一種光電振蕩器及其穩頻方法

一種光電振蕩器及其穩頻方法
【專利摘要】本發明實施例提供了一種光電振蕩器及其穩頻方法，其中光電振蕩器包括激光器、電光調制器、長光纖、相位調制光外差穩頻環路、光電探測器、帶通濾波器、電移相器、電放大器、第二電耦合器和原子頻標器，相位調制光外差穩頻環路包括相位調制器、偏振分束器、鎖定放大器和頻率綜合器；原子頻標器包括銣泡、四分之一波片和反射鏡單元，四分之一波片置于銣泡和反射鏡單元間；相位調制后的光邊帶信號注入銣泡，四分之一波片旋轉泵浦光得45度偏轉光，反射鏡單元反射偏轉光得反射光，反射光經四分之一波片旋轉，得偏振正交旋轉后的反射光；偏振正交旋轉后的反射光注入銣泡，得振蕩頻率抖動漂移信號，經原子頻標器提取并傳輸至相位調制光外差穩頻環路。
【專利說明】
一種光電振蕩器及其穩頻方法
技術領域
[0001] 本發明涉及光電振蕩器技術領域，特別涉及一種光電振蕩器及其穩頻方法。
【背景技術】
[0002] 光電振蕩器是一種將激光器的光能量轉化為微波能量的新型頻率源，具有寬帶可 調諧、低相位噪聲等優點，是一種高頻電子系統非常理想的信號源裝置。高質量的光電振蕩 器是現代電子系統的"心臟"，在測控、雷達、通信、導航、電子對抗、儀器儀表、電子測量、天 文和近代物理實驗等眾多領域都有極其廣泛的應用價值。光電振蕩器不僅提供了本振信號 以建立或選擇傳輸通道，還為高速數字系統提供時鐘信號，并且可以在同步系統中提供參 考頻率源。隨著新興無線通信和各種高頻電子系統技術的快速發展，頻率源輸出信號的性 能指標也越來越高，這就需要光電振蕩器具有更高的輸出頻率、更低的相位噪聲和更好的 穩走度。
[0003] 圖1示出典型的光電振蕩器組成結構圖，如圖1所示，光電振蕩器主要基于閉環的 光電振蕩環路，基本構成包括激光器、電光調制器、長光纖、光電探測器、帶通濾波器、電放 大器和耦合器等。激光器產生的光載波信號通過電光調制后進入長光纖，經傳輸后由光電 探測器轉換為電信號，再經過放大、濾波、移相等電域處理后反饋注入電光調制器。當光電 振蕩環路的增益和腔長滿足起振條件時，經過模式選擇后光電振蕩器就可以生成相應頻率 的射頻信號。由于光電振蕩器使用低損耗光纖作為儲能單元，因此振蕩器可以得到很高品 質因子，產生超低相位噪聲的射頻信號。
[0004] 盡管光電振蕩器具有非常卓越的相位噪聲性能，然而要實現光電振蕩器的實用 化，振蕩器相位噪聲性能和長期頻率穩定性都至關重要。由于長距離高品質因子長光纖對 于外界環境非常敏感，所以輸出射頻信號低頻處相位噪聲性能較差，同時光電振蕩器的長 期頻率穩定性也將受到嚴重影響。因此提高光電振蕩器頻率穩定性是實現光電振蕩器實用 化需要解決的關鍵難題之一。提高光電振蕩器輸出信號的頻率穩定性，需要有效控制振蕩 環路的有效腔長，目前國內外已經對提高光電振蕩器的長期頻率穩定性進行了大量研究。
[0005] 圖2示出了典型的利用光學頻率標準具穩定光電振蕩器輸出信號頻率的方案結構 圖，采用FP腔作為光學頻率標準具。FP腔是一種利用多光束干涉原理制成的光學器件，具有 非常高的品質因子和精細度。該方案中將激光器頻率與FP參考腔共振頻率進行比較，獲得 鑒頻光邊帶的抖動漂移信號，并通過反饋控制系統中聲光移頻器，進而調整激光頻率，使激 光頻率鎖定到FP參考腔的本振頻率上，該方案通過抑制光載波信號頻率漂移來實現光電振 蕩器穩頻輸出。
[0006] 該方案主要利用相位調制光外差穩頻技術，將低頻參考信號調制到光載波信號 上，光信號在FP參考腔中來回多次反射，其中透射光在FP參考腔中形成帶通濾波效應，經光 電振蕩器轉換成射頻信號，通過電域處理后反饋注入電放大器中，使得光電振蕩器環路滿 足起振條件；同時，另一路反射光用來作為光學標準具，并通過光電探測器拍頻得到低頻光 邊帶的抖動漂移信號，與原參考信號進行鑒相產生誤差鑒頻誤差控制信號。最終，光邊帶的 抖動漂移信號反饋調節激光器頻率，使其鎖定到FP腔的共振頻率。不同于利用主動鎖相穩 頻技術穩定光電振蕩器的技術，該方案中FP腔光學頻率標準具共振頻率與光電振蕩器輸出 信號頻率沒有直接關系，注入參考信號主要用于提取激光器的頻率抖動漂移信號。
[0007] 因此，這種典型的利用光學頻率標準具穩頻方案結合了頻率調制光譜技術和光外 差探測技術，通過穩定激光器輸出頻率進而抑制長光纖色散對光電振蕩器輸出信號頻率穩 定度的影響。但是該方案中核心器件高精細度光學標準具(FP腔)對環境溫度敏感度很高， 一旦環境溫度出現輕微波動就會造成頻率失穩。

【發明內容】

[0008] 本發明實施例的目的在于提供一種光電振蕩器及其穩頻方法，解決現有利用光學 頻率標準具的光電振蕩器存在的對環境溫度敏感度高的問題。
[0009] 為達到上述目的，本發明實施例公開了一種光電振蕩器，包括：
[0010] 激光器、電光調制器、長光纖、相位調制光外差穩頻環路、光電探測器、帶通濾波 器、電移相器、電放大器、第二電耦合器和原子頻標器；
