光信号处理方法和基于相位调制-直接解调的光电振荡器

摘要

光信号处理方法和基于相位调制‑直接解调的光电振荡器，涉及光通信及光学信息处理技术领域，其中，所述基于相位调制‑直接解调的光电振荡器包括激光器、电光相位调制器、窄带光滤波器1、光环形器、透射型光纤光栅、光移相器、光耦合器、光纤延时线、窄带光滤波器2、光电探测器、电放大器、电耦合器以及窄带电滤波器。该光电振荡器中电光相位调制器无需控制电路，克服了传统光电振荡器工作点控制电路引入附加噪声使得振荡信号的相噪指标恶化的问题，其在光域对信号进行处理后再进行解调，即采用“相位调制‑直接解调”的方式来进行电光的相互转化，避免了传统光电振荡器中电光强度调制器工作点难以稳定的缺点，提高了光电振荡器的长期稳定性。

权利要求

1.基于相位调制-直接解调的光电振荡器，包括：激光器、电光相位调制器、窄带光滤波器1、光环形器、透射型光纤光栅、光移相器、光耦合器、光纤延时线、窄带光滤波器2、光电探测器、电放大器、电耦合器以及窄带电滤波器；

所述激光器连接至电光相位调制器的光输入端，所述电光相位调制器的输出端连接窄带光滤波器1的输入端，所述窄带光滤波器1的输出端连接光环形器的输入端；

所述光环形器的两输出端分别和透射型光纤光栅的输入端及光移相器的输入端连接，所述透射型光纤光栅的输出端及光移相器的输出端连接至光耦合器的两输入端；

所述光耦合器的输出端与窄带光滤波器2的输入端之间通过光纤延时线连接，所述窄带光滤波器2的输出端与光电探测器的输入端连接，所述光电探测器的输出端连接电放大器的输入端，所述电放大器的输出端再连接电耦合器的输入端；

所述电耦合器的一输出端作为微波输出端，所述电耦合器的另一输出端与窄带电滤波器的输入端相连，所述窄带电滤波器的输出端再连接电光相位调制器的电输入端。

2.一种光信号处理方法，包括以下步骤：

1)相位调制：

对光载波进行相位调制，所述光载波通过相位调制后，在频域上构成以载波分量为中心、等间隔的频谱簇，所述频谱簇中包括两对称边带，在所述频谱簇的两对称边带中，奇次边带相位相反，偶次边带相位一致。

2)高阶抑制：

对已调光信号中的高阶边带进行抑制，得到仅保留原光谱中载波分量和两个一阶边带的光信号，所述两个一阶边带与载波分量等频程且相位相反。

3)相位反转：

将步骤2)得到的光信号分离成第一光信号和第二光信号，所述两个一阶边带中的一个一阶边带与载波分量构成第一光信号，所述两个一阶边带中的另一个一阶边带构成第二光信号；

对所述第二光信号进行180度相移，再将其与所述第一光信号进行合波，合波所得光信号的光谱由一个载波分量与两个等相位的一阶边带组成。

3.根据权利要求2所述的光信号处理方法，其特征在于：所述步骤1)中通过电光相位调制器对光载波进行相位调制。

4.根据权利要求3所述的光信号处理方法，其特征在于：所述步骤2)中通过窄带光滤波器1对高阶边带进行抑制。

5.根据权利要求4所述的光信号处理方法，其特征在于：所述步骤3)中通过光环形器和透射型光纤光栅对光信号进行分离；所述光信号经光环形器的一个输出端口到达透射型光纤光栅，所述载波分量与一个一阶边带通过透射型光纤光栅后成为第一光信号，另一个一阶边带被透射型光纤光栅反射回来再从光环形器的另一个输出端口输出成为第二光信号。

6.根据权利要求5所述的光信号处理方法，其特征在于：所述步骤3)中通过光移相器对第二光信号进行180度相移。

7.根据权利要求6所述的光信号处理方法，其特征在于：所述步骤3)中通过光耦合器对第二光信号与所述第一光信号进行合波。

8.一种产生微波毫米波源的方法，其特征在于：先通过权利要求7所述的光信号处理方法对光信号进行处理，再将合波得到的光信号通过光纤卷进行延时，延时后的光信号再通过窄带光滤波器2滤波，然后输入光电探测器还原成电信号，该电信号经过电放大器补偿电光转换与光域传输的损耗后输入电耦合器，一部分信号从电耦合器的一个输出端输出作为微波毫米波源，另一部分信号通过窄带电滤波器滤波后再输入至电光相位调制器的电输入端，进而开始下一次循环。

