专利名称：基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光通信和微波领域的装置，具体是一种基于宽谱光源的可调谐的光电振荡装置。
背景技术：
低相位噪声、频率可调的微波信号，在无线通信、光载微波通信、雷达等应用中具有重要应用。其中相位噪声是衡量微波的主要的重要指标之一，它主要指短期频率稳定性。目前，市场上产生高质量微波信号的主流方案是采用石英振荡器，但是石英振荡器仅在低频处存在高Q值的振荡模式，要获取更高频率的微波信号，需要在石英振荡器后接倍频电路，通过倍频方法将微波信号转换至高频，但随着倍频次数的增加，微波信号质量将不断恶化。虽然原子钟的相位噪声可以达到-150dBc/HZ@10KHZ，但输出频率只能到几十MHz。因此，传统方案很难获得高质量、高频率且大范围可调谐的微波信号。随着光电技术的发展，加拿大渥太华大学的Jianping Yao等人首先提出了光电振荡器的概念(参见 X.S.Yao and L.Maleki, “Optoelectronic microwave oscillator, ^J.0pt.Soc.Amer.B13, 1725 - 1735, 1996)。光电振荡器一般主要组成包括:一个激光器、一个光电调制器、一段延迟器件、一个光电探测器、一个微波放大器、以及高Q值的微波带通滤波器。其工作原理是:微波放大器产生的白噪声通过光电调制器调制激光器产生的连续光，调制后的激光经过一段单模光纤延迟线后进入光电探测器转换为电信号；电信号通过电滤波器、微波放大器之后反馈回到光电调制器；由于单模光纤的延时特性，整个闭环将产生一系列频率等间隔的振荡模式；且由于高Q值的微波带通滤波器的存在，仅有一个振荡模式可以存留下来，最终实现高质量的单模振荡。上述光电振荡器虽然可以产生高质量、高频露出的微波信号，但其调谐范围受限于电滤波器的调谐范围。为了克服此局限，研究者近期提出了多种新型光电振荡器方法与结构。Jianping Yao等人利用调制器级联与啁啾光纤光栅、相移布拉格光纤光栅构成了宽带可调的光电振荡器，但其虽然宽带可调，但超模噪声较大，微波频率受激光器波长漂移影响(参见 B.Yang, X.F.Jin, X.M.Zhang, S.L.Zheng, H.Chi, and Y.Wang, “A widebandfrequency-tunable optoelectronic oscillator based on a narrowband phase-shiftedFBG and wavelength tuning of laser，，，IEEE Photon.Technol.Lett., 24 (I), 73 -75，2012)。之后又利用基于宽带光源的单响应微波光子滤波器结构，实现了微波的可调谐，但由于受色散载波抑制效应，某些频点将受抑制，无法实现对微波频率进行连续调谐(参见M.Li, ff.Z.Li, J.P.Yao, “Tunable optoelectronic oscillator incorporating a high-Qspectrum-sliced photonic microwave transversal filter,，，IEEE Photon.Technol.Lett.,24(14), 1251 - 1253，2012)。与此同时，传统的光电振荡器采用电滤波器作为选模器件，而电滤波器的调谐范围有限，故传统光电振荡器很难做到宽带调谐。因此，采用微波光子信号处理技术，利用微波光子滤波器与电振荡器结合将是下一代可调谐电光振荡器的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带可调的光电振荡器，从而实现对光电振荡器的大范围连续可调。