[0011] 所述激光器的輸出端與所述電光調制器的輸入端連接，所述激光器用于產生光載 波信號；
[0012] 所述電光調制器的輸出端與所述長光纖的輸入端連接，所述電光調制器用于對所 述光載波信號進行電光調制，生成光邊帶信號；
[0013] 所述長光纖的輸出端與所述相位調制光外差穩頻環路連接，所述長光纖用于儲能 和傳輸所述光邊帶信號；
[0014] 所述相位調制光外差穩頻環路包括:相位調制器、偏振分束器、鎖定放大器和頻率 綜合器，所述相位調制光外差穩頻環路用于對所述振蕩頻率抖動漂移信號進行處理，生成 鑒頻誤差控制信號；
[0015] 所述相位調制器的輸入端與所述長光纖的輸出端連接，所述相位調制器用于對所 述光邊帶信號進行相位調制，生成相位調制后的光邊帶信號；
[0016] 所述偏振分束器的輸入端與所述相位調制器的輸出端連接，所述偏振分束器用于 將所述相位調制后的光邊帶信號和所述振蕩頻率抖動漂移信號隔離，將所述振蕩頻率抖動 漂移信號傳輸至光電探測器；
[0017]所述原子頻標器用于提取并傳輸所述振蕩頻率抖動漂移信號至所述偏振分束器， 所述原子頻標器包括:銣泡、四分之一波片和反射鏡單元，其中，所述四分之一波片設置于 所述銣泡和反射鏡單元之間；所述相位調制后的光邊帶信號作為栗浦光注入銣泡，所述四 分之一波片45度偏振態旋轉所述栗浦光，得到45度偏轉光；
[0018] 所述反射鏡單元反射所述45度偏轉光，得到反射光，所述反射光作為探測光通過 所述四分之一波片進行45度偏振態旋轉，得到偏振正交旋轉后的反射光;所述偏振正交旋 轉后的反射光注入銣泡，得到所述振蕩頻率抖動漂移信號；
[0019] 所述光電探測器的輸入端與所述偏振分束器的輸出端連接，所述光電探測器用于 對所述振蕩頻率抖動漂移信號進行光電轉換，得到電信號；
[0020] 所述頻率綜合器的輸出端分別與所述相位調制器的輸入端及所述鎖定放大器的 輸入端連接，用于向所述相位調制器和鎖定放大器注入參考信號；
[0021] 所述鎖定放大器的輸入端與所述光電探測器的輸出端連接，用于鑒相所述參考信 號與所述電信號，輸出鑒頻誤差控制信號；
[0022] 所述帶通濾波器的輸入端與光電探測器的輸出端連接，所述帶通濾波器用于對所 述電信號進行濾波處理，得到濾波后的振蕩信號；
[0023] 所述電移相器的輸入端與所述鎖定放大器的輸出端連接，所述電移相器用于通過 所述鑒頻誤差控制信號對所述濾波后的振蕩信號進行移相處理，得到移相處理后的信號；
[0024] 所述電放大器的輸入端與電移相器的輸出端連接，所述電放大器用于對所述移相 處理后的信號進行放大處理，得到放大后的振蕩信號；
[0025] 所述第二電耦合器的輸入端與所述電放大器連接，所述第二電耦合器用于對所述 放大后的振蕩信號分路為兩路信號，所述兩路信號中的一路信號輸出，所述兩路信號中的 另一路信號注入電光調制器。
[0026] 優選地，所述的光電振蕩器還包括:第一電親合器，所述第一電親合器的輸入端與 光電探測器的輸出端連接，所述第一電耦合器的輸出端與所述鎖定放大器的輸入端連接， 所述第一電耦合器的輸出端還與所述帶通濾波器的輸入端連接第一電耦合器，所述第一電 耦合器用于將所述電信號分路為兩路。
[0027] 優選地，所述鎖定放大器的輸出端和電移相器的輸入端之間連接有PID反饋控制 器，所述PID反饋控制器用于對所述相位調制光外差穩頻環路輸出的信號進行比例微分積 分反饋控制處理。
[0028]優選地，所述反射鏡單元的反射率為30%。
[0029] 本發明實施例還公開了一種光電振蕩器穩頻方法，包括：
[0030] 獲取光載波信號；
[0031] 對所述光載波信號進行電光調制，生成光邊帶信號；
[0032] 傳輸所述光邊帶信號，對光邊帶信號進行相位調制，生成相位調制后的光邊帶信 號；
[0033] 將所述相位調制后的光邊帶信號作為栗浦光注入銣泡，通過四分之一波片45度偏 振態旋轉所述栗浦光，得到45度偏轉光；
[0034] 所述45度偏轉光經反射鏡反射得到反射光，所述反射光作為探測光，通過所述四 分之一波片進行45度偏振態旋轉，得到偏振正交旋轉后的反射光；
[0035]所述偏振正交旋轉后的反射光注入銣泡，得到振蕩頻率抖動漂移信號；
[0036] 隔離所述相位調制后的光邊帶信號和所述振蕩頻率抖動漂移信號，得到振蕩頻率 抖動漂移信號；
[0037] 對所述振蕩頻率抖動漂移信號進行光電轉換，得到電信號；
[0038] 獲取并鑒相參考信號與所述電信號，輸出鑒頻誤差控制信號；
[0039] 對所述電信號進行濾波處理，得到濾波后的振蕩信號；
[0040] 通過所述鑒頻誤差控制信號對所述濾波后的振蕩信號進行移相處理，得到移相處 理后的信號；
[0041] 所述移相處理后的信號進行放大處理，得到放大后的振蕩信號；
[0042] 對所述放大后的振蕩信號分路為兩路信號，所述兩路信號中的一路信號輸出，所 述兩路信號中的另一路信號注入所述光載波信號中。
