基于相位调制的二倍频光电振荡器的装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于相位调制的可调谐二倍频光电振荡器。该发明涉及微波技术领域以及光通信技术领域，主要应用于生成微波本振信号。所述方法如附图所示，包括激光源、偏振控制器、环形器、偏振分束器、相位调制器、光耦合器、起偏器、标准单模光纤、光电探测器、可调谐带通滤波器、电放大器以及电移相器。相位调制器具有正向调制、反向不调制的特性。从环形器输出的光信号通过光耦合器分为功率相等的两路信号。其中一路反馈至相位调制器构成光电振荡器得到基频信号。另一路通过调节偏振控制器抑制光载波得到二倍频微波信号。结合可调谐带通滤波器，可得到频率可调谐的二倍频微波信号。该光电振荡器频率调谐范围较大，相位噪声较低，可同时得到基频振荡信号以及二倍频微波信号。该方案结构简单，调节灵活，不受传统强度调制方案中偏压漂移的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要涉及光通信技术中基于相位调制的二倍频光电振荡器(OEO)的装置及方法。

背景技术

随着微波光子技术在航空航天、雷达、无线通信以及电子对抗等领域的不断发展，高频、宽带可调谐的微波信号生成技术具有重要的应用价值。与传统的微波信号产生技术相比，微波信号的光子学产生技术具有高频、低相噪、宽带可调谐且不受电磁干扰的优点，而且系统结构相对简单、与其它光系统兼容、远距离覆盖能力好、传输容量大。

随着军事和民事应用的发展需要，要求未来微波系统具有大带宽、大动态范围以及高灵敏度等特点。尤其是在军事雷达以及电子对抗领域对微波系统的要求也会越来越高。同时，随着信息复杂度的提高、信息量越来越丰富，因此对信息系统的性能提出了更高、更严格的要求。其中，产生高频率、高频谱纯度、带宽可调谐以及相位噪声低的微波本振信号显得至关重要。

OEO是一种利用光子学技术产生微波本振的振荡器，能够直接产生微波、毫米波段微波本振，在雷达、电子战、精确测量等领域具有潜在应用。与传统微波振荡器相比较，OEO具有较低的相位噪声，而且相噪不随振荡频率的提高而显著增大，是微波与毫米波、甚至太赫兹波低相噪信号源的潜在选择方案。OEO能够为信息系统提供电、光两种输入方式，可与各种电子系统以及光通信、微波光子学系统兼容。

近年来，利用OEO产生微波信号以及倍频信号处理的方法得到了广泛的关注。光电振荡器一般是由光源、强度调制器、滤波器和放大器构成的一个正反馈环路。由于强度调制器的偏压漂移问题，近些年涌现了很多利用偏振调制器、偏振控制器以及起偏器等效为强度调制器的OEO方案。但这些OEO方案产生的微波毫米波信号频率范围较小，系统较为复杂，造价昂贵。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种基于相位调制器结合萨格奈克(Sagnac)环的可调谐二倍频OEO方法。利用可调谐带通滤波器实现光电振荡器的频率选择，得到低相噪的基频微波信号。另外通过简单调节偏振控制器抑制载波，从而产生频率可调谐的低相噪的二倍频微波信号。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括激光源、偏振控制器、环形器、偏振分束器、相位调制器、光耦合器、起偏器、光电探测器、可调谐带通滤波器，电移相器、电放大器以及标准单模光纤；偏振分束器的两个输出端分别与相位调制器输入与输出端相连接，构成一个Sagnac环；激光源的输出端与偏振控制器相连，该偏振控制器另一端连接环形器1端口，环形器2端口连接偏振分束器输入端；环形器3端口通过光耦合器分为功率相等的两路信号。其中一路依次连接偏振控制器、起偏器、单模光纤、光电探测器，电放大器、可调谐带通滤波器、电移相器；电移相器的输出端输入到相位调制器的射频端口，从而构成OEO。另一路依次连接另一个偏振控制器、起偏器、光电探测器。每路光电探测器的输出端可接频谱分析仪进行电信号测试。

本发明在工作时包括以下步骤：

(1)从激光源发出波长为λ的光波注入到偏振控制器中；

(2)调节偏振控制器，使偏振分束器输出两路功率相等的光信号，一路沿顺时针方向通过保偏光纤传输到相位调制器，另一路沿逆时针方向通过保偏光纤进入相位调制器；

(3)沿着顺时针方向传输的光信号将得到相位调制，由于调制器的固有特性，沿着逆时针方向传输的光信号没有得到调制，相位调制信号和光载波形成偏振复用光，从环形器3端口输出；

(4)将环形器3端口输出的光信号经过光耦合器分为功率相等的两路信号。每一路分别经过偏振控制器、起偏器后，相位调制信号与光载波干涉到一个偏振方向，形成强度调制信号。相位调制器、Sagnac环及起偏器等效于强度调制器，通过调节偏振控制器，该等效强度调制器的工作点可以任意改变；