说明书

光信号处理方法和基于相位调制-直接解调的光电振荡器

技术领域

[0001] 本发明涉及光通信及光学信息处理技术领域，特别涉及一种光信号处理方法和基于相位调制-直接解调的光电振荡器。

背景技术

[0002] 超稳定振荡器是电子通信系统的核心。高质量的微波振荡器在光通信、卫星通信、微波通信以及高精度测量等方向起着重要的作用。光电振荡器(Opto-electronic Oscillator，OEO)基于光纤延时线低损耗、大带宽等独特的优势能产生极低相噪且不随振荡频率的升高而增加，是超稳定微波、毫米波振荡源的优质备选。作为一种典型的反馈型振荡器，光电振荡器的基本原理为：激光器发出的连续光经电光强度调制器被振荡信号强度调制后通过光纤传输至光电探测器前端，光电探测器把已调光信号转换为电信号，再经过选频、放大，最终反馈至调制器电输入端，然后进行下一次循环，满足巴克豪森振荡条件(开环增益大于1，相差为2π的整数倍)的频点最终形成稳定的振荡信号。

[0003] 传统光电振荡器一般采用电光强度调制器配合光电探测器，基于“强度调制-直接解调”(Intensity Modulation-Direct Demodulation，IM-DD)的方式(采用电光强度调制器对光载波进行强度调制，延时后进行直接解调，即所谓的IM-DD方式)来实现电/光与光/电的相互转换，存在以下缺陷：一方面，电光强度调制器的工作点很难稳定，造成系统的稳定性差；另一方面，工作点控制电路会引入附加噪声，使得振荡信号的相噪指标恶化。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于相位调制-直接解调的光电振荡器，通过电光相位调制器代替强度调制器，并在光域对信号进行处理后再进行解调，即采用PM-DD的方式来进行电光的相互转换，从而克服传统技术的不足。进一步地，同样基于相位调制-直接解调的技术思路，本发明还提供一种光信号处理方法以及产生高稳定性微波毫米波源的方法。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于相位调制-直接解调的光电振荡器，包括：激光器、电光相位调制器、窄带光滤波器1、光环形器、透射型光纤光栅、光移相器、光耦合器、光纤延时线、窄带光滤波器2、光电探测器、电放大器、电耦合器以及窄带电滤波器；

[0006] 所述激光器连接至电光相位调制器的光输入端，所述电光相位调制器的输出端连接窄带光滤波器1的输入端，所述窄带光滤波器1的输出端连接光环形器的输入端；

[0007] 所述光环形器的两输出端分别和透射型光纤光栅的输入端及光移相器的输入端连接，所述透射型光纤光栅的输出端及光移相器的输出端连接至光耦合器的两输入端；

[0008] 所述光耦合器的输出端与窄带光滤波器2的输入端之间通过光纤延时线连接，所述窄带光滤波器2的输出端与光电探测器的输入端连接，所述光电探测器的输出端连接电放大器的输入端，所述电放大器的输出端再连接电耦合器的输入端；

[0009] 所述电耦合器的一输出端作为微波输出端，所述电耦合器的另一输出端与窄带电滤波器的输入端相连，所述窄带电滤波器的输出端再连接电光相位调制器的电输入端。

[0010] 作为本发明的另一方面，一种光信号处理方法，包括以下步骤：

[0011] 1)相位调制：

[0012] 对光载波进行相位调制，所述光载波通过相位调制后，在频域上构成以载波分量为中心、等间隔的频谱簇，所述频谱簇中包括两对称边带，在所述频谱簇的两对称边带中，奇次边带相位相反，偶次边带相位一致。

[0013] 2)高阶抑制：

[0014] 对已调光信号中的高阶边带进行抑制，得到仅保留原光谱中载波分量和两个一阶边带的光信号，所述两个一阶边带与载波分量等频程且相位相反。

[0015] 3)相位反转：

[0016] 将步骤2)得到的光信号分离成第一光信号和第二光信号，所述两个一阶边带中的一个一阶边带与载波分量构成第一光信号，所述两个一阶边带中的另一个一阶边带构成第二光信号；

