（电子科学与技术专业论文）光电振荡器技术及其相位噪声测量研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h em o d e r np h o t o e l e c t r i ci n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yw i d e l yu s e da n dr a p i d d e v e l o p m e n ti nt h e f i e l d so fa e r o s p a c e ，r a d a r , c o m m u n i c a t i o n s ，i n s t r u m e n t a t i o n ， e l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r e se t c ，f r e q u e n c ys t a b i l i t ya n ds p e c t r a lp u r i t yo ft h es i g n a l s o u r c eh a v eb e e np u tf o r w a r dh i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t s p h a s en o i s e m e a s u r e m e n tp l a y sa ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h er e s e a r c ha n dp e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n to ft h eo s c i l l a t o r s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm i c r o w a v eo s c i l l a t o r , o p t o e l e c t r o n i co s c i l l a t o r ( o e o ) u s i n gl o wl o s so ft h em o d u l a t o ra n do p t i c a lf i b e rc a n n o to n l yc o n v e ac o n t i n u o u sl i g h ti n t om i c r o w a v es i g n a lw i t hv e r yl o wp h a s en o i s e ， b u ta l s oc a no u t p u tas t a b l eo p t i c a ls i g n a l f i r s t l y ，t h i sp a p e rs t u d i e st h es t r u c t u r e ，t h ep r i n c i p l ea n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h e o e o s t h e nt h ec o m m o n l yu s e do e os c h e m e sa r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h e f r e q u e n c ys t a b i l i t ya n dp h a s en o i s ep e r f o r m a n c eo ft h eo p t o e l e c t r o n i co s c i l l a t o ra r e a n a l y z e d i nd e t a i l f i n a l l y , t h ep h a s en o i s em e a s u r e m e n tm e t h o d so fo e oa r e s u m m a r i z e da n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hs c h e m ea r ec o m p a r e d a c c o r d i n g t o e x i s t i n gp h a s e n o i s em e a s u r e m e n tm e t h o d s ，a p r a c t i c a l m e a s u r e m e n tt e c h n i q u ea n dan e ws y s t e mc a l i b r a t i o nm e t h o dh a v eb e e np r o p o s e dt o m e a s u r et h ep h a s en o i s eo fo e o s b yu s i n go p t i c a lf i b e rd e l a y l i n e ，t h ef r e q u e n c y f l u c t u a t i o n