阅读说明：本技术 一种基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统 (Signal remote transmission phase stabilization system based on injection locking photoelectric oscillator ) 是由 谢正洋 张开羽 郑铮 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明一种基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统,是基于无源补偿原理和注入锁定光电振荡器OEO微波信号产生技术,提出了一种高频率稳定度、低相位噪声的本振微波信号远距离稳相传输实现方案。一方面,相比于使用主动补偿方法的稳相传输技术,该方案能够适用于更高的频段、更大带宽、相位噪声水平更好的微波信号传输。传统的主动补偿方案具有电器件限制频段带宽和引入电热噪声的劣势。另一方面,一般的无源被动补偿方案则有相位噪声水平较高等问题,使得传输到远端的信号短期稳定性受限。本发明能够使微波信号稳相传输得到更为广泛的应用,弥补传统方案在相位噪声上的缺陷。(The invention discloses a signal remote distance transmission phase stabilization system based on an injection locking photoelectric oscillator, which is based on a passive compensation principle and an injection locking photoelectric oscillator OEO microwave signal generation technology and provides a local oscillator microwave signal remote distance phase stabilization transmission implementation scheme with high frequency stability and low phase noise. On one hand, compared with a phase-stable transmission technology using an active compensation method, the scheme can be suitable for microwave signal transmission with higher frequency band, larger bandwidth and better phase noise level. Conventional active compensation schemes have the disadvantages of electrical devices limiting the bandwidth of the frequency band and introducing electrothermal noise. On the other hand, the general passive compensation scheme has the problems of high phase noise level and the like, so that the short-term stability of the signal transmitted to the far end is limited. The invention can make the microwave signal stable phase transmission more widely applied and make up the defects of the traditional scheme on phase noise.)

一种基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统

技术领域

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本发明提出一种基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统，涉及微波光子学微波信号稳相传输研究领域。

背景技术

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如今，光纤上的高稳定度本振信号传输对于各种应用具有重要意义，如远程时钟同步与对照、射电天文学、分布式相干孔径雷达等。然而，光纤的传输延迟受环境温度扰动和压力变化的影响，导致传输的本振微波信号的相位稳定性将在远端站点显著降低。随着用户对信号传输的频率和稳定度需求在不断增加，传统传输结构的相位噪声水平和频率已经不能满足需求，因此基于相位补偿原理的传输方案被提出并使用。目前，微波信号稳相传输主要分为主动补偿和无源被动补偿两种基于往返延迟校准的稳相手段。如图1(a)所示。

在主动补偿结构中，在本地端的信号经过相位补偿装置101，通过长光纤102的传输到达远端103，远端将接受到的信号反向传输，然后与本地端的信号进行相位检测104，提取出链路引入的相位抖动信息，最后通过补偿算法对相位补偿装置进行实时补偿，抵消相位抖动，达到稳相传输的目的。但主动补偿的范围受到补偿电器件的带宽限制，同时还会引入电器件附加噪声，使得整体系统的噪声水平上升并影响系统的稳定度。

另一方面，基于无源被动补偿技术的稳相传输方法则是突破了补偿信号带宽的限制且结构更为简单。无源补偿原理如图1(b)所示。

在图1(b)结构中，连续光源108直接进入强度调制器109进行射频信号调制，经过长光纤111传输到远端接收机112，再反向传输回本地端环形器110。由光电探测器107拍频得到的微波信号与本振信号经过三倍频器105之后的信号一起输入到混频器106中，得到相位共轭信号。再将其调制到光载波上经过长光纤传输到远端，经过光电探测器113和分频器114最终得到无相位抖动信号。由于无需产生新的信号，通过对相位共轭反转来实现远端相位抖动的消除，从而实现提高了系统的补偿范围。但随着传输距离(光纤长度)的加长，传输中光纤慢变导致的频率漂移可能会得到积累而无法及时补偿，且对于本振信号产生过程中的相位噪声难以进行抑制，并进一步叠加在远端信号的相位噪声谱上，使得混频补偿的时候影响系统的短期稳定性。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统，如图2所示。