[0017] 对所述第二光信号进行180度相移，再将其与所述第一光信号进行合波，合波所得光信号的光谱由一个载波分量与两个等相位的一阶边带组成。

[0018] 其中，所述步骤1)中通过电光相位调制器对光载波进行相位调制。

[0019] 其中，所述步骤2)中通过窄带光滤波器1对高阶边带进行抑制。

[0020] 其中，所述步骤3)中通过光环形器和透射型光纤光栅对光信号进行分离；所述光信号经光环形器的一个输出端口到达透射型光纤光栅，所述载波分量与一个一阶边带通过透射型光纤光栅后成为第一光信号，另一个一阶边带被透射型光纤光栅反射回来再从光环形器的另一个输出端口输出成为第二光信号。

[0021] 进一步地，所述步骤3)中通过光移相器对第二光信号进行180度相移。

[0022] 更进一步地，所述步骤3)中通过光耦合器对第二光信号与所述第一光信号进行合波。

[0023] 作为本发明的另一方面，一种产生高稳定性微波毫米波源的方法，其先通过前述的光信号处理方法对光信号进行处理，再将合波得到的光信号通过光纤卷进行延时，延时后的光信号再通过窄带光滤波器2滤波，然后输入光电探测器还原成电信号，该电信号经过电放大器补偿电光转换与光域传输的损耗后输入电耦合器，一部分信号从电耦合器的一个输出端输出作为微波毫米波源，另一部分信号通过窄带电滤波器滤波后再输入至电光相位调制器的电输入端，进而开始下一次循环。

[0024] 本发明采用电光相位调制器配合先进光子技术来构建基于PM-DD的光电振荡器，该基于PM-DD的光电振荡器中电光相位调制器无需控制电路，克服了传统光电振荡器工作点控制电路引入附加噪声使得振荡信号的相噪指标恶化的问题。该光电振荡器在光域对信号进行处理后再进行解调，即采用“相位调制-直接解调”的方式来进行电光的相互转化，避免了传统光电振荡器中电光强度调制器工作点难以稳定的缺点，最终提高了光电振荡器的长期稳定性。

附图说明

[0025] 图1是本发明中基于PM-DD光电振荡器的结构示意图。

[0026] 图2是本发明所涉基于PM-DD光电振荡器的光信号处理原理示意图。

[0027] 图3是本发明所涉基于PM-DD光电振荡器与传统IM-DD光电振荡器的长期稳定性测试结果对比图。

具体实施方式

[0028] 为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

[0029] 需要提前说明的是，在本发明的描述中，各部件名称后所带的“1”、“2”等数字也仅是便于本领域技术人员在阅读本发明时对同样类型的两个部件进行区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的部件的数量。

[0030] 本发明主要基于以下构思：在传统光电振荡器典型结构的基础上，针对电光强度调制器工作点难以稳定的缺点，采用相位调制器取代强度调制器，结合先进光子技术来实现电-光转换，克服了强度调制器的应用弊端。具体来说，先将光载波进行相位调制后进行窄带滤波，仅保留载波与两个一阶边带，此时，两个一阶边带相位差为180度；滤波后的光信号通过光环形器后到达透射型光纤光栅，光载波与一个边带信号透过光纤光栅，另一边带被反射回来，通过光环形器来控制光信号的传输方向，反射回来的边带信号通过光移相器实现了180度相移；两路光信号通过光耦合器实现合波后依次经过光纤延时线、窄带光滤波器、光电探测器、电放大器分别实现延时、二次滤波、光电转换与放大的功能；放大后的电信号通过电耦合器实现部分输出，另一部分进入窄带电滤波器实现电域滤波后连接至电光相位调制器的电输入端，最终构成正反馈的闭合环路。

[0031] 见图1所示，一种基于相位调制-直接解调的光电振荡器，包括：激光器、电光相位调制器、窄带光滤波器1、光环形器、透射型光纤光栅、光移相器、光耦合器、光纤延时线、窄带光滤波器2、光电探测器、电放大器、电耦合器以及窄带电滤波器；

