一种高稳定性可调光电振荡器及其振荡频率稳定方法

1.本发明涉及微波光子学技术领域，特别是涉及一种高稳定性可调光电振荡器及其振荡频率稳定方法。


背景技术：

2.随着高频电子系统及现代无线通信的快速发展，这些电子与通信系统对振荡器产生信号的频率范围、频率稳定度、相位噪声等的要求越来越高。光电振荡器采用光电混合反馈闭环技术，将激光器能量转化为微波信号能量，能产生高频率、宽带、低相位噪声的高品质信号，并具有可调谐性，是高频电子与通信系统理想的信号源装置。
3.在光电振荡器中，长光纤构成的光电谐振腔易受环境温度和振动影响，从而引起长度变化导致光电振荡器的近端相位噪声恶化、输出频率漂移，甚至发生跳模现象。作为微波源，光电振荡器的频率稳定性和相位噪声性能是至关重要的。
4.因此，亟需一种高稳定性可调光电振荡器，在保证基于相移光纤光栅的光电振荡器频率可调情况下，稳定光电振荡器的振荡频率，使光电振荡器在温度变化环境下能够长期稳定工作。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高稳定性可调光电振荡器及其振荡频率稳定方法，以解决上述现有技术存在的问题，在保证基于相移光纤光栅的光电振荡器频率可调情况下，稳定光电振荡器的振荡频率，使光电振荡器在温度变化环境下长期稳定工作。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种高稳定性可调光电振荡器，包括振荡环路和反馈补偿环路，所述振荡环路用于生成微波信号，所述反馈补偿环路，用于补偿外界环境因素对所述振荡环路的输出频率产生的影响。
7.可选地，所述振荡环路包括激光源，所述激光源与偏振控制器、第一光耦合器依次连接，所述第一光耦合器的输出端一路连接光移相器的输入端，所述第一光耦合器的输出端另一路依次连接相位调制器、马赫增德尔调制器、长光纤、第二光耦合器、光隔离器、相移光纤光栅，所述光移相器的输出端、所述相移光纤光栅的输出端均与第三光耦合器的输入端连接，所述第三光耦合器的输出端、第一光电探测器、第一微波放大器、微波功分器依次连接，所述微波功分器的一个输出端连接所述相位调制器的射频输入端，所述微波功分器的另一个输出端为所述光电振荡器的微波信号输出端。
8.可选地，所述反馈补偿环路包括外部参考源，所述外部参考源的一个输出端连接马赫增德尔调制器的射频输入端，所述马赫增德尔调制器的光输出端通过长光纤与第二光耦合器的输入端连接，所述第二光耦合器的输出端与第二光电探测器的输入端连接，所述第二光电探测器的输出端与第二微波放大器的输入端连接，所述第二微波放大器的输出端与鉴相模块的本振输入端连接，所述外部参考源的另一个输出端与所述鉴相模块的射频输入端连接，所述鉴相模块的输出端通过控制器与所述光移相器连接。
9.可选地，所述鉴相模块包括鉴相器和低通滤波器，所述鉴相器用于比较所述外部参考源的输出端信号和所述第二微波放大器的输出端信号，鉴相器的输出端信号通过低通滤波器滤波后输出电压误差信号。
10.可选地，所述控制器包括模数转换模块和控制单元，所述模数转换模块将所述鉴相模块的输出电压误差信号转换为数字信号，所述控制单元对所述数字信号进行处理并控制所述光移相器移相。
11.可选地，所述控制单元采用fpga或单片机。
12.可选地，所述激光源为可调谐激光源。
13.还提供一种高稳定性可调光电振荡器的振荡频率稳定方法，包括：
14.激光源输出光通过相位调制器、马赫增德尔调制器进行信号调制，形成包含相位调制和强度调制的调制光信号；所述调制光信号经过相移光纤光栅进行光子滤波，被光子滤波的所述调制光信号和经过光移相器的光载波通过第三光耦合器进行光耦合，实现光电振荡器的振荡频率可调；
15.将外部参考源的第一输出信号注入马赫增德尔调制器的射频输入端，通过马赫增德尔调制器调制一个远离光电振荡器输出频率的参考信号，所述参考信号通过长光纤、第二光耦合器后输入第二光电探测器，所述第二光电探测器对所述参考信号进行拍频恢复，输出射频信号，所述射频信号经过第二微波放大器输入鉴相模块，所述外部参考源的第二输出信号输入所述鉴相模块；