[0043] 優選地，所述通過所述鑒頻誤差控制信號對所述濾波后的振蕩信號進行移相處 理，得到移相處理后的信號之前，所述的光電振蕩器穩頻方法還包括:對所述鑒頻誤差控制 信號進行比例微分積分反饋控制處理。
[0044] 優選地，所述探測光的強度為所述栗浦光強度的30%。
[0045] 由上述的技術方案可見，本發明實施例通過光電振蕩環路產生低相噪振蕩信號， 而基于銣泡和反射鏡單元的原子頻標器提取振蕩頻率抖動漂移信號，最后，光外差穩頻環 路向光電振蕩環路中注入參考信號，并將光電探測器拍頻出的電信號與參考信號通過鎖定 放大器進行鑒相處理，提取出鑒頻誤差控制信號后，反饋控制光電振蕩環路中的電移相器， 進而穩定整個光電振蕩器的環路腔長和輸出信號頻率。本發明實施例利用基于銣泡的原子 頻標技術，銣泡的工作頻率不受溫度變化影響，大大提高了光電振蕩環路對溫度變化的敏 感性，從而使光電振蕩器輸出信號的長期頻率穩定性，克服了高精細度光學頻率標準具對 環境溫度敏感的缺點，并且，本發明實施例具有體積較小，易于集成的特點，適合在光電振 蕩器穩頻領域的應用。
【附圖說明】
[0046] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0047] 圖1為現有技術中的光電振蕩器組成的結構示意圖；
[0048] 圖2為現有技術中的利用光學頻率標準具穩定光電振蕩器的結構示意圖；
[0049] 圖3為本發明實施例光電振蕩器穩頻系統第一種實施例的結構示意圖；
[0050] 圖4為現有技術中的利用主動鎖相穩頻技術穩定光電振蕩器的結構示意圖；
[0051] 圖5為本發明實施例光電振蕩器穩頻系統第二種實施例的結構示意圖。
[0052] 附圖標記說明：
[0053] 1.第二電耦合器，2.相位調制光外差穩頻環路，3.原子頻標器，4.激光器，5.電光 調制器，6.長光纖，7.相位調制器，8.偏振分束器，9.反射鏡單元，10.銣泡，11.光電探測器， 12.鎖定放大器，13.頻率綜合器，14.帶通濾波器，15.電移相器，16.電放大器，17.第一電耦 合器，18.PID反饋控制器，19.四分之一波片，20.第三電耦合器。
【具體實施方式】
[0054]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0055] 本發明實施例1公開了一種光電振蕩器，如圖3所示，包括:激光器4、電光調制器5、 長光纖6、相位調制光外差穩頻環路2、光電探測器11、帶通濾波器14、電移相器15、電放大器 16、第二電親合器1和原子頻標器3，
[0056] 其中，相位調制光外差穩頻環路2包括相位調制器7、偏振分束器8、鎖定放大器12 和頻率綜合器13,所述相位調制光外差穩頻環路2用于生成振蕩頻率抖動漂移信號并對所 述振蕩頻率抖動漂移信號進行處理，生成鑒頻誤差控制信號，其中，振蕩頻率抖動漂移信號 是指由于光電振蕩信號頻率抖動漂移導致原子頻標部分產生的低頻信號;所述原子頻標器 3包括銣泡10、四分之一波片19和反射鏡單元9,所述原子頻標器3用于提取并傳輸所述振蕩 頻率抖動漂移信號至所述相位調制光外差穩頻環路2中的偏振分束器8。
[0057]所述激光器4的輸出端與所述電光調制器5的輸入端連接，所述激光器4用于產生 光載波信號；
[0058] 所述電光調制器5的輸出端與所述長光纖6的輸入端連接，所述電光調制器5用于 對所述光載波信號進行電光調制，生成光邊帶信號；
[0059] 所述長光纖6的輸出端與所述相位調制光外差穩頻環路2連接，所述長光纖6用于 儲能和傳輸所述光邊帶信號；
[0060] 所述相位調制器7的輸入端與所述長光纖6的輸出端連接，所述相位調制器7用于 對所述光邊帶信號進行相位調制，生成相位調制后的光邊帶信號；
[0061] 所述偏振分束器8的輸入端與所述相位調制器7的輸出端連接，所述偏振分束器8 用于將所述相位調制后的光邊帶信號和所述振蕩頻率抖動漂移信號隔離，將所述振蕩頻率 抖動漂移信號傳輸至光電探測器11。具體來說，原子頻標器3中，在銣泡10和反射鏡單元9之 間設置有一個四分之一波片19,因此輸入光會有一個45度旋轉，再經過反射鏡單元9返回 時，又經過一次45度旋轉，形成共90度正交旋轉，反射光再沿光路返回至偏振分束器8處時 便不能完全按照原路返回，因此起到隔離輸入光和反射輸出光的作用；
[0062] 所述光電探測器11的輸入端與所述偏振分束器8的輸出端連接，所述光電探測器 11用于對所述振蕩頻率抖動漂移信號進行光電轉換，得到電信號；
[0063] 所述頻率綜合器13的輸出端分別與所述相位調制器7的輸入端及所述鎖定放大器 12的輸入端連接，用于向所述相位調制器7和鎖定放大器12注入參考信號；
[0064] 所述鎖定放大器12的輸入端與所述光電探測器11的輸出端連接，用于鑒相所述參 考信號與所述電信號，輸出鑒頻誤差控制信號；
[0065] 所述帶通濾波器14的輸入端與光電探測器11的輸出端連接，所述帶通濾波器14用 于對所述電信號進行濾波處理，得到濾波后的振蕩信號；