本发明的技术解决方案如下:—种基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置，特点是其构成包括:宽谱光源、光滤波器、第一光放大器、第二光放大器、第一光纤稱合器、第二光纤稱合器、第三光纤I禹合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、可调光延迟线、光电调制器、色散光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、微波放大器、第一光纤跳线、第二光纤跳线、第三光纤跳线、第四光纤跳线、第五光纤跳线、第六光纤跳线、第七光纤跳线、第一电缆线和第二电缆线，上述元部件的连接关系如下:所述的宽谱光源的输出端通过第一段光纤跳线与所述的光滤波器的输入端相连，该光滤波器的输出端接第一光放大器的输入端，该第一光放大器的输出端经第二光纤跳线接第一光纤稱合器的输入端，该第一光纤稱合器的第一输出端经第三光纤跳线与第一偏振控制器的输入端连接，第一偏振控制器的输出端接所述的光电强度调制器的光输入端，该光电调制器的输出端经第六光纤跳线接第二光纤耦合器的第一输入端；所述的第一光纤I禹合器的第二输出端通过第四光纤跳线与第二偏振控制器的输入端连接，该第二偏振控制器的输出端接所述的可调光延时线的输入端，该可调光延时线的输出端经过第五段光纤跳线与所述的第二光纤耦合器的第二输入端相连；所述的第二光纤耦合器的输出端接所述的色散光纤，该色散光纤的另一端接所述的第二光放大器的输入端，该第二光放大器的输出端经第七光纤跳线接所述的第三光纤耦合器的输入端，该第三光纤稱合器的第一输出端接所述的第一光电探测器，第一光电探测器的输出端为本装置的微波信号输出端；所述的第三光纤耦合器的第二输出端接所述的第二光电探测器的输入端，该第二光电探测器的输出端经第一电缆线接所述的微波放大器的输入端，该微波放大器的输出端经第二电缆线与所述的光电调制器的电输入端相连。所述的宽谱光源为自发辐射光源(ASE)或者超辐射发光二极管光源(SLED)。所述的光滤波器为可调光滤波器或布拉格光栅。所述的光电调制器为光强度调制器或者光相位调制器。所述的光强度调制器为铌酸锂MZ结构光强度调制器或者电吸收调制器，所述的相位调制器为铌酸锂相位调制器。所述的色散器件为单模光纤、色散补偿光纤或线性啁啾光纤光栅，光纤长度的选取范围为数米 数千米。所述的微波放大器为RF放大器或者低噪声放大器。所述的第三光纤I禹合器的第一输出端和第二输出端的输出比为73%:23%。所述的第一光放大器和第二光放大器，用于放大光信号，使链路的插损减小，提高光电链路的开环增益。所述的色散光纤为高Q值微波储能器件。所述的第一光纤耦合器6与第二耦合器15连成的双臂结构，经过色散，由于强度调制与相位调制的不断转换，将产生正弦状连续切割谱。所述的第三光纤I禹合器的第一输出端73%与第一商用光电探测器20组成输出微波链路，以减小微波耦合器或功分器对环内微波功率的减小。所述的微波放大器为增益器件，用于放大所述光电探测器输出的微波信号，并使光电反馈回路的开环增益大于1.
所述可调光延时线用于对所述的光电振荡器产生的微波信号进行连续调谐。本发明具有以下优点:1、本发明基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置，利用一个宽谱光源、一个光电调制器、一个可调光延时线、一个光电探测器以及两个光纤耦合器共同构成了微波光子滤波器，并将其与光电振荡器相结合。通过调谐可调光延时线的延时大小，可以实现对微波光子滤波器的连续调谐，避免了载波抑制效应，从而实现对光电振荡器的大范围连续可调。2、本发明，利用光调制器对宽谱光源进行调制，利用色散对调制方式-强度调制与相位调制的不断转换，等效的电切割方法实现对宽谱源的切割，产生正弦连续光载波，从而实现单响应的微波光子滤波器，同时避免了传统宽谱切割产生的载波抑制效应。3、本发明，利用了色散光纤作为微波储能元件，输出的微波信号具有极佳的相位噪声特性，通过改变可调光延时线，实现微波频率的连续可调。4、本发明可以在很宽的范围内进行微波频率的连续调谐，调谐范围仅受限于调制器、光电探测器、微波放大器的增益与带宽。
图1为本发明基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置实施例的结构示意图。其中从宽谱光源到光电探测器输出构成了单响应的微波光子滤波器。图2为微波光子滤波器中等效宽谱切割过程。图3为本发明的选模原理示意图。图4为本发明产生的微波示意图。图5为本发明产生的微波频率与可调光延时线的延时量的关系曲线。
