光电振荡器的制作方法

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种光电振荡器。

背景技术：

微波信号源在现代生活中具有重要的应用，广泛地用于通信、军事雷达、生物成像、卫星定位、科学计量等诸多领域。上述系统的有效、精准的运行与微波信号的质量密切相关。特别是在军事雷达和科学计量方面，对信号质量提出了更高的要求。为了得到高频的微波信号，通常利用倍频技术将低频的信号倍频到高频上去，然而，倍频技术会使得信号的噪声恶化至少为20log10(n)，其中n为倍频系数。所以，为了得到高质量的微波信号，通常需要直接地产生高频的微波信号，而不是通过倍频的方法。但是，传统的直接产生高频微波信号的设备存在价格昂贵、体积大、功耗大的特性。这些特性限制了其在诸多领域内的应用。光电振荡器作为一种新型的振荡器，其具有体积小、功耗低、质量好的特点。更重要的是，光电振荡器产生的微波信号的相位噪声与频率无关，这使得光电振荡器在产生高频的微波信号上具有极大的优势。虽然光电振荡器在产生低相位噪声的微波信号方面具有良好的性能。但是，目前的光电振荡器通常只能产生单频点的微波信号。

由于单频点微波信号的频率单一，所以其不适于某些技术领域。扫频是指信号在一个频段内,频率由高到低(或由低到高)连续变化的过程。扫频微波信号在很多领域具有重要的应用，例如：扫频通信、生物成像以及脉冲压缩雷达。特别是在脉冲压缩雷达里面，低相位噪声、高线性度、大时间带宽积的扫频的微波信号是其极其重要的。利用扫频的微波信号可以获得更大的时间带宽积，可以增加雷达系统的探测距离和探测精度。可见，产生扫频微波信号的意义重大。

现有技术常采用电子学方法来产生扫频的微波信号。电子学方法主要采用直接数字合成技术和压控振荡器。然而，该方法产生得到的扫频微波信号的相位噪声特性和周期相关性较差。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种光电振荡器，以解决如何产生低相噪、周期相关性好且中心频率可调的周期性扫频微波信号的技术问题。

为了实现上述目的，提供以下技术方案：

一种光电振荡器，包括：

扫频光源，用于生成周期性扫频光信号；

相位调制器，用于对周期性扫频光信号进行相位调制，生成具有正、负一阶边带的第一中间信号；

带阻光滤波器，用于滤除第一中间信号中的任一边带；

光电探测器，用于接收带阻光滤波器的输出信号，对其进行拍频，得到第一中心频率可调的周期性扫频微波信号，并将第一中心频率可调的周期性扫频微波信号输出至微波放大器；

微波放大器，用于对第一中心频率可调的周期性扫频微波信号进行放大，得到第二中心频率可调的周期性扫频微波信号，并将第二中心频率可调的周期性扫频微波信号反馈至相位调制器；

