave components,”proc.ieee int.freq.control symp.expos.,2007,pp.541
‑
546)。该方法虽然能提升传输信号的相噪指标，但是提升幅度不大，而且对于声音产生的物理振动无法进行抑制，对于多频率的振动源抑制效果也不明显。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种光电振荡器的振动噪声抑制装置，可以低成本地提高光电振荡器在振动环境中工作的有效性。
4.本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
5.一种光电振荡器的振动噪声抑制方法，在光电振荡环路中电光调制器输出的调制光信号中加入由不同波长的光载波经微波信号调制而成的参考光信号，并令两束光信号以波分复用的方式经由所述光电振荡环路中的长光纤传输；在所述长光纤的另一端对两束光信号进行解复用后分别进行光电转换，将其中参考光信号转换得到的电信号与所述微波信号进行混频得到噪声信号，调制光信号转换得到的电信号为含噪振荡射频信号；将含噪振荡射频信号和噪声信号进行时域匹配后进行噪声信号的相位对消，得到振动噪声抑制后的振荡射频信号。
6.优选地，所述噪声信号的相位对消具体通过以下方法实现：以时域匹配后的噪声信号作为电控移相器的控制信号，通过所述电控移相器来对时域匹配后的振荡射频信号进行移相处理。
7.优选地，通过光环形器和反射光栅实现所述解复用，所述反射光栅的反射波长与
参考光信号波长相同。
8.优选地，通过光耦合器或波分复用器在所述调制光信号中加入参考光信号。
9.基于相同的发明构思还可以得到以下技术方案：
10.一种光电振荡器的振动噪声抑制装置，所述装置包括：
11.参考光模块，用于生成由与光电振荡环路中电光调制器输出的调制光信号波长不同的光载波经微波信号调制而成的参考光信号；
12.波分复用模块，用于将所述参考光信号加入所述调制光信号并令两束光信号以波分复用的方式经由所述光电振荡环路中的长光纤传输；
13.解复用模块，用于在所述长光纤的另一端对两束光信号进行解复用；
14.两个光电探测器，用于对解复用后的两束光信号分别进行光电转换，其中调制光信号转换得到的电信号为含噪振荡射频信号；
15.微波混频器，用于将解复用后的参考光信号转换得到的电信号与所述微波信号进行混频得到噪声信号；
16.时域匹配模块，用于将含噪振荡射频信号和噪声信号进行时域匹配；
17.相位对消模块，用于对时域匹配后的含噪振荡射频信号和噪声信号进行噪声信号的相位对消，得到振动噪声抑制后的振荡射频信号。
18.优选地，所述相位对消模块为控制端和输入端分别接噪声信号和含噪振荡射频信号的电控移相器。
19.优选地，所述解复用模块包括光环形器和反射光栅，所述反射光栅的反射波长与参考光信号波长相同。
20.优选地，所述波分复用模块为光耦合器或波分复用器。
21.一种光电振荡器，包括光电振荡环路，还包括如上任一技术方案所述振动噪声抑制装置。
22.相比现有技术，本实用新型技术方案具有以下有益效果：
23.本实用新型对物理件传递的物理振动和声音在光纤表面引起的物理振动均能起到抑制效果，且抑制效果良好；本实用新型结构简单，反应迅速且控制精确。
附图说明
24.图1为传统oeo的结构示意图；
25.图2是本实用新型oeo一个具体实施例的结构示意图。
26.图3是本实用新型oeo与传统oeo的噪声对比实验结果图。
具体实施方式
27.下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明：
28.典型的oeo如图1所示，包括激光源以及由电光调制器、长光纤、光电探测器、电放大器和电滤波器组成的光电反馈环路。由于光纤具有极低的传输损耗(0.2db/hz)，其作为延时介质可以存储大量能量，大大提升链路品质因数。相比于传统的基于电子学和声学储能单元的微波振荡器，光电振荡器可以产生数mhz到数百ghz的高纯度微波或毫米波信号，相位噪声理论上逼近量子极限，是一种非常理想的高性能微波振荡器。但是光电振荡器在
振动环境下相位噪声恶化严重，其中受到影响最大的部件是作为储能介质的长光纤。在物理或者声音振动的影响下，光纤表面受到的应力导致局部光纤发生长度或者直径的变化，影响传输群时延，进而使光电振荡器中心频率发生偏移，影响相位噪声指标；在严重状态下，甚至会造成振荡器大范围失锁。
29.针对这一问题，本实用新型的解决思路是使用不同波长的参考光信号在光电振荡环路中的同一根长光纤中传输，并根据参考光信号上的振动噪声信息对光电振荡信号进行优化。
30.本实用新型所提出的光电振荡器的振动噪声抑制方法，具体如下：在光电振荡环路中电光调制器输出的调制光信号中加入由不同波长的光载波经微波信号调制而成的参考光信号，并令两束光信号以波分复用的方式经由所述光电振荡环路中的长光纤传输；在所述长光纤的另一端对两束光信号进行解复用后分别进行光电转换，将其中参考光信号转换得到的电信号与所述微波信号进行混频得到噪声信号，调制光信号转换得到的电信号为含噪振荡射频信号；将含噪振荡射频信号和噪声信号进行时域匹配后进行噪声信号的相位对消，得到振动噪声抑制后的振荡射频信号。