[0066] 所述電移相器15的輸入端與所述鎖定放大器12的輸出端連接，所述電移相器15用 于通過所述鑒頻誤差控制信號對所述濾波后的振蕩信號進行移相處理，得到移相處理后的 信號；
[0067 ]所述電放大器16的輸入端與電移相器15的輸出端連接，所述電放大器16用于對所 述移相處理后的信號進行放大處理，得到放大后的振蕩信號；
[0068] 所述第二電耦合器1的輸入端與所述電放大器16連接，所述第二電耦合器1用于對 所述放大后的振蕩信號分路為兩路信號，所述兩路信號中的一路信號輸出，所述兩路信號 中的另一路信號注入電光調制器5。
[0069] 本發明實施例1中，激光器4、電光調制器5、長光纖6、光電探測器11、電放大器16、 電移相器15和帶通濾波器14組成基本光電振蕩環路，當光電振蕩環路滿足增益條件，起振 頻率和相位條件以及腔長條件，即可實現環路起振。
[0070] 其中，上述的增益條件為：
[0071]將光電振蕩環路1等效為高品質諧振腔，光電振蕩器起振的條件之一為開環增益 Gs必須大于1，即滿足：
[0073] 式中，Vin是電光調制器的輸入電壓，Vmjt、Vph分別為電放大器和光電探測器的輸出 電壓，VjPVB分別為電光調制器的半波電壓和偏置電壓，II決定了調制器的消光比。通過合理 的設置電放大器的增益即可滿足起振的增益條件。
[0074] 其中，上述的起振頻率和相位條件為：
[0075] τ+φ ( c〇k)+<})〇 = 2k3T，k = 0，l，2,3· · ·，
[0076] 式中：cok是起振信號角頻率，k為模式數，Φ (cok)是環路中色散器件引起的相位變 化，Φο是起振信號的初始相位，τ為環路延時。通過合理的設置帶通濾波器及調節電移相器 即可滿足環路起振的相位條件(帶通濾波器用于選擇《!^起振信號角頻率，調節電移相器用 于選擇τ環路延時）；
[0077]其中，上述的腔長條件為：
[0078]利用光電振蕩器振蕩頻率與環路光纖長度的關系，通過長光纖6長度的變化將導 致振蕩頻率的改變，其關系如下：
[0080]式中，fosc為光電振蕩器的輸出信號頻率，L為環路的有效腔長，τ為環路延時，Δ 分別為光電振蕩器輸出頻率、有效腔長和環路延時的偏移量。通過上式表明，光 電振蕩器中長光纖6的時延變化是導致其輸出頻率發生漂移的主要原因。高穩定激光器能 夠輸出穩定頻率光載波信號（fU，光電振蕩器輸出信號的頻率(f_)漂移主要反映在光調 制邊帶(fL-fos。)上。因此，通過穩定調制光邊帶的方法來對光電振蕩器頻率漂移進行補償， 就可對光電振蕩器穩頻。光電振蕩器中普遍采用長光纖來提高環路儲能時間，進而改善光 電振蕩器的相位噪聲性能，所以相對于環路中其他器件，光纖產生的延時抖動是環路腔長 漂移的主要原因。
[00811本發明實施例1的工作原理詳述如下：
[0082]激光器4輸出的光載波信號經過電光調制器5進行電光調制，生成光邊帶信號，再 經長光纖6儲能及傳輸至相位調制器7,光邊帶信號被頻率綜合器13發出的低頻的參考信號 調制，生成相位調制后的光邊帶信號，相位調制后的光邊帶信號作為栗浦光注入原子頻標 器3的銣泡10中，通過四分之一波片19經45度偏振態旋轉，得到45度偏轉光;45度偏轉光經 反射鏡單元9反射，30 %左右的反射光作為探測光沿傳輸路徑反向傳輸，再經四分之一波片 19進行45度偏振態旋轉，得到偏振正交旋轉后的反射光，偏振正交旋轉后的反射光注入銣 泡10,當相位調制后的光邊帶信號的頻率不等于銣泡吸收頻率時，由于多普勒效應，栗浦光 和探測光被沿傳輸方向速度分量相反的原子吸收；當相位調制后的光邊帶信號的頻率等于 銣泡吸收頻率時，根據多普勒效應，在傳輸方向上速度為零的銣泡，由于縱向多普勒頻移為 零，能夠同時與栗浦光和探測光發生共振作用，由于共振作用，更強的栗浦光使這部分原子 處于飽和狀態，減少了對探測光的吸收，從而在銣泡的吸收譜上呈現出"尖峰"效應。利用相 位調制光外差穩頻環路將光調制邊帶頻率鎖定在此"尖峰"上，將很大程度上提高光電振蕩 器的頻率穩定度，可達到10-12或10-13量級，而一般的利用主動鎖相穩頻技術穩定光電振蕩 器技術，往往只能達到10- 6量級。
[0083] 圖4示出了一種利用主動鎖相穩頻技術穩定光電振蕩器的結構示意圖，參見圖4， 利用外部參考信號與光電振蕩環路的輸出信號進行鑒相處理，提取誤差鑒頻誤差控制信 號，通過PID反饋控制器調節電移相器來穩定光電振蕩器環路的有效腔長，由第三電耦合器 20輸出，達到光電振蕩器穩頻輸出的目的。該方案中的外部參考信號通常由穩定度較高的 晶體振蕩器產生，其輸出低頻參考信號需要經過倍頻后與光電振蕩器輸出頻率一致，光電 振蕩器的輸出信號的穩定度主要決定于晶體振蕩器的頻率穩定性。普通石英晶體振蕩器頻 率穩定度通常在10- 5量級，若要得到10-6~10-7甚至更高頻率穩定度，需要采取高精度溫控 和壓控等相應技術。這種典型的主動鎖相穩頻技術方案能在一定程度上提高光電振蕩器輸 出信號的頻率穩定性，其優勢在于結構簡單，成本低，但僅適用于對振蕩器頻率穩定度要求 不高的系統中。