16.所述鉴相模块比较所述第二输出信号和所述射频信号相位，获得电压误差信号，控制器对所述电压误差信号进行处理，并根据处理结果控制光移相器改变相位，补偿因外界环境因素造成所述光电振荡器的相位变化，保持振荡频率稳定。
17.本发明公开了以下技术效果：
18.本发明提供的一种高稳定性可调光电振荡器及其振荡频率稳定方法，该光电振荡器包括振荡环路和反馈补偿环路，振荡环路中使用第三光耦合器把相移光纤光栅的透射光信号和光移相器的输出光载波进行光耦合，输出的光信号包含上或下边带和已移相的光载波，由此可以通过改变激光源输出光的波长，改变相移光纤光栅的透射光信号频率，从而实现光电振荡器的振荡频率可调，反馈补偿环路中的鉴相模块比较外部参考源的输出信号和第二光电探测器的输出信号的相位获得电压误差信号，控制器对电压误差信号进行处理后控制光移相器改变相位，进而补偿因外界环境因素变化而变化的相位，通过持续检测电压误差信号，由此反馈控制光移相器，维持光电振荡器长期稳定工作，从而在保证基于相移光纤光栅的光电振荡器频率可调情况下，稳定光电振荡器的振荡频率，使光电振荡器在温度变化环境下能够长期稳定工作。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例中高稳定性可调光电振荡器结构示意图；
21.图2为本发明实施例中鉴相模块的结构示意图；
22.图3为本发明实施例中控制器的结构示意图；
23.图4为本发明实施例中高稳定性可调光电振荡器0ghz-10ghz范围内的频谱处理图；
24.图5为本发明实施例中高稳定性可调光电振荡器10ghz-20ghz范围内的频谱处理图；
25.图6为本发明实施例中无反馈补偿的高稳定性可调光电振荡器频谱处理图。
26.图7为本发明实施例中反馈补偿下的高稳定性可调光电振荡器频谱处理图。
27.其中，1为激光源、2为偏振控制器、3为第一光耦合器、4为相位调制器、5为马赫增德尔调制器、6为长光纤、7为第二光耦合器、8为光隔离器、9为相移光纤光栅、10为光移相器、11为第三光耦合器、12为第一光电探测器、13为第一微波放大器、14为微波功分器、15为外部参考源、16为第二光电探测器、17为第二微波放大器、18为鉴相模块、19为控制器、20为鉴相器、21为低通滤波器、22为模数转换模块、23为单片机。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.本发明提供一种高稳定可调光电振荡器，如图1所示。该光电振荡器包括振荡环路和反馈补偿环路，其中，振荡环路用于生成微波信号，反馈补偿环路用于补偿外界环境因素对振荡环路的输出频率产生的影响。
31.振荡环路包括激光源1、偏振控制器2、第一光耦合器3、相位调制器4、马赫增德尔调制器5、长光纤6、第二光耦合器7、光隔离器8、相移光纤光栅9、光移相器10、第三光耦合器11、第一光电探测器12、第一微波放大器13、微波功分器14，具体的，激光源1的输出端连接偏振控制器2的输入端，偏振控制器2的输出端连接第一光耦合器3的输入端，第一光耦合器3的一路输出端连接光移相器10的输入端，第一光耦合器3的另一路输出端连接相位调制器4的光输入端，相位调制器4的光输出端连接马赫增德尔调制器5的光输入端，马赫增德尔调制器5的光输出端连接长光纤6的输入端，长光纤6的输出端连接第二光耦合器7的输入端，第二光耦合器7的一路输出端连接第二光电探测器16的输入端，第二光电探测器16的输出端连接第二微波放大器17的输入端，第二光耦合器7的另一路输出端连接光隔离器8的输入端，光隔离器8的输出端连接相移光纤光栅9的输入端，光移相器10的输出端和相移光纤光栅9的输出端分别连接第三光耦合器11的两个输入端，第三光耦合器11的输出端连接第一光电探测器12的输入端，第一光电探测器12的输出端连接第一微波放大器13的输入端，第一微波放大器13的输出端连接微波功分器14的输入端，微波功分器14的一个输出端连接相位调制器4的射频输入端，微波功分器14的另一个输出端为该相移光纤光栅光电振荡器的微波信号输出端。