(5)其中一路光信号通过偏振控制，起偏器输出正交点的强度调制信号，经过光纤后进入光电探测器，得到的电信号经过电放大、滤波器、移相后反馈至相位调制器的射频端口，从而构成了OEO环路。电滤波器实现选频功能，电放大器使链路获得稳定增益，满足振荡条件后产生基频信号。

(6)另一路光信号通过偏振控制，起偏器输出最小点的强度调制信号，光载波得到抑制，经过光电探测器拍频得到二倍频微波信号。

(7)通过改变可调谐电带通滤波器的中心频率，基频信号的频率发生变化，同时二倍频微波信号也随之改变。

本发明提出了一种可调谐二倍频OEO的装置。该方案利用相位调制器、Sagnac环及起偏器，结合可调谐电滤波器，实现了频率可调谐的OEO，并通过另一路偏振控制，得到了可调谐的二倍频微波信号。本发明设备简单，具有很强的实际可操作性。

由于采用了相位调制器，本发明不需要外加直流偏置电压，消除了由于偏置点漂移带来的问题。

本方案不需要光滤波器，通过简单调节施加在带通滤波器的电压可以实现光电振荡器的可调谐性，且调谐范围较大，从而生成的二倍频微波信号具有可调谐性且调谐范围较大。

附图说明

图1为本发明基于相位调制器和Sagnac环的可调谐二倍频OEO的原理图；图2为光电探测器1输出的基频信号的电谱整体图以及缩略图，(a-d)分别为振荡频率为5GHz、10GHz、15GHz、20GHz时的电谱图；图3为电放大器输的二倍频信号的电谱整体图以及缩略图，(a-d)分别为振荡频率为5GHz、10GHz、15GHz、20GHz时的电谱图；图4为基频信号以及二倍频信号的相位噪声比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：

图1为本发明基于相位调制器以及Sagnac环的可调谐二倍频OEO的原理图。如图1所示，本实施例中，装置包括：激光源、偏振控制器1、环形器、偏振分束器、相位调制器、偏振控制器2、起偏器1、偏振控制器3、起偏器2、光耦合器、标准单模光纤、可调谐带通滤波器、电移相器、电放大器、光电探测器1、光电探测器2。

本实例中，方法的具体实施步骤是：

步骤一：光源产生工作波长为1552.16nm的连续光载波，经过偏振控制器1后输入环形器1端口，环形器2端口输出光信号进入偏振分束器。调节偏振控制器1，使偏振分束器的两路输出光功率相等。

步骤二：偏振分束器一个端口出来的光信号通过保偏光纤正向进入相位调制器，得到相位调制，另一端口输出的光信号通过保偏光纤逆向进入相位调制器，没有得到有效调制，仍旧是一个光载波。正向调制的光信号和反向光载波在偏振分束器处合为偏振复用光，通过环形器3端口输出。

步骤三：从光耦合器输出的两路光信号，其中一路经过偏振调制器2后进入起偏器1，两个偏振态的光信号在起偏器处合成一束偏振光，然后经过1.98km长的标准单模光纤。光电探测器1转换增益600V/W，得到的电信号依次经过30dB电放大器、可调谐带通滤波器、电移相器，然后反馈至相位调制器的射频端口，构成光电振荡器环路。

步骤四：可调谐带通滤波器的带宽约为50MHz，调节加在滤波器上的电压，其调谐范围在3-20GHz内，实验中选择了中心频率分别为5GHz、10GHz、15GHz、20GHz进行测试。调节偏振控制器2，使起偏器1输出正交点的调制信号，图2(a-d)分别为5GHz、10GHz、15GHz、20GHz基频信号的电谱图，可以看出得到的基频信号谐波抑制比分别为47dB、44dB、36dB、34dB。

步骤五：从光耦合器输出的另一路光信号经过偏振调制器3后进入起偏器2。通过调节偏振控制器3可以实现对光载波最大程度的抑制。经过光电探测器2拍频后得到二倍频微波信号。图3(a-d)分别为10GHz、20GHz、30GHz、40GHz的二倍频信号电谱图，可以看出二倍频信号的谐波抑制比分别为38dB、40dB、40dB、45dB。

步骤六：图4(a-d)分别为5GHz、10GHz、15GHz、20GHz基频信号和对应的10GHz、20GHz、30GHz、40GHz二倍频信号的相位噪声的比较，理论上二倍频信号相位噪声会衰减6dB，从图中可以看出实验结果二者相差约为6dB。

综上，本发明由于利用了相位调制器以及Sagnac环实现了频率可调谐的OEO。结构简单易于实现，价格低廉，不受电子瓶颈影响。OEO产生的基频信号以及生成的二倍频微波信号的调谐范围较大，相位噪声很低。此外，由于采用了相位调制技术，不需要额外的直流偏置电路，消除了由于直流偏置点漂移带来的各种问题，系统稳定性好。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以增大调谐范围，光电振荡器产生的基频信号频率范围不限于3-20GHz，二倍频信号频率范围不限于6-40GHz，如果使用的光电探测器3dB带宽更大，调谐范围可以更大。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。