so ft h es o u r c ea rec o n v e n e dt op h a s ef l u c t u a t i o n s a f t e rt h a t ，t h ep h a s e f l u c t u a t i o n sa r ec o n v e n e dt ov o l t a g ef l u c t u a t i o n sv i aad o u b l e b a l a n c e dm i x e r t h e p h a s en o i s ec a nb eo b t m n e db ym e a s u r i n gt h ep o w e rs p e c t r a ld e n s i t yo fv o l t a g es i g n a l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep h a s es e p a r a t i o na n da m p l i t u d eo ft h ev o l t a g es i g n a li s m e a s u r e db ya d j u s t i n gt h ev a r i a b l eo p t i c a lf i b e rd e l a y l i n e p a r a m e t e r so ft h es y s t e m a r ec a l c u l a t e d ，a n dt h es y s t e mi sr e c a l i b r a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wi t s a d v a n t a g e so fl o wc o s t ，f e w e rd e v i c e sr e q u i r e da n dt h ec a p a b i l i t yo fm e a s u r i n g v a r i o u so p t o e l e c t r o n i co s c i l l a t o r sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n df r e q u e n c i e s k e yw o r d s ：o p t o e l e c t r o n i co s c i l l a t o r ；p h a s en o i s e ；o p t i c a l f i b e r d e l a y 一1 i n e ： d i s c r i m i n a t o rc o n s t a n t ；s y s t e mc a l i b r a t i o n i i i 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 西子湖畔、良辰美景；百年名校，教书育人。两年多的浙江大学硕士研究生 学习生活即将结束，在这段宝贵的时间里，我得到了老师、同学、家人及朋友的 帮助和关心。今论文即将完成之际，我谨向所有关心、支持和帮助过我的人表示 最衷心、最诚挚的感谢。 时值人生黄金年华，身处名校知识海洋，两载熏陶，学问稍有增长，意志得 以锤炼，今日成绩归功于我的导师金韬教授三年来在学问上倾囊相授，在生活中 无私关怀，在作风上一丝不苟，在治学上严谨悉心，在交流中平易近人。金老师 不仅知识渊博，富有创造力；同时品格高尚，极具长者之风，实为学生学习的楷 模和标杆，在此，首先向金老师表达最崇高的敬意。 今日学有所成要感谢池灏教授的热情指导和悉心关怀，池教授渊博的知识、 敏锐的洞察力和毫无保留的指导，指引我通向求学的高峰，在此，我要向池教授 致以最真诚的感谢。 今日成长同样要感谢实验室的同学，朝夕相伴，共学共度，时光荏苒，光阴 难忘，感谢邓圆、田晓培、赵欣慰、高治雄、黄鹤汶、丁凯、孟威、徐伟、曲嵩， 是你们促我成长，是你们带来欢笑，是你们让我拥有回忆 今日所学我要感谢母校，感谢您诗情画意如花园的校园，感谢您浩瀚无边如 大洋的书海，感谢您海纳百川如圣贤的胸怀，让我度过美好的时光，造就了我赖 以生存的技能。 今日成长要特别感谢父母，感谢您们的养育之恩，感谢您们的谆谆教诲，感 谢家人，感谢你们无微不至的关怀，感谢你们默默无悔的支持，你们永远是我最 尊敬、最珍视、最爱的人。 最后，感谢百忙中为本论文进行评阅和指导的所有专家和学者。 池金刚 2 0 1 3 年1 月于浙江大学 浙江大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着科技的发展，特别是信息技术的快速更新换代，在现代通信领域中， 以无线通信与光纤通信两种通信技术交叉融合的光电信息技术备受瞩目，发展迅 速，且潜力巨大，前景无限。 在上世纪的大部分时间里，由于军事斗争的需要，在军事系统中，无线通 信，特别是以卫星通信为主的无线通信技术以及现代天线技术等信息技术得到了 飞速的发展。随着科学家研究的深入，电子技术取得了长足的进步。