在图2所示的系统方案中主要由本地站和远端站两部分组成，本地站包括OEO环路的主体部分、注入锁定部分和相位共轭部分；远端站包括混频滤波部分。本地站和远端站之间连接的光纤包括两段单模光纤216和217，光纤环路同时也作为光电振荡器的谐振腔。OEO振荡信号探测长光纤环的相位延迟变化，并被送入混频器208，与本地参考微波信号经过倍频器210之后的信号进行混频，然后经过带通滤波器209选频产生相位共轭信号。相位共轭信号经由电光调制器202调制到连续光源201产生的光载波上，进入环形器203反向传输回远端站，并与前向传输信号混频，可以自动消除光纤引起的相位波动。

根据本发明的一个方面，提供了一种高频率稳定度的光电振荡器，其特征在于包括：

在基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统结构中，使用注入锁定的方式将本地参考微波信号与OEO振荡信号耦合并一同注入电光调制器215中，以此来对OEO多模振荡达到一个锁模的效果，使其能够单模稳定振荡。同时为了进一步确保注入锁定不失锁，OEO振荡器中的微波环路部分在进入电光调制器之前需要加入一个电压控制移相器(VCP)213，通过控制VCP来调节振荡频率，而这种可调谐的OEO充当一个压控振荡器(VCO)，VCO由OEO振荡信号和本地参考微波信号之间的相位误差信号驱动。而鉴相器211、低通滤波器212和VCO组成的锁相环系统可以帮助锁定本地参考信号与OEO振荡信号，极大的提高了系统的长期稳定性。

根据本发明的一个方面，提供了一种低相位噪声的无源被动补偿方案。其特征在于包括:

在基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统结构中，OEO环路中的长光纤作为远距离传输的手段，长光纤作为一个具有高品质因数的储能腔既能够生成低相噪的振荡信号，又能够将本地信号传输到远端从而改善系统的短期稳定性。

OEO的光路部分，激光二极管214的输出光通过电光调制器、光纤环路并被光电探测器204检测；电路部分产生的振荡信号被放大器205放大，并由带通滤波器206过滤和电放大器207放大。OEO产生的振荡信号可以表示为

其中ω_oeo＝2πf_oeo是振荡频率，和分别是初始相位和光纤环路引入的相位偏移量。本地参考微波信号表示为

其中ω_LO是角频率，是初始相位。

当本地参考信号与OEO振荡信号被锁定之后，两者的频率相等，相位差恒定为常数。远端站通过耦合器218得到部分前向传输信号并由探测器219检测和带通滤波器221滤除杂散分量，表示为

其中是单模光纤217引入的相位抖动。

系统被动补偿使用两级混频的方式，混频器208将倍频后的本地参考信号与振荡信号混频，产生相位共轭信号，表示为

相位共轭信号再沿单模光纤216反向传输到远端，并由探测器220检测和带通滤波器222滤波，表示为

其中是由单模光纤216引入的相位抖动，且在光纤延迟变化较慢的情况下保持

然后将前后向信号经过混频器223和分频器224得到信号为

从公式中可以看出，最终在远端得到抵消相位抖动且保留初始相位的信号。

本发明的优点及有益效果在于：

本发明主要针对主动补偿稳相传输带宽限制及噪声恶化问题、被动补偿稳相传输相位噪声高等不足。在无源被动补偿技术的基础上，首次提出了利用基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统进行低相噪、高稳定度的微波信号稳相传输。该方案不仅可以消除光纤传输带来的相位漂移，而且可以去除远端接收信号的相位噪，与主动补偿方法相比具有大带宽、补偿范围广、相位噪声低等优点，与被动补偿方法相比具有更高稳定性和更低相噪等优点。这能够使微波信号稳相传输得到更为广泛的应用，弥补传统方案在相位噪声上的缺陷。