[0032] 激光器连接至电光相位调制器的光输入端，电光相位调制器的输出端连接窄带光滤波器1的输入端，窄带光滤波器1的输出端连接光环形器的输入端；

[0033] 光环形器的两输出端分别和透射型光纤光栅的输入端及光移相器的输入端连接，透射型光纤光栅的输出端及光移相器的输出端连接至光耦合器的两输入端；

[0034] 光耦合器的输出端与窄带光滤波器2的输入端之间通过光纤延时线连接，窄带光滤波器2的输出端与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端连接电放大器的输入端，电放大器的输出端再连接电耦合器的输入端；

[0035] 电耦合器的一输出端作为微波输出端，电耦合器的另一输出端与窄带电滤波器的输入端相连，窄带电滤波器的输出端再连接电光相位调制器的电输入端。

[0036] 在上述实施例中，激光器所发送的光载波进入电光相位调制器被电信号相位调制后进入窄带光滤波器进行窄带带通滤波，仅允许光载波与两对称的一阶边带通过；滤波后的光信号进入光环形器到达透射型光纤光栅，光纤光栅仅允许光载波与其中一个一阶边带通过，另一边带被反射回来，通过另一输出端到达光移相器进行180度移相，最终，两路光信号通过光耦合器合成一路；合路后的光信号通过光纤卷进行延时；延时后的光信号通过窄带光滤波器滤波后，到达光电探测器还原成电信号；该电信号经过电放大器补偿电光转换与光域传输的损耗，最终通过电耦合器，部分实现输出，另一部分通过窄带电滤波器最终到达电光相位调制器的电输入端，进而开始下一次循环。对于某些特定频点信号，如果其满足巴克豪森条件(开环增益大于1，相位差为2π的整数倍)，该频点的信号就能实现正反馈振荡，产生低相噪的振荡信号。

[0037] 图2示出了上述光电振荡器中对光信号进行处理的原理，光信号处理方式旨在利用电光相位调制器结合先进光子技术，产生目标光谱，便于光电探测器的直接解调。该光谱由一个载波分量与两个等相位的一阶边带组成。具体而言，其信号流程可分为三个步骤，具体如下：

[0038] 1、相位调制:

[0039] 光载波输入电光相位调制器，被调制信号进行相位调制(光载波为单频点载波、单波长光信号)；光载波通过电光调制器被相位调制后，在频域上构成了以载波为中心、等间隔的频谱簇，如图2所示。该频谱簇两对称边带中，奇次边带相位相反，偶次边带相位一致。

[0040] 2、高阶抑制:

[0041] 已调光信号通过窄带滤波器1，对高阶边带实现抑制，进行高阶抑制后，原光谱仅剩载波与两个一阶边带，两边带与载波等频程且相位相反。

[0042] 3、相位反转:

[0043] 滤波后的光信号通过光环形器到达透射型光纤光栅，光载波与右边的一阶边带信号透过光纤光栅；左边的一阶边带被反射回来，通过光环形器从另一个输出端口输出，通过光移相器进行180度相移；最终，两路光信号通过光耦合器实现合波。通过上述光信号处理，左边的一阶边带实现了相位反转，最终完成了目标光谱的合成，即该光谱由一个载波分量与两个等相位的一阶边带组成。

[0044] 之后，再将合波得到的光信号通过光纤卷进行延时，延时后的光信号再通过窄带光滤波器2滤波，然后输入光电探测器还原成电信号，该电信号经过电放大器补偿电光转换与光域传输的损耗后输入电耦合器，一部分信号从电耦合器的一个输出端输出作为微波毫米波源，另一部分信号通过窄带电滤波器滤波后再输入至电光相位调制器的电输入端，进而开始下一次循环。

[0045] 图3示出了上述基于PM-DD的光电振荡器与传统IM-DD光电振荡器的长期稳定性测试结果对比图。图中所述Allan方差(阿伦方差)由David Allan于1966年提出的，是当前国内外在时域表征高稳定度振荡器长期稳定性时统一采用的物理量。图3给出了两种不同类型光电振荡器分别在10、100、1000、10000与100000s内对应的频率的长期稳定性，由图不难看出，采用本发明所涉光电振荡器的阿伦方差值总体均低于传统光电振荡器，说明了采用本方案的设计能显著提高光电振荡器的长期稳定性；更进一步，两振荡器测试的阿伦方差在在10与100s内差别不大，但在1000、10000与100000s内，本发明所涉光电振荡器的阿伦方差值降低了将近一个数量级，由此可知，光电振荡器的长期稳定性得到了显著提高。

[0046] 为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。