在以前，通 信技术中的电子器件主要依靠电子管，而这种电子器件不仅功耗高，而且体积庞 大，限制了通信技术的实用化，然而随着半导体技术的发展，特别是集成电路和 超大规模集成电路的发展和应用，电磁场微波技术的实现也逐步摆脱了电子管时 代的局限，进入了小型化和集成化的时代，同时也将现代通信的工作频段推向了 更高的毫米波段。随着冷战结束以及信息社会的发展，通信技术也实现了多用途 的发展，不仅仅只局限于服从军事斗争的需要，也越来越多的应用在民用领域中， 随之而来推动了移动通信技术、无线局域网技术、互联网技术、模式识别技术等 技术的强势飞速发展。 在无线通信系统中，载波频率越低，其传输带宽越窄，随着人们的通信需求、 信息内容的丰富以及互联网技术的发展，无线通信系统的传输能力较低的问题日 益凸显。传输宽带化渐渐成为当今通信领域的重点与研究热点。高频微波通信尤 其是毫米波段的无线通信的发展正满足了这一需求。但是，随着通信系统工作频 率的提高，微波信号在传输介质中传播时，由于吸收、散射以及反射等引起的损 耗也逐渐增加，且容易受到外界电磁干扰的影响，信号的传输质量以及传输距离 也面临着新的挑战。 在军用系统中，随着雷达、电子战等微波系统中射频信号的带宽的不断扩 展、信号复杂度日益提高，在民用领域中，随着信息量的极度丰富、信息时效性 的苛刻要求，现有的无线通信技术和微波器件的性能以及常规的信号处理方法已 经很难满足未来的发展需求。 由于无线通信技术存在不足，现代信息社会的需求推动了光纤通信技术的 浙江大学硕士学位论文绪论 发展。1 8 8 0 年贝尔发明了光电话，并发表了关于利用光线进行声音的产生与 复制的论文，开启了光通信的光明道路；激光器的诞生以及低损耗光波导纤维 理论的提出，奠定了现代光纤通信技术的理论基础。随着激光技术的发展，特别 是室温下半导体激光器技术的发明【1 】以及光纤传输损耗的急剧降低f 2 】，从光源和 光传播介质上将现代通信隆重推向光的领域，世界各地的光通信网络迅速建立， 从而开启了现代光纤通信的新篇章。随着光纤通信技术的发展，特别是光纤通信 系统中掺铒光纤放大器( e d f a ) 刚1 和波分复用( w d m ) 【5 】技术的提出与应用，大 大提高了光通信系统的系统容量。 随着微波通信技术的发展与光通信技术的日益成熟，两者间的交叉应用、 相互渗透，越来越成为现代通信技术发展的方向，两种技术的结合也成为一种解 决现代信息技术难题的关键。近年来，光电子技术的发展特别是微波光子技术的 兴起与快速发展，使人们可以结合光学与微波技术，采用光学技术方法，利用光 纤和集成电子器件，产生全新的高性能微波光子器件，输出高性能微波射频信号， 甚至可以改进整个通信系统的结构，成功实现在光学域内对微波信号进行产生、 传输、控制、处理以及检测等处理。由于光的带宽很大，并且伴随着光纤技术的 发展和成熟，光信号在高速性、并行处理能力、远距离传输、抗电磁干扰能力和 体积重量等方面比微波具有无与伦比的优势，特别是在信号传输方面，优势更加 明显。在无线电通信领域中，通信系统依靠电缆或波导来传输微波通信信号。这 种传输不仅极易受到外界电磁环境的干扰，特别是现在复杂电磁环境中，有时受 干扰的通信信号几乎让用户无法接收，达到无法容忍的地步，同时，电传输介质 中微波信号的传输损耗会随着频率的提高而急剧增加，并且金属电缆价格昂贵， 难以实现远距离传输。如果将通信信号调制在光载波上，采用光纤作为传输介质， 并在传输末端使用光电接收机( p d ) 将光信号转换成电信号输出，则可以从根本 上解决微波信号在传输上存在的问题，同时当信号在光域内传输时，通过对传输 信号进行一系列处理，也可大大简化电子通信系统，减小系统体积，降低通信系 统成本。 高质量的微波信号是通信技术的基础，微波信号产生技术也是一切微波应 用的关键。高质量的微波信号产生系统特别是振荡器广泛应用于航空、通信、仪 器测量等民用领域和各种雷达、电子对抗等军事领域中。任何振荡器产生的信号 浙江大学硕士学位论文绪论 的质量取决于振荡电路的能量存储时间，高q 值即低损耗储能元件是产生高频 谱纯度、高稳定性微波信号的关键，传统的电振荡器一般采用介质振荡器或石英 晶体作为储能元件，但是这些元件的频率范围有限，只适用于产生数m n z ( 石英 谐振器) 到数g h z ( 介质谐振器) 频率范围的信引6 ，介质振荡器在对于要求低 噪声、高频谱纯度或可调谐的条件下，传统振荡器就表现出很多的不足；石英晶 体虽然可以获得q 值很高的稳定晶体振荡，但是不能直接得到高频振荡【_ 7 1 。微波 光子技术利用光纤的低损耗、大储能特性，通过光电混合谐振腔构建的光电振荡 器作为一种新型的微波信号发生器，使用光纤作为储能元件，由光源、强度调制 器、滤波器以及放大器等器件组成一个正反馈环路，不仅能够产生光输出信号， 同时也能产生高频谱纯度的微波电信号输出，它利用调制器以及光纤低损耗的特 性，将连续光转换为稳定的、频谱干净的射频微波信号。只要选择合适的调制 器和滤波器，光电振荡器可以产生频率从几百m h z 到上百g h z 、q 值高达1 0 1 0 、 并且具有极低相位噪声的高品质信号，同时也可输出具有可调谐性的光和电的两 种高频信号，是一种非常理想的信号发生装置【8 。1 1 1 。 综上所述，对微波信号采用光学的方法进行处理【l2 j 可以克服由于电子设备 的瓶颈等带来的局限性，基于光、电混合通信技术可以大大提高通信质量。