其中，扫频光源、相位调制器和带阻光滤波器构成带通扫频的微波滤波器，且带通扫频的微波滤波器的中心频率等于扫频光源的中心频率与带阻光滤波器的中心频率之差。

进一步地，扫频光源具体包括：

激光器，用于产生光信号；

扫频微波源，用于产生扫频微波信号；

光电调制器，用于将扫频微波信号与光信号进行调制，生成第二中间信号；其中，第二中间信号包括二边带信号；

带通光滤波器，用于滤除第二中间信号中的任一边带，得到周期性扫频光信号。

进一步地，光电调制器为强度调制器或相位调制器。

进一步地，扫频光源具体包括：

激光器，用于产生光信号；

扫频微波源，用于产生扫频微波信号；

强度调制器，用于将扫频微波信号与光信号进行调制，生成第三中间信号；其中，第三中间信号包括二边带信号；

单边带调制器，用于滤除第三中间信号信号中的任一边带，生成单边带信号；

载波抑制器，用于对单边带信号进行载波抑制处理，得到扫频光信号。

进一步地，扫频光源还包括：

光放大器，用于对扫频光信号进行放大，并将放大后的扫频光信号传输至相位调制器。

进一步地，扫频微波源为任意波形发生器或压控振荡器。

进一步地，光电振荡器还包括：

偏振控制器，其设置在扫频光源与相位调制器之间，用于调节扫频光信号的偏振态。

进一步地，光电振荡器还包括：微波功分器；其中，微波功分器与微波放大器相连，且光电探测器、微波放大器和微波功分器构成正反馈支路；

微波功分器，用于将微波放大器输出的信号分为多路；其中，一路信号反馈至相位调制器，用于对扫频光信号的相位进行调制。

进一步地，扫频光源和相位调制器之间、相位调制器和带阻光滤波器之间以及带阻光滤波器和光电探测器之间通过光纤进行连接。

本发明实施例提供一种光电振荡器，其包括扫频光源、相位调制器和带阻光滤波器。其中，扫频光源用于生成周期性扫频光信号。相位调制器用于对周期性扫频光信号进行相位调制，生成具有正、负一阶边带的第一中间信号。带阻光滤波器用于滤除第一中间信号中的任一边带。光电探测器用于接收带阻光滤波器的输出信号，对其进行拍频，得到第一中心频率可调的周期性扫频微波信号，并将第一中心频率可调的周期性扫频微波信号输出至微波放大器。微波放大器用于对第一中心频率可调的周期性扫频微波信号进行放大，得到第二中心频率可调的周期性扫频微波信号，并将第二中心频率可调的周期性扫频微波信号反馈至相位调制器。其中，扫频光源、相位调制器和带阻光滤波器构成带通扫频的微波滤波器，且带通扫频的微波滤波器的中心频率等于扫频光源的中心频率与带阻光滤波器的中心频率之差。本发明实施例通过对扫频微波信号进行处理，生成周期性扫频光信号，作为光电振荡器的光载波。然后，对该周期性扫频光信号进行相位调制，得到正、负一阶边带和光载波。接着，再通过带阻光滤波器得到单边带信号。同时，设置带通扫频的微波滤波器的中心频率等于扫频光源的中心频率与带阻光滤波器的中心频率之差，由此，可以选择出单边带落入带阻光滤波器的凹陷谱位置的微波信号，使得该边带的光功率受到明显的衰减。于是，对这种强度不平衡的边带拍频，就可以得到低相噪、周期相关性好且中心频率可调的扫频微波信号。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而得以体现。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

当然，实施本发明的任一产品或方法不必一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的光电振荡器的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的扫频光源的结构示意图；

图3为根据本发明另一实施例的扫频光源的结构示意图；

图4为根据本发明另一实施例的光电振荡器的结构示意图；

图5a为根据本发明实施例的光电振荡器输出的中心频率可调的周期性扫频微波信号的功率谱示意图；

图5b为根据本发明实施例的扫频微波源产生的扫频微波信号的功率谱示意图；

图6a为根据本发明实施例的光电振荡器输出的扫频微波信号的互相关函数示意图；

图6b为根据本发明实施例的扫频微波源输出的扫频微波信号的互相关函数的示意图。

具体实施方式

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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明各个实施例中的技术内容可以相互组合。

为了解决如何产生低相噪且中心频率可调的周期性扫频微波信号的技术问题，本发明实施例提供一种光电振荡器。如图1所示，该光电振荡器可以包括：扫频光源110、相位调制器120、带阻光滤波器130、光电探测器140和微波放大器150。其中，扫频光源110用于生成周期性扫频光信号。相位调制器120用于对周期性扫频光信号进行相位调制，生成具有正、负一阶边带的第一中间信号。带阻光滤波器130用于滤除第一中间信号中的任一边带。光电探测器140用于接收带阻光滤波器的输出信号，对其进行拍频，得到第一中心频率可调的周期性扫频微波信号，并将第一中心频率可调的周期性扫频微波信号输出至微波放大器。微波放大器150用于对第一中心频率可调的周期性扫频微波信号进行放大，得到第二中心频率可调的周期性扫频微波信号，并将第二中心频率可调的周期性扫频微波信号反馈至相位调制器。其中，扫频光源110、相位调制器120和带阻光滤波器130构成带通扫频的微波滤波器，且带通扫频的微波滤波器的中心频率等于扫频光源110的中心频率与带阻光滤波器130的中心频率之差。