[0084] 本發明的實施例1，通過利用原子頻標技術大大提高了傳統光電振蕩器輸出信號 的長期頻率穩定性，解決了利用光學頻率標準具的光電振蕩器存在的對環境溫度敏感度高 的問題。并且，銣氣體可以封裝成很小的體積，價格相對便宜，克服了現有高精細度光學頻 率標準具體積較大、加工難度大、成本高及不易集成等缺點；同時通過提取光電振蕩器中調 制光邊帶的抖動信息，穩定光邊帶頻率即可實現光電振蕩器輸出信號的穩頻。
[0085] 本發明實施例2還公開了一種光電振蕩器，如圖5所示，包括:激光器4、電光調制器 5、長光纖6、相位調制光外差穩頻環路2、光電探測器11、帶通濾波器14、電移相器15、電放大 器16、第二電耦合器1、原子頻標器3和第一電耦合器17，
[0086] 其中，相位調制光外差穩頻環路2包括相位調制器7、偏振分束器8、鎖定放大器12 和頻率綜合器13,所述相位調制光外差穩頻環路2用于生成振蕩頻率抖動漂移信號并對所 述振蕩頻率抖動漂移信號進行處理，生成鑒頻誤差控制信號；所述原子頻標器3包括銣泡 10、四分之一波片19和反射鏡單元9,所述原子頻標器3用于提取并傳輸所述振蕩頻率抖動 漂移信號至所述相位調制光外差穩頻環路2中的偏振分束器8。
[0087] 所述激光器4的輸出端與所述電光調制器5的輸入端連接，所述激光器4用于產生 光載波信號；
[0088] 所述電光調制器5的輸出端與所述長光纖6的輸入端連接，所述電光調制器5用于 對所述光載波信號進行電光調制，生成光邊帶信號；
[0089] 所述長光纖6的輸出端與所述相位調制光外差穩頻環路2連接，所述長光纖6用于 儲能和傳輸所述光邊帶信號；
[0090] 所述相位調制器7的輸入端與所述長光纖6的輸出端連接，所述相位調制器7用于 對所述光邊帶信號進行相位調制，生成相位調制后的光邊帶信號；
[0091] 所述偏振分束器8的輸入端與所述相位調制器7的輸出端連接，所述偏振分束器8 用于將所述相位調制后的光邊帶信號和所述振蕩頻率抖動漂移信號隔離，將所述振蕩頻率 抖動漂移信號傳輸至光電探測器11。具體來說，原子頻標器3中，在銣泡10和反射鏡單元9之 間設置有一個四分之一波片19,因此輸入光會有一個45度旋轉，再經過反射鏡單元9返回 時，又經過一次45度旋轉，形成共90度正交旋轉，反射光再沿光路返回至偏振分束器8處時 便不能完全按照原路返回，因此起到隔離輸入光和反射輸出光的作用；
[0092] 所述光電探測器11的輸入端與所述偏振分束器8的輸出端連接，所述光電探測器 11用于對所述振蕩頻率抖動漂移信號進行光電轉換，得到電信號；
[0093] 所述頻率綜合器13的輸出端分別與所述相位調制器7的輸入端及所述鎖定放大器 12的輸入端連接，用于向所述相位調制器7和鎖定放大器12注入參考信號；
[0094] 所述鎖定放大器12的輸入端與所述光電探測器11的輸出端連接，用于鑒相所述參 考信號與所述電信號，輸出鑒頻誤差控制信號；
[0095] 所述帶通濾波器14的輸入端與光電探測器11的輸出端連接，所述帶通濾波器14用 于對所述電信號進行濾波處理，得到濾波后的振蕩信號；
[0096] 所述電移相器15的輸入端與所述鎖定放大器12的輸出端連接，所述電移相器15用 于通過所述鑒頻誤差控制信號對所述濾波后的振蕩信號進行移相處理，得到移相處理后的 信號；
[0097 ]所述電放大器16的輸入端與電移相器15的輸出端連接，所述電放大器16用于對所 述移相處理后的信號進行放大處理，得到放大后的振蕩信號；
[0098]所述第二電耦合器1的輸入端與所述電放大器16連接，所述第二電耦合器1用于對 所述放大后的振蕩信號分路為兩路信號，所述兩路信號中的一路信號輸出，所述兩路信號 中的另一路信號注入電光調制器5。
[0099 ]所述第一電親合器17的輸入端與光電探測器11的輸出端連接，所述第一電親合器 17的輸出端與所述鎖定放大器12的輸入端連接，所述第一電耦合器17的輸出端還與所述帶 通濾波器14的輸入端連接第一電耦合器17,所述第一電耦合器17用于將所述電信號分路為 兩路；
[0100] 所述鎖定放大器12的輸出端和電移相器15的輸入端之間連接有PID反饋控制器 18,所述PID反饋控制器18用于對所述相位調制光外差穩頻環路2輸出的信號進行比例微分 積分反饋控制處理。
[0101] 實施例2采用的穩頻原理詳述如下：相位調制光外差穩頻環路2中，將相位調制后 的光邊帶信號對準銣泡吸收譜線，經過銣泡10的飽和吸收光路，將相位調制后的光邊帶信 號的頻率與銣泡吸收頻率比對，不同頻偏將會產生不同相頻和幅頻響應，若相位調制后的 光邊帶信號的頻率等于銣泡吸收頻率，邊帶平衡對稱，沒有拍頻電流輸出；若相位調制后的 光邊帶信號的頻率偏離銣泡吸收頻率，邊帶平衡對稱性被破壞，則有拍頻電流輸出；振蕩頻 率抖動漂移信號經光電探測器11轉換后，反映在光電流(i)中的參考頻率分量中，再經過鎖 定放大器12和PID反饋控制器18即可得到頻率漂移的鑒頻誤差控制信號（e)，這里，振蕩頻 率抖動漂移信號可表示為：