因此， 由于微波光子技术具有如此多的优势和先天条件，目前，世界各国越来越多的科 学家和学者都致力于此项技术的研究。 随着现代光电信息技术在航空航天、雷达通信、仪器测量、电子对抗等领 域中的广泛应用和迅速发展，对系统性能提出了更高、更严格的要求，特别是对 信息系统中微波信号源的频率稳定度和频谱纯度提出了越来越高的要求。然而微 波信号的相位噪声会伴随整个通信过程中。在解调终端，会引起基带信噪比下降， 在通信传输中，会使信号的信噪比下降，增加通信误码率，降低通信质量，在军 事应用中也可影响雷达系统的目标识别的分辨率等。因此，信号源的相位噪声性 能在微波应用领域越来越受到重视，信号源的频率稳定度已经成为现代电子系统 和设备的一个关键性技术。 与传统的微波振荡器相比，光电振荡器利用调制器和光纤低损耗的特性将 连续光转换为频率稳定的、高频谱纯度的、低相位噪声的微波信号 1 0 , 1 3 - 1 5 】，由于 光电振荡器的诸多优点，光电振荡器在科技和工程中应用得越来越广泛。为了测 浙江大学硕士学位论文绪论 试和精确表征振荡器的性能，信号源的相位噪声测量技术发挥着越来越重要的作 用【1 6 】。 1 2 光电振荡器技术的研究现状 近几十年来，随着现代光电信息技术的发展，高性能微波振荡器信号源的 研究越来越深入，其应用也越来越广泛，随着微波光子技术的发展，光电振荡器 的研究越来越受到重视和关注。 1 9 8 2 年，n e y e r 和v o g e s 首次提出了利用输出端的光信号反馈控制电光调 制器的这种环形结构来实现振荡器的光电振荡器原理和结构【1 7 】。1 9 9 4 年，美国 喷气动力实验室( j p l ) 的x s t e v e y a o 和l u t em a l e k i 等人提出并演示了第一个 光电振荡器结构1 8 】，产生了高质量的微波信号，其组成包括一个低噪声的激光 光源、一个光电调制器、一条长光纤、一个光电探测器、电信号放大器和滤波器 等构成光电混合结构的振荡环路实现自注入锁定，光纤环路产生时间延迟，以获 得产生低噪声高质量的信号所需的品质因素q ，自此开启了光电振荡器系统的结 构体系。1 9 9 6 年，同样是x s t e v e y a o 和l u t em a l e k i 等人在多年研究的基础上 对光电振荡器的结构以及原理做了详细的分析，设计了实验，同时结合实验结果 建立了完整的理论分析，并且详细地阐释了光电振荡器环路结构中各个独立部分 的功能1 3 1 。 然而，在光电振荡器系统中，光纤环路的储能时间决定了振荡器的q 值 ( q = 2 刀：f o n l # c ) ，由此可见，振荡器的相位噪声受到光纤延迟线的长度即延迟 时间的影响。虽然可以通过增加光纤长度( q 值与光纤长度三成正比) 来降低相 位噪声，但实际上当振荡器产生的频率满足2 硝女t = 2 七万时，会产生不同的起振 模式，且振荡模式间隔为a f = c n l 。由此可见，随着光纤长度的增加，波模数量 也会增加，波模之间的频率间隔就会变小。理论上我们可以用一个足够窄的滤波 器去除不需要的模式，但由于微波高q 值的高频滤波器目前也难以实现，因此 很难得到理想的结果 6 , 1 3 】，所以使用长光纤的o e o 会产生不需要的模式。为了 克服这一难题，2 0 0 0 年，y a o 和m a l e k i 提出通过增加光纤环路( 长光纤和短光 纤) 形成一个光滤波器的双环路o e o 结构来降低相位噪声【1 9 1 ，在这种双环结构 的o e o 中，振荡器起振的振荡模式间隔由短光纤环路决定，相位噪声则由长光 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 纤环路决定，双环振荡器可以得到模式间隔大且相位噪声低的振荡信号。利用短 光纤的无频谱谱线范围来消除或减小长光纤中波模的影响，形成一个光滤波器， 只有同时满足o e o 中的两种光纤长度的振荡模式才能起振，这种双环路结构大 大的降低了振荡器的相位噪声。 目前各国研究人员在基于光电振荡器基本原理的理论基础与多环路结构模 型上，提出了一些使用功能相同或相近的电子或光学器件用作替代品的新方案或 使用一些新的器件的多环路结构的光电振荡器，也得到了良好的相位噪声性能， 例如江阳等使用偏振分束器( p b s ) 和偏振合束器( p b c ) ，在不增加有源器件的 基础上，把普通单环路光电振荡器改成一个光域分、合路的双环路结构【2 0 1 ，可 以有效地抑制每一个独立单环路中起振的边模；或者通过改进光电振荡器各个器 件的性能获得不同功能的微波信号，例如d e l i y a h u 和l m a l e k i 使用可调谐滤 波器，实现输出频率的步进可调谐即粗调【2 1 】，同时2 0 0 4 年，美国o e w a v e 公司 研制成功了这种使用y i g 可调谐滤波器的三个光纤环路的光电振荡器，不仅实 现了输出信号频率的可调谐性，同时也降低了振荡器输出微波信号的相位噪声； s t 6 p h a n ep o i n s o t 等人使用可调谐激光光源实现了振荡器输出频率精确可调谐的 光电振荡器等等【2 2 1 。 自最初的光电振荡器结构以后，又出现了一些新的方法。