其中，相位调制器对周期性扫频光信号进行相位调制后，可以输出光载波和相位相反的上下两个边带。其中，光载波与上边带拍频得到的信号刚好与光载波与下边带拍频得到的信号相互抵消。通过使用带阻光滤波器滤掉其中一个边带，从而可以使光电探测器输出对应频率的微波信号。当某一时刻通过带阻光滤波器的微波扫频信号在环腔内传输一段时间之后，再次通过带阻光滤波器时，由于带阻光滤波器的传输特性是不变的，所以，在频域上，只有与带阻光滤波器瞬时传输特性相匹配的频率组分可以通过滤波器，其他的频率组分相干相消，从而实现了环腔内的频谱被周期性地调制；最终，本发明实施例光电振荡器输出的信号是一系列中心频率可调的周期性扫频微波信号。其中，扫频的速度是微波扫频信号在光电振荡器的环腔内传输一周所用延时的倒数。

在本实施例中，带通扫频的微波滤波器的中心频率等于扫频光源110的中心频率与带阻光滤波器130的中心频率之差，即：

fmpf＝|flaser-fofilter|(1)

其中，fmpf表示微波光子滤波器的中心频率；flaser表示扫频光源的频率；fofilter表示带阻光滤波器的频率。

下面以带阻光滤波器为光凹陷滤波器为例对本发明实施例得到中心频率可调的周期性扫频微波信号的过程进行详细说明。

其中，光凹陷滤波器可以利用光栅或者法布里-珀罗干涉仪的反射端，通过光环行器连接得到，亦或者通过微腔来实现。

本实施例中，公式(1)中的fofilter表示光凹陷滤波器的频率(也即凹陷谱的位置)。在具体实现过程中，使得带通扫频的微波滤波器、扫频光源与带阻光滤波器的中心频率满足公式(1)，这样可以使得相位调制器输出的信号的任意一个边带的频率刚好对准光凹陷滤波器的凹陷频率，从而可以选出某一个边带落入光凹陷滤波器的凹陷谱位置的微波信号，进而得到中心频率可调的周期性扫频微波信号。

本领域技术人员应该能够理解，任何一个振荡器达到稳定的起振都需要满足两个条件：相位自再现条件和环路总增益大于1。其中，相位自再现条件要求信号经过环路一周往返之后能够恢复原来的相位。为了满足相位自再现的条件，扫频光源必须与光电腔的腔长同步。其中，光电腔在本实施例中由相位调制器、带阻光滤波器和光电探测器构成。

举例来说，设扫频光源的调节周期为t，则其必须满足以下条件：

nt＝τc(2)

其中，n为正整数；τc表示光电腔的总延时。

另外，还需要使得光电腔的增益足够大。这样，光电振荡器可以得到稳定的起振并产生稳定的扫频微波信号，而且其中心频率由扫频光源与带阻光滤波器的中心频率共同决定。

为了满足上述增益要求，本发明实施例设置微波放大器，以对第一中心频率可调的周期性扫频微波信号进行放大，以满足光电振荡器的起振条件，再将放大后得到的第二中心频率可调的周期性扫频微波信号反馈到相位调制器，以实现稳定的振荡；最终，将该第二中心频率可调的周期性扫频微波信号作为本发明实施例光电振荡器的输出。

本实施例通过采用上述技术方案，将扫频光源110、相位调制器120和带阻光滤波器130构成带通扫频的微波滤波器，并使得带通扫频的微波滤波器的中心频率等于扫频光源110的中心频率与带阻光滤波器130的中心频率之差。这样，通过带阻光滤波器130滤除一个边带后，频域中两个边带位置的功率不再平衡，对强度不平衡的边带进行拍频，就可以得到中心频率可调的扫频微波信号了。当改变扫频光源110输出的周期性扫频光信号的波长时，带通扫频的微波滤波器的频率也发生变化。在这种情况下，带通扫频的微波滤波器可以看成是时变的扫频的滤波器，即：带通扫频的滤波器的通带瞬时频率随着时间改变，且变化的速度与扫描的范围跟扫频光源一致。由此可见，本发明实施例利用一个扫频微波信号，通过改变周期性扫频光信号的中心频率，可以得到一个低相噪、周期相关性好且中心频率可调的周期性扫频微波信号。

为了得到扫频光信号，本发明实施例考虑使用激光器来产生光信号。该光信号可以是单一频率且连续的光信号。又由于激光器产生的光信号是固定频率的。所以，本发明实施例考虑通过将一个已知的、固定频率或低频的扫频微波信号调制到一个固定频率的光信号上，然后，在通过滤波器滤除扫频的边带，由此来得到扫频光信号。