32.反馈补偿环路包括外部参考源15、马赫增德尔调制器5、第二光电探测器16、第二微波放大器17、鉴相模块18、控制器19和光移相器10，具体的，外部参考源是一个远离光电振荡器振荡频率的高稳定信号源，作为光电振荡器的探测信号，获取外部环境因素对光电振荡环路的干扰信息，外部参考源15的一个输出端连接马赫增德尔调制器5的射频输入端，马赫增德尔调制器5的光输出端通过长光纤6与第二光耦合器7的输入端连接，第二光耦合器7的输出端与第二光电探测器16的输入端连接，第二光电探测器16的输出端与第二微波放大器17的输入端连接，外部参考源15的另一个输出端和第二微波放大器17的输出端分别与鉴相模块18的射频输入端、本振输入端连接，鉴相模块18的输出端的电压误差信号传输到控制器19，由控制器19控制光移相器10移相，用以补偿外界环境因素对相移光纤光栅光电振荡器输出频率的影响。
33.进一步优化方案，如图2所示，鉴相模块18包括鉴相器20和低通滤波器21，鉴相器20用于比较所述外部参考源15的输出端信号和所述第二微波放大器17的输出端信号，鉴相器20的输出端信号通过低通滤波器21滤波后输出电压误差信号。
34.进一步优化方案，如图3所示，控制器19包括模数转换模块22和控制单元，所述模数转换模块22将所述鉴相模块18的输出电压误差信号转换为数字信号，所述控制单元对所述数字信号进行处理并控制所述光移相器10移相，控制单元采用fpga或单片机23。
35.进一步优化方案，激光源1为可调谐激光源。
36.本实施例还提供了一种可调光电振荡器的振荡频率稳定方法，包括：
37.设激光源1输出光的波长稳定，忽略相位调制器4、马赫增德尔调制器5的高阶边带，第三光耦合器11输出端的光信号表示为如式(1)所示：
[0038][0039]
其中，e0为激光源1输出光的强度；t(ωc ω
rf
)为相移光纤光栅9的透射系数，ωc为激光源1输出光的角频率，ω
rf
为光电振荡器振荡信号的角频率；j0(
·
)为第一类零阶贝塞尔函数；j1(
·
)为第一类一阶贝塞尔函数；α＝πv
rf
/v
π1
，v
rf
为光电振荡器振荡信号的幅度，v
π1
为相位调制器4的半波电压；β＝πv
ref
/v
π2
，v
ref
为外部参考源15输出信号的幅度，v
π2
为马赫增德尔调制器5的半波电压；τ为长光纤6引起的延迟时间；为光移相器10引起的相位变化；
[0040]
相移光纤光栅9透射系数t(ω)可以表示为如式(2)所示：
[0041][0042]
其中，κ＝ωδn/(2c)，ω为相移光纤光栅9入射光信号的角频率，δn是相移光纤光栅9的折射率变化量，c为真空中的光速；δ＝n
eff
(ω-ωb)/c，n
eff
为相移光纤光栅9的有效折射率，ωb为布拉格波长的角频率；γ2＝κ
2-δ2；κ为交流耦合系数；δ为直流自耦合系数；l为相移光纤光栅9的长度；sinh是双曲正弦函数。
[0043]
由(1)、(2)式分析可知，通过改变激光源1输出光的波长，可以控制透过相移光纤光栅9光信号的频率，第三光耦合器11把相移光纤光栅9的透射光信号和光移相器10的输出光载波进行光耦合，完成相位调制到强度调制的转换，即第三光耦合器11的输出端光信号