例如，在注入锁定 双环路光电振荡器中，通过两个o e o 将主振荡器输出的微波信号注入附属振荡 器进行锁定并再次选模，附属振荡器起一个光滤波器的作用，利用这种结构的 o e o 产生的微波信号的q 值可以很好抑制边模【2 3 1 ；全光增益下的主从o e o 结 构【2 4 1 ；还有锁相环型光电振荡器，即通过将振荡器输出的微波信号与参考信号 进行比较，并形成锁相环进行锁相后将微波信号注入调制器，形成稳定振捌2 5 】： 基于锁模激光器与光电振荡器的耦合应用的锁模振荡器( c o e o ) ，以锁模环路 作为选模谐振腔的耦合型光电振荡器，这种结构的光电振荡器具有锁模激光器光 源和o e o 的双重功能，微波信号具有极低的相位噪声【1 4 ，2 6 1 。 1 3 相位噪声测量技术的研究现状 随着现代光电信息技术在航空航天、信息通信、雷达探测、仪器测量、电子 对抗等军事和民用领域中的广泛应用和迅速发展，对振荡器等信号源的频率稳定 度和频谱纯度提出了越来越高的要求，信号源相位噪声的测量在振荡器的性能研 浙江大学硕士学位论文绪论 究和测试中发挥着越来越重要的作用【1 6 】。与传统的微波振荡器相比，光电振荡 器可将连续光转换为频率稳定的、高频谱纯度的、具有极低相位噪声的射频微 波信号 1 0 , 1 3 - 1 5 】，为了测试和精确表征光电振荡器的相位噪声性能，学者们也提出 了很多相位噪声测量的方法。 通常的测量方法是将光电振荡器微波信号与一个具有超低相位噪声的基准 微波信号通过鉴相器正交鉴相后，检测噪声电压来测量其相位噪声性能，但是基 于这种原理的外差测量法以及拍频测量法均需要一个与被测光电振荡器工作在 同一中心频率且相位噪声极低的高性能参考信号源【2 7 1 ，这种方法不仅限制了光 电振荡器中心频率的可调谐性，而且这种高性能参考信号源也很难获得，也降低 了这种测量方法的通用性与实用性。 双光子延迟线互相关法和零差法测量技术虽然不需要参考信号源，但是其结 构复杂，所需实验器件较多，相对测量费用较高2 8 。3 0 1 ；传统的使用电延迟线零差 法测量技术虽然很好的克服了外差法技术的不足，不需要参考信号源，但电延迟 线对高频微波信号的衰减较大，且宽带电延迟线制作也很困难，难以准确测定光 电振荡器的相位噪声3 1 1 。 本文利用光电振荡器输出的光、电两种信号，使用光纤延迟线和双平衡混频 器作为鉴频器，将光电振荡器的微波信号的频率波动变换为频谱仪可测的电压波 动，从而实现相位噪声测量；通过调节可变延迟线改变两路信号相位差，获取相 位与幅度曲线，计算出系统参数，从而实现系统校准，大大降低了测量难度和系 统费用，提高了测量技术的实用性，该测量系统的测量原理及系统参数校准的理 论分析将在第四章进行详细描述。 1 4 论文安排 本论文的研究以微波光子技术为中心，主要分为光电振荡器信号源与光电振 荡器的相位噪声性能及相位噪声测量两个部分。 本论文分为五章，各章的内容安排如下： 第一章为绪论，介绍了微波光子技术研究概况和光电振荡器的研究背景及研 究意义，介绍了现代光电信息技术特别是光电振荡器的性能及其相位噪声测量的 研究现状和发展趋势。 第二章针对国内外常用的光电振荡器的结构进行了分类介绍，并分析比较了 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 它们各自的优势和存在的局限。针对光电振荡器的基本结构，详细分析了光电振 荡器的基本原理，建立了理论模型；详细讨论了o e o 起振的闽值条件、振荡模 式与振荡频率、微波信号频谱特性以及相位噪声性能等。 第三章在对光电振荡器结构和工作原理的研究基础上，介绍了相位噪声的定 义和表征方法，重点分析了o e o 的相位噪声性能：同时介绍了目前常用的几种 光电振荡器的相位噪声测量的系统和方法，并分析了各种测量方法的优势以及其 存在的不足。 第四章针对光电振荡器的相位噪声测量的系统和方法，在对光电振荡器的相 位噪声性能分析的基础上，提出了一种基于光纤延迟线和双平衡混频器的实用的 鉴频法测量系统和新的系统参数校准方法，给出了测量系统的结构，分析了该测 量系统以及系统参数校准方法的原理和性能，并通过实验验证了该系统的性能， 同时对该系统进行了误差分析。 第五章为全文的工作总结。 浙江大学硕士学位论文光电振荡器的技术研究 第二章光电振荡器的技术研究 高质量的微波信号是通信技术的基础，微波信号产生技术也是一切微波应用 的关键。传统的电振荡器由于储能元件的限制，产生的频率范围有限，并且在对 于要求低噪声、高频谱纯度或频率可调谐的情况下，传统振荡器表现出很多不足， 且不能直接得到高频振荡。随着激光技术的发展和光子器件性能的改善，光电振 荡器利用调制器和光纤低损耗的特性，将连续光转换为稳定的、频谱干净的射频 信号，只要选择合适的调制器和滤波器，o e o 就可以产生频率从几百m i - i z 到上 百g h z 、q 值高达1 0 1 0 、低相位噪声的高品质信号，并且o e o 也可产生频率可 调谐的微波信号，由此可见，o e o 在微波信号特别是高频段信号的产生方面显 示出明显的优势，是一种非常理想的信号发生装置。 