[0102] icx|E|2 = DC+A sin(Qt)+B sin(2Qt)
[0103] 式中，e是輸入ro的光的電場形式，DC是ro輸出的直流成分，A是ro輸出低頻調制信 號的基頻成分的幅度，其大小正比于頻率漂移大小，B是諧波分量的幅度，Ω為參考信號的 角頻率，t為時間；
[0104] 上述振蕩頻率抖動漂移信號經過鎖定放大器和PID后輸出的鑒頻誤差控制信號， 可表示為：
[0105] θ°°Δ ω = ω〇-ω?ζ
[0106] 式中，△ ω是頻率漂移量，c〇dPcok分別為原子吸收譜和相位調制后的光邊帶信號 的頻率。因此本實施例的技術方案可以高靈敏地檢測出環路腔長抖動引起的頻率漂移，通 過反饋控制器動態調節環路腔長，可以使光電振蕩器高穩定輸出射頻信號。
[0107] 光電振蕩器由于光纖時延等抖動導致的射頻信號頻率漂移直接反應在調制光邊 帶上，本發明采用高穩定度激光器產生頻率為??的光載波信號，銣泡的飽和吸收峰的頻率 為f ru，光電振蕩器的輸出頻率為f。％。當光載波信號頻率滿足?? = ?^-?·_，即可通過銣泡的 飽和吸收特性來探測光邊帶信號的抖動漂移，通過光外差技術提取出抖動漂移信號，通過 電移相器調節光電振蕩器環路的有效腔長，最終實現光電振蕩器的穩定輸出，提高光電振 蕩信號的長期頻率穩定性。
[0108] 本發明的實施例2,通過在鎖定放大器12和光電探測器11之間設置第一電耦合器 17,將電信號分成兩路，一路用于光電振蕩環路1中的信號流，另一路用于相位調制光外差 穩頻環路2的信號流;通過在鎖定放大器12和電移相器15之間設置PID反饋控制器18,能夠 對電移相器15進彳丁實時調節，進而進一步精確控制光電振蕩器環路1有效腔長，提尚光電振 蕩器輸出射頻信號的長期頻率穩定性。
[0109] 本發明實施例3還公開了一種光電振蕩器，具體為，選定激光器4輸出波長在795nm 附近，對應銣泡D1線;通過電放大器16和電移相器15調節光電振蕩環路1的增益和相位，使 其滿足起振條件；調節激光器4輸出波長使光邊帶信號（上邊帶或下邊帶）頻率對應銣泡 的能級躍迀;為了動態補償光電振蕩環路1腔長抖動引起的頻率漂 移，引入基于原子頻標器3的相位調制光外差穩頻環路2:低頻的參考信號通過相位調制器7 調制光邊帶信號后注入銣泡10,相位調制后的光邊帶信號與銣泡頻標比對后，振蕩頻率抖 動漂移信號經過光電探測器11轉換成電信號后，經過鎖定放大器12鎖相放大鑒頻和PID反 饋控制器18控制輸出；光外差穩頻環路實時反饋控制電移相器15,動態調節光電振蕩環路1 腔長，即可補償光電振蕩器輸出射頻信號的頻率漂移。若激光頻率等于銣泡10吸收峰頻率， 相位調制后的光邊帶信號的邊帶平衡對稱，拍頻輸出為零;若激光頻率偏離銣泡10吸收峰 頻率，失諧量仍在吸收曲線線寬內，則邊帶平衡對稱性被破壞，則光電探測器11有拍頻電流 輸出，光電探測器11產生的電信號，其中一路信號與低頻的參考信號完成鑒相并輸出鑒頻 誤差控制信號；另一路信號經過帶通濾波器14濾波、電移相器15移相和電放大器16放大后， 反饋注入電光調制器5中，構成了高品質光電振蕩器環路。
[0110] 實施例3中，抖動漂移信號與參考信號鑒相后得到的鑒頻誤差控制信號，通過PID 反饋控制后對電移相器進行實時調節，進而精確控制光電振蕩器環路有效腔長，提高光電 振蕩器輸出射頻信號的長期頻率穩定性。
[0111] 本發明實施例4公開了一種光電振蕩穩頻方法，包括:獲取光載波信號；
[0112] 對所述光載波信號進行電光調制，生成光邊帶信號；
[0113]傳輸所述光邊帶信號，對光邊帶信號進行相位調制，生成相位調制后的光邊帶信 號；
[0114] 將所述相位調制后的光邊帶信號作為栗浦光注入銣泡，通過四分之一波片45度偏 振態旋轉所述栗浦光，得到45度偏轉光；
[0115] 所述45度偏轉光經反射鏡反射得到反射光，所述反射光作為探測光，通過所述四 分之一波片進行45度偏振態旋轉，得到偏振正交旋轉后的反射光；
[0116]所述偏振正交旋轉后的反射光注入銣泡，得到振蕩頻率抖動漂移信號；
[0117]隔離所述相位調制后的光邊帶信號和所述振蕩頻率抖動漂移信號，得到振蕩頻率 抖動漂移信號；
[0118]對所述振蕩頻率抖動漂移信號進行光電轉換，得到電信號；
[0119]獲取并鑒相參考信號與所述電信號，輸出鑒頻誤差控制信號；
[0120] 對所述電信號進行濾波處理，得到濾波后的振蕩信號；
[0121] 通過所述鑒頻誤差控制信號對所述濾波后的振蕩信號進行移相處理，得到移相處 理后的信號；
[0122] 所述移相處理后的信號進行放大處理，得到放大后的振蕩信號；
[0123] 對所述放大后的振蕩信號分路為兩路信號，所述兩路信號中的一路信號輸出，所 述兩路信號中的另一路信號注入所述光載波信號中。