附图说明

图1(a)是主动补偿技术基本框图。

图1(b)是无源补偿技术基本框图。

图2是基于注入锁定OEO的信号远距离传输稳相系统原理图。

图3是本发明的一个实例框图。

图4是自由运行OEO、无源补偿OEO和注入锁定无源补偿OEO的相位噪声对比。

图5是自由运行OEO、无源被动补偿和注入锁定被动补偿OEO的相位波动对比。

图6是自由运行OEO、无源被动补偿和注入锁定被动补偿OEO的阿伦方差对比。

图中标号说明如下：

相位补偿装置101，光纤102，远端站103，相位检测器104，三倍频器105，混频器106，光电探测器107，连续光源108，强度调制器109，本地端环形器110，长光纤111，远端接收机112，光电探测器113，分频器114；

连续光源201，电光调制器202，环形器203，光电探测器204，放大器205，带通滤器206，点放大器207，混频器208，带通滤波器209，倍频器210，鉴相器211，低通滤波器212，电压控制移相器(VCP)213，激光器214，电光调制器215，单模光纤216、217，耦合器218，探测器219，探测器220，带通滤波器221，带通滤波器222，混频器223，分频器224；

连续光源301，调制器302，环形器303，光电探测器304，电放大器305，带通滤波器306，电放大器307，混频器308，带通滤波器309,倍频器310，鉴相器311，PID运算模块312，压控移相器313，连续光源314，强度调制器315，光纤316，光纤317，光耦合器318，光电探测器319、320，放大器321、322，带通滤波器323、324，进入混频器325，分频器326，电频谱分析仪327，频率计数器328；

具体实施方式

本发明提出一种基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出一种基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统，电路结构如图3所示，包括：

本发明基于这样的考虑：在基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统中，通过OEO振荡信号探测光纤环路相位抖动，并与本地参考微波信号进行混频得到相位共轭信号。反向传输回远端与接收到的前向传输信号进行混频，从而有效抵消由光纤引入的相位抖动，同时使用长光纤提高传输的本地信号质量，降低远端输出信号的相位噪声水平。在本地使用锁相和注入锁定的方式来抑制OEO环路的杂散分量，实现单模振荡，进一步提升系统的长期稳定性。

实例：

如图3所示的本发明示例性实施例。将本发明方法示例性地应用于最基本的基于注入锁定光电振荡器的信号远距离传输稳相系统结构，对自由运行OEO、无源被动补偿方案和基于注入锁定OEO的无源补偿方案进行了实验对比测试。实例的具体实施方案如下：生成本振信号的OEO环路主体由连续光源314，强度调制器315，长光纤316、317，环形器303，光电探测器304，电放大器305和带通滤波器306构成；本地参考微波源被分为三路，一路信号经过倍频器310倍频之后与OEO环路振荡信号一起进入混频器308混频得到相位共轭信号，该相位共轭信号经过放大器309再通过调制器302调制到连续光源301产生的光载波上之后沿光纤316反向传输到远端；一路信号注入到鉴相器311，PID运算模块312和压控移相器313构成锁相OEO，OEO振荡信号沿光纤317前向传输到远端，通过光耦合器318与后向信号一起分别经过光电探测器319、320，放大器321、322和带通滤波器323、324之后，进入混频器325得到二倍频无相位抖动信号；一路信号与远端经过分频器326分频之后的信号一起输入到电频谱分析仪327和频率计数器328中，来测量和评估频率分布性能。

首先，用327测得相位噪声谱，结果如图4所示。可以看到，本发明在10kHz频偏下的相位噪声水平远低于传统无源被动补偿方案和自由运行OEO，该方法相比大多数微波稳相传输系统的短期频率稳定性有着显著的提高。

其次，使用328测试微波传输系统在光纤环路上的相位漂移，结果如图5所示。可以看到在10000s的测量时间内，不使用被动补偿方案的自由运行OEO相位漂移高达540ps，而无源被动补偿方案的相位漂移下降到了2.3ps以内，本发明则可以很好的将相位漂移限制在0.42ps以内，系统具有更低的相位抖动。

使用阿伦方差来反映传输系统的长期稳定性，结果如图6所示。可以看到在10000s的测量时间内，无源被动补偿方案和注入锁定被动补偿OEO系统的频率稳定性比自由运行OEO系统提高了两个数量级。而在1s测量时间内，本发明的短期稳定性也比无源被动补偿提高了2倍。

应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。