基于光学谐振腔的光电振荡器研究肖远

基于光学谐振腔的光电振荡器研究肖远

肖远

(国家知识产权局专利局光电部北京100088)

摘要：光电振荡器作为一种新型的微波信号发生器,可以产生频率高达几百吉赫兹的超高频谱纯度微波信号｡而低相位噪声､高频谱纯度､高品质因数的微波信号又被广泛应用于宇宙探测､雷达､航空航天､通信系统和电子对抗等领域｡但是长光纤容易受外界环境温度和应力应变的干扰,且增加了系统体积,因此利用长光纤作为储能延时元件的方案一直制约着OEO小型化的发展｡由于光学谐振腔特殊的结构设计,当光子进入谐振腔后会在腔内反复的传播,而经过微波调制后的光信号,简称微波光信号(又称微波光子),其既有光的特性,又有微波的性质,当微波光子进入光学谐振腔后,谐振腔会作为一个微波传输环形谐振器,对微波光子产生很强的延时效应｡

关键词：光学谐振腔；光电；振荡器

1光电振荡器的发展现状

基于光电调制器的非线性特性和反馈电路的有限延迟时间原理，1982年，Neyer首先提出光电振荡器的概念。1996年，美国喷气动力实验室经过多年的研究，系统介绍了光电振荡器的基本原理和各个基本器件在环路中的作用，并制作了能产生高达75GHz微波信号的光电振荡器。随着通信技术的飞速发展，近年来国内外研究人员在OEO基本理论基础上，提出了一些利用功能相同或类似的元器件替代OEO中的元器件的方案，这些方案中有电子器件也有光学器件。通过这些器件的使用，可以改善OEO系统的性能，得到高品质的微波信号。有一部分学者提出了其他一些方法：例如双光路结构、全光增益下的主从结构、注入锁定环结构、OEO的耦合以及锁模激光器结构。

2光电振荡器的工作原理

传统的单环路光电振荡器如图1所示，工作原理为：激光器发出的连续光经强度调制器后进入长光纤，在长光纤中产生延时效应后进入光电探测器，光电探测器把光信号转换为电信号后经过放大器的放大作用，然后进入滤波器进行选频滤波，最后经过耦合器，一路信号反馈回调制器，一路信号进入频谱分析仪进行分析观测。在此过程中，有源器件会产生不同频率的噪声扰动，这些扰动被放大器放大，反馈给调制器，使得经过调制器的光信号产生同频率的扰动，而同频率扰动的光信号又被探测器转化为同频率扰动的电信号反馈回调制器，这样信号经过多次循环后，只要增益满足一定的条件，就能建立起稳定的震荡，在电输出端输出稳定的等频谱间距的微波电信号，在光输出端输出稳定的微波光信号。整个反馈回路构成一个微波谐振腔，其谐振峰的频率主要由滤波器决定。

图1光电振荡器原理结构

3光电振荡器的幅值

光电振荡器系统本质上就是一个微波谐振腔环路，对于任意谐振腔环路来说，要想实现稳定的振荡输出，输入信号的相位和频率必须满足一定的起振条件，光电振荡器输出为非线性输出，如果系统中滤波器的带宽足够窄，理想情况下假设为只允许单一频率的微波信号通过，OEO的输出可以近似为线性：

对上式运用泰勒级数展开，可以得到化简后的电压增益系数为：

由公式2.8可以知，当输出信号的电压教小时，即V0<<Vπ时，系统的电压增益系数可以近似简化为：GV0≈Gs。但是，由于强度调制器的半波电压Vπ是随反馈信号频率变化而变化的量，同时光电探测器的输出电压与光电探测器的响应度是成线性关系，而不同频率的微波信号对应着不同的响应点，因此，电压增益系数是跟微波频率有关的变量。

4基于光学谐振腔的可调谐光电振荡器研究

频率可调谐光电振荡器，一直是光电振荡器发展的最终目的，因为要想实现工程化和实用化，光电振荡器仅能产生高频、低相位噪声的微波信号还不够，必须要实现输出的可调谐，这才能真正应用到实际中，正因为这个原因，光电振荡器的可调谐输出，近年来成为了国内外学者研究的热点。对于光电振荡器输出的可调谐，归根结底分为两种思路：一种是采用电滤波的方法，先让光电振荡器自由振荡，产生多模式微波信号，然后通过调节电滤波器的中心频率，选择所要输出的频段，来现实光电振荡器的可调谐。比较有代表性的是2003年，LuteMaleki等人在OEO系统中加入钇铁石榴石电可调谐滤波器，但是由于钇铁石榴石滤波器的3dB带宽大，必须要用三个环路来实现滤波、从而实现单模输出，并通过改变钇铁石榴石的工作电压，从而改变滤波器的中心频率，最终实现输出频率的可调谐。

传统的OEO结构是由激光源、强度调制器、长光纤、光电探测器、微波滤波器和微波放大器等器件组成的反馈回路。当满足振荡条件时，信号在腔内多次反馈并最终形成稳定的输出。利用相位调制器+平面光波导谐振腔取代传统OEO中的强度调制器，光子经过相位调制器时，其相位会随时间发生改变，变化相位的光子进入光学谐振腔后其输出端的光强也会发生变化，这一变化的信号最终反馈回相位调制器构成振荡环路，通过多次循环最终形成稳定的射频信号输出，系统结构如图2所示。

5结束语

光电振荡器作为一种新型的微波信号源，可以产生频率高达几百GHz、超高频谱纯度的射频信号和微波光子信号。而低相位噪声、高频谱纯度、高品质因数的微波信号又被广泛的应用于宇宙探测、军事雷达、航空航天、通讯系统和电子对抗等领域。随着射频通信的快速发展，近年来对于OEO的研究从降低相位噪声转移到实现可调谐输出以及小型化和实用化过程中。

参考文献：

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