31.本实用新型所提出的光电振荡器的振动噪声抑制装置，所述装置包括：参考光模块，用于生成由与光电振荡环路中电光调制器输出的调制光信号波长不同的光载波经微波信号调制而成的参考光信号；
32.波分复用模块，用于将所述参考光信号加入所述调制光信号并令两束光信号以波分复用的方式经由所述光电振荡环路中的长光纤传输；
33.解复用模块，用于在所述长光纤的另一端对两束光信号进行解复用；
34.两个光电探测器，用于对解复用后的两束光信号分别进行光电转换，其中调制光信号转换得到的电信号为含噪振荡射频信号；
35.微波混频器，用于将解复用后的参考光信号转换得到的电信号与所述微波信号进行混频得到噪声信号；
36.时域匹配模块，用于将含噪振荡射频信号和噪声信号进行时域匹配；
37.相位对消模块，用于对时域匹配后的含噪振荡射频信号和噪声信号进行噪声信号的相位对消，得到振动噪声抑制后的振荡射频信号。
38.其中，相位对消模块可以通过使用tec加热制冷改变光纤长度，从而改变链路相位噪声实现；或者直接使用电控移相器实现。优选地，所述相位对消模块为控制端和输入端分别接噪声信号和含噪振荡射频信号的电控移相器。
39.解复用模块可以通过频移型光开关实现，其内部有固定通带滤波器，实现波长区分；或者通过光环形器和反射光栅实现，两种波长将在反射光栅处区分割为传输和反射两路。优选地，所述解复用模块包括光环形器和反射光栅，所述反射光栅的反射波长与参考光信号波长相同。
40.所述波分复用模块可以采用光耦合器或波分复用器。
41.为了便于公众理解，下面通过一个优选实施例来对本实用新型技术方案进行进一步详细说明：
42.本实施例oeo的结构如图2所示，相比传统oeo，除原有的由电光调制器、长光纤、光电探测器、电放大器、电滤波器所组成的光电振荡环路之外，其增加了由激光器2、电光调制
器、微波源、功分器、波分复用器、环形器、fbg光栅以及一个光电探测器、一个微波混频器、一个延时器、一个电控移相器所构成的振动噪声抑制装置。
43.如图2所示，激光器1产生的光信号经电光调制器调制为调制光信号进入光电振荡环路，激光器2生成的不同波长的光载波经微波源输出的微波信号调制生成参考光信号，调制光信号和参考光信号一起输入波分复用器，两束光信号以波分复用的方式经由光电振荡环路中的长光纤传输，受到同样的振动干扰后，通过环形器和fbg光栅(其反射波长与参考光信号波长相同)所构成的解复用单元重新分成两路不同波长的光，两个光电探测器对解复用得到的两路光信号分别进行光电转换，其中上支路的调制光信号转换而成的电信号为含噪振荡射频信号，下支路的参考光信号转换而成的电信号与原始的微波信号进行混频从而复原出噪声信号；用延时器将含噪振荡射频信号和噪声信号进行时域匹配后，将时域匹配后的噪声信号输入电控移相器的控制端，将时域匹配后的振荡射频信号输入电控移相器的输入端，利用电控移相器对两者进行噪声信号的相位对消，即可得到振动噪声抑制后的振荡射频信号。
44.两束光载波经过波分复用器耦合之后的光信号可以表示为：
[0045][0046]
其中，ω1和ω2分别代表激光器1和激光器2光载波的角频率：
[0047][0048]
其中，ω
rfn
代表射频信号的角频率，v
rfn
代表射频信号的幅度，vπ代表电光调制器的半波电压。经过长光纤后引入了相位噪声n(t)，可以表示为：
[0049][0050]
经过环形器和fbg光栅后抵达光电振荡环路中的光电探测器的信号为：
[0051][0052]
其中τ1代表该支路引入的时延，通过光电探测器拍频出信号并滤除直流分量，得到含噪振荡射频信号：
[0053][0054]
同理，通过下支路中的光电探测器拍频出信号并滤除直流分量，得到：
[0055][0056]
其中τ2代表该支路引入的时延，再通过和原始的微波信号混频得到噪声信号：
[0057]
i2(t)＝e
22
cos2(n(t) τ2)
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(7)
[0058]
调节延时器使噪声信号和含噪振荡射频信号在时域上达到匹配：
[0059]
i2(t)＝e
22
cos2(n(t) τ1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0060]
最后，通过以噪声信号作为控制信号的电控移相器滤除含噪振荡射频信号中的噪声信号，还原出消除了振动噪声的光电振荡信号：
[0061][0062]
图3为本实用新型技术方案与现有技术的对比实验结果，实线代表未加入本实用新型振动噪声抑制装置时光电振荡器的相位噪声恶化情况，点划线代表加入本实用新型振
动噪声抑制装置后光电振荡器的相位噪声恶化情况。测试时保持噪声源条件相同，均为1khz频率附近复合频率源，且放置于同一位置，保持相同距离。可以观察到使用本实用新型振动噪声抑制装置后的相噪至少能优化15db左右，证明本实用新型技术方案的可行性。
[0063]
综上可知，本实用新型结构简单，所选用部件比较易得且廉价，对于物理振动和声音振动都能有效抑制，因此可以实现低成本、高精度的光电振荡器振动抑制效果。