具体实施例方式下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不应限于下述的实施例。先请参阅图1，图1为本发明基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置实施例的结构示意图。本发明基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置是采用宽谱源、两个光纤耦合器、一个可调光延时线、一个色散器件构成的微波光子滤波器，实现在光电振荡器中的选模功能。由图可见，本发明基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置，其构成包括:宽谱光源1、光滤波器3、第一光放大器4、第二光放大器17、第一光纤稱合器6、第二光纤率禹合器15、第三光纤稱合器19、第一偏振控制器9、第二偏振控制器11、可调光延迟线12、光电调制器10、色散光纤16、第一光电探测器20、第二光电探测器22、微波放大器24、第一光纤跳线2、第二光纤跳线5、第三光纤跳线7、第四光纤跳线8、第五光纤跳线13、第六光纤跳线14、第七光纤跳线18、第一电缆线23和第二电缆线25，上述元部件的连接关系如下:所述的宽谱光源I的输出端通过第一段光纤跳线2与所述的光滤波器3的输入端连接，该光滤波器3的输出端接第一光放大器4的输入端,该第一光放大器4的输出端经第二光纤跳线5接第一光纤稱合器6的输入端,该第一光纤稱合器6的第一输出端经第三光纤跳线8与第一偏振控制器9的输入端连接,第一偏振控制器9的输出端接所述的光电强度调制器10的光输入端，该光电调制器10的输出端经第六光纤跳线14接第二光纤耦合器15的第一输入端；所述的第一光纤耦合器6的第二输出端通过第四光纤跳线7与第二偏振控制器11的输入端连接，该第二偏振控制器11的输出端接所述的可调光延时线12的输入端，该可调光延时线12的输出端经过第五段光纤跳线13与所述的第二光纤稱合器15的第二输入端相连；所述的第二光纤耦合器15的输出端接所述的色散光纤16的一端，该色散光纤16的另一端接所述的第二光放大器17的输入端，该第二光放大器17的输出端经第七光纤跳线18接所述的第三光纤耦合器19的输入端，该第三光纤耦合器19的第一输出端接所述的第一光电探测器20,第一光电探测器20的输出端21为本装置的微波信号输出端；所述的第三光纤耦合器19的第二输出端接所述的第二光电探测器22的输入端，该第二光电探测器22的输出端经第一电缆线23接所述的微波放大器24的输入端，该微波放大器24的输出端经第二电缆线25与所述的光电调制器10的电输入端相连。所述的宽谱光源I为自发辐射光源(ASE)或者超辐射发光二极管光源(SLED)。所述的光滤波器3为可调光滤波器或布拉格光栅。光电调制器10为电光转换器件，其为光强度调制器或者光相位调制器。光强度调制器10为铌酸锂MZ结构光强度调制器或者电吸收调制器，所述的相位调制器为铌酸锂相位调制器。色散器件16为单模光纤、色散补偿光纤或线性啁啾光纤光栅，光纤长度的选取范围为数米 数千米。微波放大器24为RF放大器或者低噪声放大器。第三光纤I禹合器19的第一输出端和第二输出端的输出比为73%:23%。在包括:一宽谱光源I，其输出端通过第一段光纤跳线2与一光滤波器3连接；光滤波器3，其输出连接第一光放大器EDFA4 ；EDFA4再经第二光纤跳线5连接到第一 3_dB光纤率禹合器6 ;第一 3-dB光纤稱合器6的一个输出端经第二段光纤跳线7与第一偏振控制器11连接，其另一个输出端通过第三段跳线8与第二偏振控制器9连接；偏振控制器11的另一端连接可调光延时线12 ;第一偏振控制器9的另一端与光电强度调制器10相连；可调光延时线12的输出端经第四段光纤跳线14连接第二 3-dB光纤耦合器15的第一个输入端，光电强度调制器11的输出端经过第五光纤跳线13连接第二 3-dB光纤耦合器15的第二个输入端；经过第二 3-dB光纤耦合器15的耦合，信号经过色散光纤16色散后，经过第二光纤放大器EDFA17放大；EDFA17输出经过第六光纤跳线18与第三27:73光纤耦合器19的输入端连接；第三耦合器19的输出端之一(27%)连接第二商用光电探测器22，第二输出端口(73%)连接第一商用光电探测器20上；经探测器22转换的电信号经过第一电缆线23连接到微波放大器24 ;微波放大器24的放大信号经第二电缆线25输入到所述的光电强度调制器，形成闭环。