基于上述分析，在一些可选的实施例中，如图2所示，上述扫频光源110具体可以包括：激光器111、光电调制器112、扫频微波源113和带通光滤波器114。其中，激光器111用于产生光信号。扫频微波源113用于产生扫频微波信号。光电调制器112用于将扫频微波信号调制到光信号上，生成第二中间信号，该第二中间信号包括两个边带信号。带通光滤波器114用于滤除第二中间信号中的任一边带，得到扫频光信号。

其中，光信号可以是单一频率且连续的光信号。扫频微波源113所产生的扫频微波信号可以是线性/非线性的调频连续波，也可以是一个调频的脉冲信号，其周期由上述公式(2)决定。光电振荡器产生的扫频微波信号可以与扫频微波源113具有同样的带宽和周期。

在上述实施例中，本领域技术人员能够理解，上述扫频光源中省略了一些公知的结构，例如，直流偏置单元，该直流偏置单元可以为光电调制器112提供直流偏置。

本发明实施例通过采取上述技术方案，可以将固定频率或低频的、不可调或可调的的扫频微波信号调制到固定频率的光信号上，再通过带通光滤波器滤除扫频的任一边带，从而可以得到扫频光信号。本领域技术人员应该能够理解，本发明实施例得到扫频光信号方式不限于此，任意现有的或今后可能出现的产生扫频光信号的方式如果适用于本发明，则也应包含在本范明的保护范围之内，在此不再赘述。例如：可以使用一个扫频的微波信号来得到扫频光信号，但是本发明实施例提供的光电振荡器输出的扫频微波信号与得到扫频光信号的扫频微波信号相比，在相位噪声和周期相关性方面都有很大的改善，而且在线性度和带宽积方面不发生恶化。

优选地，上述扫频微波源113可以为任意波形发生器或压控振荡器。其中，更优选地，任意波形发生器为宽带的任意波形发生器。

优选地，上述光电调制器112可以为强度调制器或相位调制器。

基于前述得到扫频光信号的分析，在另一些可选的实施例中，如图3所示，上述扫频光源具体还可以包括：激光器111、扫频微波源113、强度调制器115、单边带调制器116和载波抑制器117。其中，激光器111用于产生光信号。扫频微波源113用于产生扫频微波信号。强度调制器115用于将扫频微波信号与光信号进行调制，生成第三中间信号，该第三中间信号包括两个边带。单边带调制器116用于滤除第三中间信号信号中的任一边带，生成单边带信号。载波抑制器117用于对单边带信号进行载波抑制处理，得到扫频光信号。

本实施例与图2所示实施例的区别在于将光电调制器112和带通滤波114替换为强度调制器115、单边带调制器116及载波抑制器117。本实施例通过单边带调制器116和载波抑制器117，可以直接得到单边带的扫频光信号，将其作为扫频光源的输出。

考虑到放大后的扫频光信号更有利于后续处理，所以，在一些可选的实施例中，在图2和图3所示实施例的基础上，上述扫频光源还可以包括光放大器。其中，该光放大器用于对扫频光信号进行放大，并将放大后的扫频光信号传输至相位调制器。

在一些可选的实施例中，在图1所示实施例的基础上，上述光电振荡器还可以包括偏振控制器。其中，该偏振控制器设置在扫频光源与相位调制器之间，用于调节扫频光信号的偏振态。

在本实施例中，当扫频光源与相位调制器之间通过光纤进行连接时，由于光纤中的热应力、机械应力以及纤芯的不规则性等因素所引起的不规则双折射，会引起偏振。这种偏振对扫频光信号的传输会造成很大的损害。偏振控制器可以将扫频光源输出的扫频光信号的偏振态调节到最优状态，以便于后续处理，进而获得低相噪且频率可调的周期性扫频微波信号。

在一些可选的实施例中，如图4所示，上述光电振荡器可以包括：扫频光源110、相位调制器120、带阻光滤波器130、光电探测器140、微波放大器150和微波功分器160。其中，微波放大器150与光电探测器140相连，微波功分器160与微波放大器150相连，光电探测器140、微波放大器150和微波功分器160构成反馈支路。微波功分器160用于将微波放大器输出的信号分为多路；其中，一路信号反馈至相位调制器120，用于对扫频光信号的相位进行调制。