[0124] 本發明的實施例4,通過利用原子頻標技術大大提高了傳統光電振蕩器輸出信號 的長期頻率穩定性，解決了利用光學頻率標準具的光電振蕩器存在的對環境溫度敏感度高 的問題。
[0125] 本發明實施例5公開了 一種光電振蕩穩頻方法，包括：
[0126] 獲取光載波信號；
[0127] 對所述光載波信號進行電光調制，生成光邊帶信號；
[0128] 傳輸所述光邊帶信號，對光邊帶信號進行相位調制，生成相位調制后的光邊帶信 號；
[0129] 將所述相位調制后的光邊帶信號作為栗浦光注入銣泡，通過四分之一波片45度偏 振態旋轉所述栗浦光，得到45度偏轉光；
[0130] 所述45度偏轉光經反射鏡反射得到反射光，所述反射光作為探測光，通過所述四 分之一波片進行45度偏振態旋轉，得到偏振正交旋轉后的反射光；
[0131] 所述偏振正交旋轉后的反射光注入銣泡，得到振蕩頻率抖動漂移信號；
[0132] 隔離所述相位調制后的光邊帶信號和所述振蕩頻率抖動漂移信號，得到振蕩頻率 抖動漂移信號；
[0133] 對所述振蕩頻率抖動漂移信號進行光電轉換，得到電信號；
[0134] 獲取并鑒相參考信號與所述電信號，輸出鑒頻誤差控制信號；
[0135] 對所述電信號進行濾波處理，得到濾波后的振蕩信號；
[0136] 對所述鑒頻誤差控制信號進行比例微分積分反饋控制處理，得到處理后的鑒頻誤 差控制信號；
[0137] 通過所述處理后的鑒頻誤差控制信號對所述濾波后的振蕩信號進行移相處理，得 到移相處理后的信號；
[0138] 所述移相處理后的信號進行放大處理，得到放大后的振蕩信號；
[0139] 對所述放大后的振蕩信號分路為兩路信號，所述兩路信號中的一路信號輸出，所 述兩路信號中的另一路信號注入所述光載波信號中。
[0140]本發明實施例5,通過對鎖定放大器輸出端電信號進行PID反饋控制處理，能夠對 電移相器進彳丁實時調節，進而進一步精確控制光電振蕩器環路有效腔長，提尚光電振蕩器 輸出射頻信號的長期頻率穩定性。
[0141] 需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實 體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存 在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在涵蓋 非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要 素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備 所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句"包括一個……"限定的要素，并不排除在 包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0142] 本說明書中的各個實施例均采用相關的方式描述，各個實施例之間相同相似的部 分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于系統實 施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例 的部分說明即可。
[0143] 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在 本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護范圍 內。
【主權項】
1. 一種光電振蕩器，其特征在于，包括： 激光器（4)、電光調制器（5)、長光纖（6)、相位調制光外差穩頻環路（2)、光電探測器 (11) 、帶通濾波器(14)、電移相器(15)、電放大器(16)、第二電耦合器(1)和原子頻標器(3); 所述激光器(4)的輸出端與所述電光調制器(5)的輸入端連接，所述激光器(4)用于產 生光載波信號； 所述電光調制器(5)的輸出端與所述長光纖(6)的輸入端連接，所述電光調制器(5)用 于對所述光載波信號進行電光調制，生成光邊帶信號； 所述長光纖(6)的輸出端與所述相位調制光外差穩頻環路(2)連接，所述長光纖(6)用 于儲能和傳輸所述光邊帶信號； 所述相位調制光外差穩頻環路(2)包括:相位調制器(7)、偏振分束器(8)、鎖定放大器 (12) 和頻率綜合器（13)，所述相位調制光外差穩頻環路(2)用于生成振蕩頻率抖動漂移信 號并對所述振蕩頻率抖動漂移信號進行處理，生成鑒頻誤差控制信號； 所述相位調制器(7)的輸入端與所述長光纖(6)的輸出端連接，所述相位調制器(7)用 于對所述光邊帶信號進行相位調制，生成相位調制后的光邊帶信號； 所述偏振分束器(8)的輸入端與所述相位調制器（7)的輸出端連接，所述偏振分束器 (8)用于將所述相位調制后的光邊帶信號和所述振蕩頻率抖動漂移信號隔離，將所述振蕩 頻率抖動漂移信號傳輸至光電探測器(11); 所述原子頻標器（3)用于提取并傳輸所述振蕩頻率抖動漂移信號至所述偏振分束器 (8)，所述原子頻標器(3)包括:銣泡（10)、四分之一波片（19)和反射鏡單元(9)，其中，所述 四分之一波片（19)設置于所述銣泡（10)和反射鏡單元(9)之間；所述相位調制后的光邊帶 信號作為栗浦光注入銣泡（10)，所述四分之一波片（19)45度偏振態旋轉所述栗浦光，得到 45度偏轉光； 所述反射鏡單元(9)反射所述45度偏轉光，得到反射光，所述反射光作為探測光通過所 述四分之一波片（19)進行45度偏振態旋轉，得到偏振正交旋轉后的反射光;所述偏振正交 旋轉后的反射光注入銣泡(10)，得到所述振蕩頻率抖動漂移信號； 所述光電探測器（11)的輸入端與所述偏振分束器(8)的輸出端連接，所述光電探測器 (11) 用于對所述振蕩頻率抖動漂移信號進行光電轉換，得到電信號； 所述頻率綜合器（13)的輸出端分別與所述相位調制器(7)的輸入端及所述鎖定放大器 (12) 的輸入端連接，用于向所述相位調制器(7)和鎖定放大器(12)注入參考信號； 所述鎖定放大器（12)的輸入端與所述光電探測器（11)的輸出端連接，用于鑒相所述參 考信號與所述電信號，輸出鑒頻誤差控制信號； 所述帶通濾波器（14)的輸入端與光電探測器（11)的輸出端連接，所述帶通濾波器（14) 用于對所述電信號進行濾波處理，得到濾波后的振蕩信號； 所述電移相器（15)的輸入端與所述鎖定放大器(12)的輸出端連接，所述電移相器（15) 用于通過所述鑒頻誤差控制信號對所述濾波后的振蕩信號進行移相處理，得到移相處理后 的信號； 所述電放大器（16)的輸入端與電移相器（15)的輸出端連接，所述電放大器(16)用于對 所述移相處理后的信號進行放大處理，得到放大后的振蕩信號； 所述第二電耦合器（1)的輸入端與所述電放大器（16)連接，所述第二電耦合器（1)用于 對所述放大后的振蕩信號分路為兩路信號，所述兩路信號中的一路信號輸出，所述兩路信 號中的另一路信號注入電光調制器(5)。2. 根據權利要求1所述的光電振蕩器，其特征在于，所述的光電振蕩器還包括:第一電 耦合器（17)，所述第一電耦合器（17)的輸入端與光電探測器（11)的輸出端連接，所述第一 電耦合器(17)的輸出端與所述鎖定放大器(12)的輸入端連接，所述第一電耦合器(17)的輸 出端還與所述帶通濾波器（14)的輸入端連接第一電耦合器(17)，所述第一電耦合器（17)用 于將所述電信號分路為兩路。3. 根據權利要求2所述的光電振蕩器，其特征在于，所述鎖定放大器（12)的輸出端和電 移相器（15)的輸入端之間連接有PID反饋控制器（18)，所述PID反饋控制器（18)用于對所述 相位調制光外差穩頻環路(2)輸出的信號進行比例微分積分反饋控制處理。4. 根據權利要求1所述的光電振蕩器，其特征在于，所述反射鏡單元（9)的反射率為 30% 〇5. -種光電振蕩器穩頻方法，其特征在于，包括： 獲取光載波信號； 對所述光載波信號進行電光調制，生成光邊帶信號； 傳輸所述光邊帶信號，對光邊帶信號進行相位調制，生成相位調制后的光邊帶信號； 將所述相位調制后的光邊帶信號作為栗浦光注入銣泡，通過四分之一波片45度偏振態 旋轉所述栗浦光，得到45度偏轉光； 所述45度偏轉光經反射鏡反射得到反射光，所述反射光作為探測光，通過所述四分之 一波片進行45度偏振態旋轉，得到偏振正交旋轉后的反射光； 所述偏振正交旋轉后的反射光注入銣泡，得到振蕩頻率抖動漂移信號； 隔離所述相位調制后的光邊帶信號和所述振蕩頻率抖動漂移信號，得到振蕩頻率抖動 漂移信號； 對所述振蕩頻率抖動漂移信號進行光電轉換，得到電信號； 獲取并鑒相參考信號與所述電信號，輸出鑒頻誤差控制信號； 對所述電信號進行濾波處理，得到濾波后的振蕩信號； 通過所述鑒頻誤差控制信號對所述濾波后的振蕩信號進行移相處理，得到移相處理后 的信號； 所述移相處理后的信號進行放大處理，得到放大后的振蕩信號； 對所述放大后的振蕩信號分路為兩路信號，所述兩路信號中的一路信號輸出，所述兩 路信號中的另一路信號注入所述光載波信號中。6. 根據權利要求5所述的光電振蕩器穩頻方法，其特征在于，所述通過所述鑒頻誤差控 制信號對所述濾波后的振蕩信號進行移相處理，得到移相處理后的信號之前，所述的光電 振蕩器穩頻方法還包括:對所述鑒頻誤差控制信號進行比例微分積分反饋控制處理。7. 根據權利要求5所述的光電振蕩器穩頻方法，其特征在于，所述探測光的強度為所述 栗浦光強度的30 %。
【文檔編號】H01S3/13GK106025786SQ201610616407
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月29日
【發明人】戴鍵, 強永龍, 克金龍, 戴堂, 戴一堂, 尹飛飛, 周月, 李建強, 徐坤
【申請人】北京郵電大學