2 1 光电振荡器的基本原理 光电振荡器的核心是利用光学技术实现储能和滤波，最终得到高质量的微波 信号，o e o 的基本结构是一个基于由低噪声的激光光源、光电调制器、长光纤、 光电探测器、电信号放大器和滤波器等构成光电混合结构的正反馈振荡环路，光 纤环路产生时间延迟，以获得产生低噪声高质量的信号所需的品质因素q ，利用 调制器以及光纤低损耗的特性，将连续光变为稳定的、频谱干净的射频信号输出， 典型的单环光电振荡器结构图2 1 所示【1 0 , 1 3 。 图2 1 光电振荡器的结构原理示意图 8 浙江大学硕士学位论文光电振荡器的技术研究 低噪声激光器发出的连续光经电光调制器调制后，通过长光纤传输进入光电 探测器，光电探测器把光信号转变为电信号后进入滤波器进行选频滤波，通过信 号放大器进行信号放大，然后通过反馈调制器件，从而形成正反馈回路，实现自 注入锁定，形成稳定振荡。振荡环路中的信号放大器提供了信号增益，信号经过 多次循环后，就能建立起稳定的振荡，其振荡频率由光延迟线的长度、调制器的 偏压及滤波器的通带特性决定【3 2 1 ，该振荡器同时输出电信号和光信号，这在光 子应用领域具有极大的优势。但是，在振荡器工作过程中，有源器件的使用会带 来一定的噪声，会影响振荡信号的性能。 2 2 光电振荡器的性能分析 2 2 1 光电振荡器的起振条件 典型的光电振荡器的结构如图2 1 所示，由文献 1 0 ，1 3 可知，光电振荡器的 振荡阈值条件可通过设置反馈环路的小信号增益来获得，设圪为加在电光调制 器上的电压，当光信号经过光电检测器转换成电信号并经过射频放大器后，其相 对应的放大器输出端的输出信号电压为： ，= 1 一，7 s i n 硝( ，) 圪+ 圪 ) ( 2 1 ) 式中圪为半波长电压，圪为偏置电压，刁用来描述调制器的消光比( 1 + r ) ( 1 - r ) ， 为放大器输出端光子产生的电压： = r q ( 2 2 ) 式中r 为探测器的阻抗，q 为探测器的电压增益，l 为光电流。 由文献 1 0 ，1 3 ，3 3 可知，用异表示输入光功率，则调制器输出的光功率与偏 置电压的关系可表示为： p ( t ) = ( 口r 2 ) l 一刀s i n 万【圪( t ) b + v , v a ) ( 2 3 ) 式中口为调制器的插入损耗。 式( 2 1 ) 描述了从电光调制器的射频输入端反馈控制o e o 信号，由此可得 环路的小信号增益为： 浙江大学硕士学位论文 光电振荡器的技术研究 呸三烈= 0 = 一警c o s c 鲁， 仁4 ， 由上式可以看出，当偏置电压为0 或时，小信号增益系数可达到最大 值，在外调制器连接中，电光调制器可以正偏置和负偏置，并不会影响调制器的 性能。为了使o e o 能够起振，开环小信号增益系数必须要大于1 。由式( 2 4 ) 可得到光电振荡器起振的阈值条件为： 2 而赫 q 5 ) 1 刀7 7c o s l 刀。i 占i z ) 在理想情况下，g = 1 ，此时r = 1 ，= 0 或匕，代入上式，可得到o e o 起振的阈值条件为： = 卫 ( 2 6 ) 式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 表明，光电振荡器环路中的信号放大器并不是o e o 起 振所必须的条件，只要满足条件l p h 圪万，环路中就可以不用信号放大器，取 而代之的是由抽运光源输入的光能量为o e o 起振提供必要的能量。光电振荡器 的这一属性具有很强的现实意义，理论上，可以利用光纤进行远离距离提供能量， 更重要的是，在环路中省去放大器，可以消除由放大器带来的噪声，使o e o 更 加稳定；但实际上，利用光纤进行远距离供能，需要激光器提供足够的功率，以 补偿o e o 的环路中的损耗，而且随着频率的升高，o e o 环路的损耗也随之增大， 因此o e o 环路中必须采用放大器以提供环路增益，从而实现稳定振荡。 2 2 2 光电振荡器的振荡频率与振幅 光电振荡器在形成振荡的过程中，由于环路中的反馈作用，只有信号幅度和 相位满足一定条件的振荡频率才能形成振荡并输出微波信号。由文i 献 1 0 ，1 3 】可知， 式( 2 1 ) 是非线性的，但是经过具有足够窄的通带窗口的滤波器后可被线性化， 线性处理后的输出为： = g ( v o ) v , o ( f )( 2 7 ) 式中表示滤波器输入信号幅度，g ( k ) 表示电压增益系数，其表达式为： 1 0 浙江大学硕士学位论文光电振荡器的技术研究 g ( 圪) = 呸丽2 v 州百, r v o ) ( 2 8 ) 用泰勒级数展开后，电压增益系数可近似表示为： g c 驴q 怯1 耖壶c 别 亿9 ， 当输入信号足够小( v o 0 时，鲲= o ；c ( v o ) 0 时，纸= 万。 r 2 1 5 ) 在上面分析中，我们利用再生反馈的方法分析了振荡器的光谱特性。这种方 法已经成功用于分析激光器以及一些振荡器。从上面的分析中，我们看到维持自 激振荡的条件是：在环路中，信号的单程增益需大于单程损耗。维持自激振荡的 第一个条件是：在所有起振的模式中，只有与基波信号的相位差为2 x 的整数倍 的模式才能起振。所以调制器和滤波器的频率响应特性只让满足条件的模式起振， 从而抑制了其它模式的起振。第二个条件表明只要输入光的能量足够强，在环内 不使用微波或射频放大器，振荡器本身就能够维持自激振荡。 根据以上分析可得出，当光电振荡器形成稳定振荡后，o e o 起振的中心工 作频率氕。