其中输出端21为本发明的微波信号输出端。本发明的工作原理如下:首先，宽谱光源I经光滤波器3切割出一定宽度的光谱作为载波，输入到光电调制器的光输入端，被微波放大器24的输出噪声经光电调制器10的RF端调制，调制后的信号与经过可调光延迟线12的载波一起，经过耦合器15耦合后进入色散补偿光纤，经色散延迟后进入EDFA17再次放大，最后经光电探测器22转换为电信号，通过微波放大器24放大后，形成光电反馈。由于色散光纤的延时特性，上述光电反馈回路存在一系列频率等间隔的高Q值振荡模式，且相位噪声极佳。为了从这些高Q值振荡模式中选出一个形成单模振荡而输出，本发明利用一个低成本宽带光源、一个光电调制器、以及两个光纤耦合器与色散光纤，臂二由光电调制器的非线性效应产生的一阶边带与臂一的载波由于色散作用，经光电探测器探测，强度调制与相位调制方式不断改变，形成正弦形连续切割谱，构成了窄带单响应微波光子横向滤波器，且通过改变臂一的延时量，从而改变相邻正弦谱之间的间隔，即改变此微波光子滤波器的中心频率。此滤波器能够克服传统基于宽谱切割产生的载波抑制效应，将电放大器的输出端作为光电调制器的输入端，形成闭环，即形成了光电振荡器，上述微波光子滤波器代替了传统的微波滤波器。此微波光子滤波器可以从众多的振荡模式中选出单一模式，实现光电振荡器的单模输出。微波光子滤波器的选模工作原理如图2所示。图2表示了微波光子滤波器的抽头系数。进入光电探测器信号由两部分组成，一部分由臂2载波与臂2光电调制器非线性产生的一阶边带拍频产生，此部分构成了低通效果滤波器，如采用相位调制器，由于俩一阶边带相位相反，拍频只产生直流，故可去除低通响应；另一部分由臂I载波与臂2的一阶边带组成，此部分与传统基于宽谱源切割的单响应微波光子滤波器一样，由于为正弦型的连续光采样切割谱，对应频域为单响应的带通滤波器，从而实现了单响应微波光子滤波器。同时，此正弦型的采样切割谱，源于色散器件的色散对调制信号传输的强度调制方式与相位调制方式的不断交替改变，能够避免传统双边带强度调制的载波抑制效应，从而避免了滤波器在某些频点缺失。当此滤波器接上微波放大器形成闭环时，在环内形成大量等间隔的振荡模式的同时，微波光子滤波器开始实现选模，从而形成单模输出。而微波光子滤波器的中心频率与环内色散器件的总色散成反比关系，与可调光延时线的延时量成线性正比关系。因此通过调节可调光延迟线，可以产生一个大范围可调的宽带微波单响应的带通滤波器。如图3。通过改变改变可调光延迟线的延迟，就可以对光电振荡器的振荡模式进行调谐，调谐补偿等于色散补偿光纤引入的振荡模式频率间隔。图4为此光电振荡器产生的微波，受器件影响，暂时可达到将近7GHz。图5为此光电振荡器振荡频率与可调光延时线的延时量的关系。
权利要求
1.一种基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置，特征是其构成包括:宽谱光源(I)、光滤波器(3)、第一光放大器(4)、第二光放大器(17)、第一光纤稱合器(6)、第二光纤耦合器(15)、第三光纤耦合器(19)、第一偏振控制器(9)、第二偏振控制器(10)、可调光延迟线(12)、光电调制器(11)、色散光纤(16)、第一光电探测器(20)、第二光电探测器(22)、微波放大器(24)、第一光纤跳线(2)、第二光纤跳线(5)、第三光纤跳线(7)、第四光纤跳线(8)、第五光纤跳线(13)、第六光纤跳线(14)、第七光纤跳线(18)、第一电缆线(23)和第二电缆线(25)，上述元部件的连接关系如下: 所述的宽谱光源(I)的输出端通过第一光纤跳线(2)与所述的光滤波器(3)的输入端连接，该光滤波器(3)的输出端接第一光放大器(4)的输入端,该第一光放大器(4)的输出端经第二光纤跳线(5)接第一光纤稱合器(6)的输入端,该第一光纤稱合器(6)的第一输出端经第三光纤跳线(8)与第一偏振控制器(9)的输入端连接,第一偏振控制器(9)的输出端接所述的光电强度调制器(10)的光输入端，该光电调制器(10)的输出端经第六光纤跳线(14)接第二光纤I禹合器(15)的第一输入端； 