在本实施例中，光电探测器140拍频得到的中心频率可调的周期性扫频微波信号经微波放大器150进行放大，之后，再由微波功分器160将微波放大器150输出的信号分为两路，其中一路信号作为输出信号，另一路信号反馈至相位调制器120，形成正反馈。这样，通过微波功分器可以方便地输出中心频率可调的周期性扫频微波信号。

在一些可选的实施例中，扫频光源110和相位调制器120之间、相位调制器120和带阻光滤波器130之间以及带阻光滤波器130和光电探测器140之间通过光纤进行连接。

本实施例通过光纤将扫频光源110、相位调制器120、带阻光滤波器130和光电探测器140连接起来，可以提高光电振荡器的环路延迟时间，进而可以获得高q值(品质因数)。

下面结合图5a和5b以一验证实施例来对本发明进行详细说明。

图5a示例性地示出了光电振荡器输出的扫频微波信号的功率谱示意图；图5b示例性地示出了扫频微波源输出的扫频微波信号的功率谱示意图。

由图5a和图5b可见，光电振荡器产生得到的扫频微波信号与扫频微波源产生的扫频微波信号具有同样的带宽，但两者的中心频率并不同。这种不同是由图1所示实施例中的带通扫频的微波滤波器的中心频率等于扫频光源的频率与带阻光滤波器的频率之差决定的。具体地，参见图2和3所示实施例，上述中心频率的不同是由光电振荡器产生得到的扫频微波信号的中心频率以及扫频微波源与带阻光滤波器的频率(或者光凹陷滤波器的凹陷谱的位置)共同决定。在图5a中，右图是左图中虚线框处的局部放大示意图，由该局部放大示意图可知，光电振荡器产生得到的扫频微波信号的频谱图是分立的谱线，在图5b中，右图是左图中虚线框处的局部放大示意图，由该局部放大示意图可知，由扫频微波源产生的扫频微波信号的频谱图则类似噪声谱的分布，这表明了由扫频微波源产生得到的扫频微波信号具有很大的噪声。因此，本发明实施例通过采取上述技术方案，可以获得低相位噪声的、中心频率可调的扫频微波信号。

下面再结合图6a和6b以一验证实施例来对本发明进行详细说明。

图6a示例性地示出了本发明实施例提供的光电振荡器输出的扫频微波信号的互相关函数示意图；图6b示例性地示出了扫频微波源输出的扫频微波信号的互相关函数示意图。在图6a和图6b中，右图均为左图虚线框处的局部放大示意图。通过将图6a中的右图与图6b中的右图进行对比可知，光电振荡器输出的扫频微波信号的周期相关性比扫频微波源输出的扫频微波信号的周期相关性好。这意味着在雷达系统等应用中，本发明实施例产生得到的扫频微波信号相比于传统方法产生得到的扫频微波信号具有更好的性能。

现有技术中，通常也会利用光学方法来产生扫频微波信号，该光学方法通常采用色散介质以及频域-时域映射技术，将锁模激光器进行脉冲展宽以及下变频来得到扫频微波信号。但是，这种方案得到的扫频微波信号的频率时域持续时间太小且线性度差。与该光学方法相比，本发明实施例通过采用上述技术方案可以得到时域持续时间长、线性度好且中心频率可调的扫频微波信号。其中，时域持续时间等于延时(也即振荡腔的延时，简称腔延时)。

综上所述，传统方法产生得到的扫频微波信号的中心频率与相位噪声受到电子器件的影响，无法得到中心频率可调的、低相噪的扫频微波信号。本发明实施例结合微波光子技术，通过对中心频率不可调的扫频微波信号进行处理，生成周期性扫频光信号(也即光载波)。然后，对该扫频光信号进行相位调制，得到正、负一阶边带和光载波。接着，再通过带阻光滤波器得到单边带信号。同时，设置带通扫频的微波滤波器的中心频率等于扫频光源的中心频率与带阻光滤波器的中心频率之差，由此，可以选择出单边带落入带阻光滤波器的凹陷谱位置的微波信号，使得该边带的光功率受到明显的衰减。于是，对这种强度不平衡的边带拍频，就可以得到低相噪、周期相关性好且中心频率可调的扫频微波信号。

本发明实施例对上述技术方案中涉及到的各部件的具体结构、形状等不作限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。附图中所示各个部件的数量、形状、尺寸等可以根据实际情况进行选择或替换。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。