j 了 1 3 】： f o $ c ：( k + l 2 ) f o r 6 ( v o s 。) 0 ( 2 1 6 ) r 式中后为整数，代表着可能出现的不同的振荡模式，f 表示整个环路的总延迟时 间，从上式可以发现，光电振荡器的振荡频率与调制器的偏置电压的极性有关， 当负偏置时，o e o 的基本频率为1 2 2 - ，当正偏置时，o e o 的基本频率为1 f 。 当o e o 稳定振荡形成后，即当i g ( 吃。) i = 1 时，可求得o e o 振荡幅度值。 由式( 2 8 ) 得： l 以c 警，l _ 南警 亿 浙江大学硕士学位论文 光电振荡器的技术研究 同样由式( 2 9 ) 可求得振荡器的三阶和五阶振幅近似值分别为： ：亟 万 = 华( 一击 。” 万 i 。3 ( 2 1 8 ) r 2 1 9 ) 由上式，可得到振荡的闽值条件为l g i 1 。 多环路结构的光电振荡器在原理上类似于多个嵌套的光学谐振腔，其中任何 一个环都可以单独构成一个完整的光电振荡器，因此其分析方法与单环路光电振 荡器的分析方法是一致的【1 0 , 1 9 1 。 下面对典型的双环路结构o e o 进行理论分析，其原理结构如图2 2 所示。 图2 2 典型的双环路o e o 的结构原理图 利用环路反馈的递归关系得： 圪( ) = g le x p ( i c o t l ) + 9 2e x p ( i c o r 2 ) 巧一1 ( 国) ( 2 2 0 ) 式中蟛( 彩) 是光电场在环路中第j 次环行后的复振幅；g l 、9 2 分别为两个环路的 复增益，五，r 2 分别为两个环路的光纤延迟时间。 在光电振荡器形成稳定的振荡以后，输出电压为： 1 毫 浙江大学硕士学位论文 光电振荡器的技术研究 屯( 缈) = 【g le x p ( i c o r l ) + 9 2e x p ( i c o r 2 ) l ? j ( 国) 。= 旷 ( 2 2 1 ) 1 一 g le x p ( i o g r i ) + 9 2e x p ( i c o r 2 ) 式中皖表示输出信号电压的复振幅。当振荡环路起振时，环路信号之间的相位关 系满足： ：絮芝 ( 2 2 2 ) 2 ( 缈) = 2 聊万 、。 式中k 、m 为整数，由式( 2 1 5 ) ，同样可求得输出功率为： 时 以叫2 币鬲毛簖确 q 2 3 ) 为了从噪声起振，上式中分母应该为零，由此可以得出双环路光电振荡器稳 定振荡后两路增益关系为： i g ，i + l g ：i = l ( 2 2 4 ) 从而得出双环路光电振荡器振荡阈值条件为i g l i 29 2 l = o 5 ，而当其中的任意 一个环路的增益大于0 5 时，在振荡器稳定振荡后，电光调制器的非线性将环路 的增益拉低至0 5 。由于双环路的两个环路均是一个闭合的回路，因此只要任意 一个环路中的光功率和电功率足够大的话，整个系统都可以独立起振。 2 2 3 光电振荡器的振荡模式 光电振荡器在形成稳定振荡后，由上文对o e o 的振荡频率的分析可知，在 整个振荡过程中，只要频率满足式( 2 1 6 ) 的振荡模式都可以起振，由于在环路 中使用长光纤，因此，在环路中会有很多个振荡模式同时起振，振荡器起振时的 模式的数量取决于环路中滤波器的带宽值，理论上可以使用带宽足够窄的滤波器 滤除掉不需要的模式，从而实现单模振荡，但是这种滤波器在目前的技术条件下 还难以实现。 在振荡环路中，由于光纤一般很长，所以由光纤产生的光群时延要远远大于 环路其他器件所产生的时延，因此，在光电振荡器的理论分析中一般只考虑光纤 产生的时延。 1 4 浙江大学硕士学位论文光电振荡器的技术研究 由式( 2 1 6 ) 可知，光电振荡器的振荡频率厶与环路中的光纤长度之间满 足关系式： m cmm t = 一= 一= 一 jo s c n l l t , 1 a f t o s c f f 2 2 5 ) 式中m 、c 分别表示振荡的纵模阶数、真空中的光速，观。= t h 表示振荡器振 荡环路中的振荡模式的模式间隔。由上式可以看出，微波信号的振荡频率由光信 号在环路中的延迟时间以及环路中滤波器的中心频率所决定，自由光谱范围即振 荡模式间隔是由光环形腔的长度决定，与光在环路的光程有关，随着光纤长度的 增加，波模数量也会增加，波模之间的模式间隔就会变小，因此也增加实现单模 振荡的难度。 对于双光纤环路结构的光电振荡器，一般两个光纤环路中光纤的长度不同， 其中一条使用长光纤，一条使用较短一些的光纤。由于长光纤的使用，使得振荡 模式的频率间隔较小，在微波滤波器的通带之内有很多模式同时起振；而短光纤 环路中，振荡模式的频率间隔较大，但是相位噪声也相对较大，因此只有合理地 选择光纤长度，使得两个环路共同决定的模式数量在电滤波器通带之内尽可能少， 考虑到滤波器通带内的增益不平坦性，则最终可以实现单频起振。 由式( 2 2 5 ) 可知，改变振荡环路中的光纤长度，o e o 的振荡频率也会发生 改变，由文献【1 0 ，1 3 】可知，振荡频率的频率改变量锐。与光纤长度改变量址之 间存在如下关系： _ m f o , q c ：坐：_ a l ( 2 2 6 ) 。 tl 、 光电振荡器的这一属性有着极强的现实意义，我们可通过改变光纤环路腔长 的办法以达到振荡频率可调谐的目的。