所述的第一光纤耦合器(6)的第二输出端通过第四光纤跳线(7)与第二偏振控制器(II)的输入端连接，该第二偏振控制器(11)的输出端接所述的可调光延时线(12)的输入端，该可调光延时线(12)的输出端经过第五光纤跳线(13)与所述的第二光纤耦合器(15)的第二输入端相连； 所述的第二光纤耦合器(15)的输出端接所述的色散光纤(16)，该色散光纤(16)的另一端接所述的第二光放大器(17)的输入端，该第二光放大器(17)的输出端经第七光纤跳线(18)接所述的第三光纤稱合器(19)的输入端,该第三光纤稱合器(19)的第一输出端接所述的第一光电探测器(20),第一光电探测器(20)的输出端(21)为本装置的微波信号输出端； 所述的第三光纤耦合器(19)的第二输出端接所述的第二光电探测器(22)的输入端，该第二光电探测器(22)的输出端经第一电缆线(23)接所述的微波放大器(24)的输入端，该微波放大器(24)的输出端经第二电缆线(25)与所述的光电调制器(10)的电输入端相连。
2.根据权利要求1所述的基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置，其特征在于，所述的宽谱光源(I)为自发辐射光源或者超辐射发光二极管光源。
3.根据权利要求1所述的基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置，其特征在于，所述的光滤波器(3)为可调光滤波器或布拉格光栅。
4.根据权利要求1所述的基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置，其特征在于，所述的光电调制器(10)为电光转换器件，其为光强度调制器或者光相位调制器。
5.根据权利要求1所述的基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置，其特征在于，所述的光强度调制器(10)为铌酸锂MZ结构光强度调制器或者电吸收调制器，所述的相位调制器为铌酸锂相位调制器。
6.根据权利要求1所述的基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置，其特征在于，所述的色散器件(16)为单模光纤、色散补偿光纤或线性啁啾光纤光栅，光纤长度的选取范围为数米 数千米。
7.根据权利要求1所述的基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置，其特征在于，所述的微波放大器(24)为RF放大器或者低噪声放大器。
8.根据权利要求1至7任一项所述的基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置，其特征在于，所述的第三光纤I禹合器(19) 的第一输出端和第二输出端的输出比为73%:23%。
全文摘要
一种基于宽谱光源的频率可调谐的光电振荡装置，包括宽谱光源、光滤波器、第一光放大器、第二光放大器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、可调光延迟线、光电调制器、色散光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、微波放大器、第一光纤跳线、第二光纤跳线、第三光纤跳线、第四光纤跳线、第五光纤跳线、第六光纤跳线、第七光纤跳线、第一电缆线和第二电缆线。本发明能够产生宽带可调的微波信号，采用微波光子滤波器，代替传统的点滤波器，且避免了传统基于宽谱源切割的光电振荡器在某些频点不能产生的缺陷，具有低成本，宽带可调，相位噪声低的优点。
文档编号H04B10/548GK103166706SQ20131004502
公开日2013年6月19日 申请日期2013年2月5日 优先权日2013年2月5日
发明者邹卫文, 刘辰钧, 姜文宁, 卢加林, 吴龟灵, 陈建平 申请人:上海交通大学