包含上或下边带和已移相的光载波，由此可以通过改变激光源1输出光的波长实现光电振荡器的振荡频率可调。当相移光纤光栅9陷波中心波长为1549.983nm，3db带宽约为20mhz，长光纤6的长度为38m，长光纤6的折射率为1.46，调节激光源1输出光的波长为1549.955nm到1550.002m，所述光电振荡器的输出微波信号频率为2.12ghz-7.99ghz，调谐步长约为2ghz，如图4所示；调节激光源1输出光的波长为1550.033nm到1550.083m，所述光电振荡器的输出微波信号频率为11.90ghz-18.10ghz，调谐步长约为2ghz，如图5所示。从图4、图5可知，通过调节激光源1输出光的波长实现光电振荡器的可调谐，调谐范围为2.12ghz-18.10ghz。
[0044]
系统正常工作时，外部参考源15的输出信号和第二光电探测器16的输出信号的相位保持一致；当光电振荡器的输出频率受外界环境因素变化而发生漂移时，第一光电探测器12输出端的射频信号表示为如式(3)所示：
[0045][0046]
其中，v
pd1
(t)为第一光电探测器12输出的射频信号；r1为第一光电探测器12的响应度；τ为长光纤6引起的延迟时间，δτ为长光纤6因外界环境因素变化所引起的时延抖动；ωc为激光源1输出光的角频率，ω
rf
为光电振荡器振荡信号的角频率；j0(
·
)为第一类零阶贝塞尔函数；j1(
·
)为第一类一阶贝塞尔函数；
[0047]
将外部参考源15的第一输出信号注入马赫增德尔调制器5的射频输入端，通过马赫增德尔调制器5调制一个远离光电振荡器输出频率的参考信号，参考信号通过长光纤6、第二光耦合器7后使用第二光电探测器16拍频恢复，第二光电探测器16输出端的射频信号表示为如式(4)所示：
[0048]vref
(t)
∝
r2j
02
(α)j0(β)j1(β)cos[ω
ref
(t τ δτ)]
ꢀꢀꢀ
(4)
[0049]
其中，v
ref
(t)为第二光电探测器16输出的射频信号；r2为第二光电探测器16的响应度；j0(
·
)为第一类零阶贝塞尔函数；j1(
·
)为第一类一阶贝塞尔函数；τ为长光纤6引起的延迟时间，δτ为长光纤6因外界环境因素变化所引起的时延抖动；ω
ref
为外部参考源15输出信号的角频率。
[0050]
由(3)、(4)式可知，第二光电探测器16输出端的射频信号会携带长光纤6随外界环境因素变化所引起的时延抖动信息，鉴相模块18通过比较外部参考源15的输出信号和第二光电探测器16的输出信号的相位获得电压误差信号，控制器19对电压误差信号进行处理后控制光移相器10改变相位，补偿由于外界环境因素变化而变化的相位，通过持续检测电压误差信号，由此反馈控制光移相器10，维持光电振荡器长期稳定工作；
[0051]
如图6所示，设置激光源1输出光的波长为1550.000nm，相移光纤光栅9陷波中心波长为1549.983nm，3db带宽约为20mhz，长光纤6的长度为38m，长光纤6的折射率为1.46，由此参数光电振荡器输出信号频率为7.376ghz。以外界环境温度0℃作为基准温度，当外界环境温度变化-10℃、 25℃、 50℃时，长光纤6引起的延迟时间会发生变化，引起光电振荡器的振荡频率跳模或漂移，外界环境温度变化-10℃，振荡频率偏移0.59mhz，温度变化 25℃，振荡频率偏移1.24mhz，温度变化 50℃，振荡频率偏移2.48mhz。
[0052]
如图7所示，当光电振荡器的输出频率因外界温度变化而发生振荡频率漂移，鉴相模块18通过比较外部参考源15的输出信号和第二光电探测器16的输出信号的相位获得电压误差信号，控制器19对电压误差信号进行处理，控制光移相器10改变相位，进而补偿因外
界环境因素变化而变化的相位。通过相位补偿，当外界环境温度变化-10℃、 25℃、 50℃时，振荡频率偏移均小于0.5khz，即采用本发明提供的技术方案可实现基于相移光纤光栅的光电振荡器频率可调情况下，稳定光电振荡器的振荡频率。
[0053]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0054]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。