一方面，由于光纤存在色散，且不同波长 的光在光纤中的光程不同，因此我们可以通过采用可调谐激光光源，或者采用高 调谐精度、大调节范围量的色散补偿模块，实现光电振荡器输出振荡频率的可调 谐，具体理论将在下一节进行详细分析；另一方面，也可通过光可调谐延时线， 直接调节环路腔长，调谐振荡频率。 2 2 4 光电振荡器的频谱与相位噪声 浙江大学硕士学位论文 光电振荡器的技术研究 一般我们司以通过研究光电振荡器的噪声的功率谱密度来计算振荡信号的 频谱 ”，3 4 1 。光电振荡器的主要噪声包括热噪声、散弹噪声和激光器的相对强度噪 声等。通过确定o e o 的噪声功率谱密度来得到信号的功率分布特性。 设风( 缈) 为频率缈处的噪声功率密度，则有： 加舻警 ( 2 2 7 ) 式中鲈为频带宽度，圪( 缈) 为输入电压，r 为光电探测器的负载阻抗。 根据文献 1 3 ，可得出第七个振荡模式的功率谱密度为： w p 瓮= 币而w 孝2 筹忘丽丽亿2 8 ， 式中f 为振荡频率的频率偏移。考虑归一化条件： ( ) a f 篡( ) a f = 1 ( 2 2 9 ) 可得出： s e , f ( f ) 2 瓦丽习雨0 瓦荔历 2 3 0 式中5 定义为： 万= 学 ( 2 3 1 ) 从上式可以看出，, o n 为光电振荡器中放大器的输入端的等效输入噪声密度， 乞q 2 为放大器输入的等效振荡功率。因此，万即为振荡器的噪声信号比。 通常，满足2 万厂f 1 ，因此上式可简化为： ( 门2 獗可蒜 ( 2 3 2 ) 输入噪声密度为： , o n = 4 k n t ( n f ) + 2 e l p h r + n 融n i2 p h r q 3 3 ) 式中七。为玻耳兹曼常数，t 为温度，p 为电子电荷，n f 为射频放大器的噪声系 1 6 浙江大学硕士学位论文 光电振荡器的技术研究 数，为激光器的相对强度噪声。 从式( 2 3 2 ) 可知振荡模式的功率谱密度的半高全宽度( f w h m ) 掣赢删为： 诉= 芴17 d = 瓦1 g 瓦a 2 p _ n 2 ( 2 3 4 ) 三死 7 ct 。r 从上式中可以看出，匀赢聊与延迟时间的平方成反比，- 5 输入的噪声信号比 成正比。因此，可得到： ( 门= 等 i f l 2 ( 门= 赤 i 厂i 殄2 ( 2 3 5 ) 当振荡器的相位波动远小于1 时，单边带幅度噪声密度比单边带相位噪声密 度小得多，因此功率谱密度就等于单边带相位噪声密度。由上式可看出，相位噪 声与光线延迟时间的平方成反比，表明增加光纤长度，即提高环路的延迟时间以 增加信号的储能时间，而系统的q 值与储能时间成正比，从而提高系统q 值， 达到有效降低o e o 相位噪声的目的。 2 3 常见的光电振荡器结构 随着微波光子技术的发展，近几十年来，各国研究人员报导了许多新结构的 光电振荡器，下面介绍几种常见的光电振荡器结构。 2 3 1 单环结构的光电振荡器 典型的单环光电振荡器结构图2 1 所示，其工作原理在上一节已经做了详细 的分析，在这里不再赘述。 单环结构的光电振荡器是一切o e o 分析的理论基础，对其研究也较为透彻。 单环结构o e o 的主要优点是结构简单，分析方便，理论完善，可以得到振荡器 工作过程中各个独立单元的功能以及o e o 性能的精确表达式。 单环结构0 e o 也存在不足，由于o e o 中，光纤环路的储能时间决定了振 荡器的q 值，即振荡器的相位噪声受到光纤延迟线长度的影响，要想实现单模 工作，在现有器件性能的条件下，环路中就必须使用较短的光纤，这样就会使得 振荡器输出的微波信号的相位噪声增加；若要降低振荡信号的相位噪声，则很难 1 7 浙江大学硕士学位论文光电振荡器的技术研究 实现单模输出。由此可见，单环路结构的光电振荡器输出的振荡信号的相位噪声 性能与工作模式之间存在着不可调和的矛盾。 2 3 2 多环路结构的光电振荡器 由于单环结构的光电振荡器存在不足，研究者又提出了多环路结构的光电振 荡器，但环路过多，也会导致光电振荡器的体积过大，不利于集成化和小型化， 因此，目前大多采用双环结构。 典型的双环路结构如图2 2 所示。在该结构中，调制器输出的光信号被耦合 器等功率均分为两路，并各自通过独立的光纤环路和光电转换后在电域中进行耦 合用于反馈调制，形成一个双反馈环路。 双环路结构光电振荡器的一个显著优势在于反馈调制的微波信号是在电域 中耦合形成的，这种耦合不会引入噪声，因此可以保证整个系统的性能不会明显 恶化，同时，这种方案中，每一个环路长度都决定了一套起振的模式，当两个环 路共同作用时，由于两套模式之间的增益竞争，只有同时满足两套模式的频率才 能稳定起振，加上滤波器的频率选择作用，最终可以得到比较理想的单模输出， 由此可见，多环路结构是抑制边模的一个比较有效的方法。这种结构中，环路q 值和相位噪声性能由两个环路长度的平均值决定【2 1 1 ，因此，在多环结构o e o 中， 环路越多，单模选择的效果也越好【35 i 。 目前各国研究人员在上述双环路的结构的基础上，提出了使用一些功能相同 或相近的器件用作替代品的新方案，或使用一些新的器件的多环路结构的光电振 荡器，也实现了良好的相位噪声性能。 江阳等使用偏振分束器( p b s ) 以及合束器( p b c ) 在不增加环路中有源器