星载光电振荡器实现方法范文

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《空间电子技术杂志》2015年第一期

1基于长光纤环路的星载光电振荡器方案设计

光电振荡器的基本结构如图1所示，包括一个激光源、电光调制器、长光纤环路、光电探测器、射频放大器、射频耦合器以及窄带滤波器等。从图中可以看出光电振荡器利用这些器件构成一个光电混合结构的正反馈闭环振荡环路，将激光器发出的连续光信号通过反馈链路转化为电信号。其工作过程如下:激光源产生连续的光信号，进入电光调制器，然后通过一段长光纤环路，再进入光电探测器转变成电信号，电信号经过射频放大器进行功率放大，以及窄带滤波器滤波选频，由射频耦合器分出一部分电信号作为电域输出，剩余电信号反馈回到电光调制器调制光信号。谐振腔中的微波功率放大器提供环路增益，微波电信号经过这样的多次反馈循环调制积累之后，系统短时间内就能达到稳定状态，形成稳定振荡，最终输出频率稳定、相位噪声性能优良的微波本振信号。光电振荡器的原理可以从谐振腔的原理来分析。众所周知，最简单的谐振腔即是RC谐振腔，其中电容为主要储能器件，RC参数决定谐振频率。构建一个光电混合谐振腔，闭合腔由光纤和微波器件、电缆组成，选频功能由电滤波器来实现，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，利用电光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，且输出的微波本振信号频率由窄带滤波器的通带特性决定。

2星载光电振荡器的振荡频率和幅度特性

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本振信号。公式2为非线性调制情况下得到的微波信号电压，经过具有足够窄的通带窗口的滤波器作用后调制过程可被线性化，线性处理后的微波信号输出可表示为。由以上数学分析和图示可以看出光电振荡器要产生自激振荡必须满足两个必要条件［8］:在环路中，信号的链路增益必须大于链路损耗;环路所有起振的模式中，只有与基波信号的相位差为2π的整数倍的模式才能起振。

3星载光电振荡器的相位噪声分析

相位噪声是指在系统内的各种噪声作用下信号所表现出的相位随机起伏，相位的随机起伏必然引起频率随机起伏，这种起伏速度较快，所以又称之为短期频率稳定度。相位噪声定义为:偏离载频1Hz带宽内单边带相位噪声功率Pssb与载频信号功率P0之比，如图4所示。光电探测器中的基本噪声有:热噪声，散弹噪声和激光器的相对强度噪声，为了便于分析，将所有噪声等效为光电探测器产生的噪声。计算光电振荡器的信号谱。令ρN(ω)为ω处的输入噪声的功率密度，可以得到:。振荡器噪声功率谱密度等于单边带相位噪声密度和单边带幅度噪声密度的和，大多数情况下，单边带幅度噪声远远小于单边带相位噪声，因此功率谱密度就等于单边带的相位噪声密度。从光电振荡器相位噪声的理论分析中，可以看出光电振荡器的相位噪声性能具有如下几个特点:(1)光电振荡器的相位噪声与振荡器的振荡频率fosc无关;(2)光电振荡器的相位噪声将随着频偏f＇平方降低;(3)对于固定的频偏f''''，相位噪声将随着环路延迟时间平方降低。

结果表明光电振荡器可以产生高频率、低相位噪声的信号。这相比传统光学倍频法产生高频信号时相位噪声随频率提高迅速恶化有很大优势。图5所示为利用图1所示光电振荡器结构得到的6GHz本振信号单边带相位噪声测试图。可以看出，利用基于长光纤环路的光电振荡器设计方案得到的本振信号在10KHz偏移处，相位噪声为－104．5dBc/Hz，生成的本振信号具有很高的频谱纯净度。由图5还可以看出，在偏离载波100KHz到1MHz范围内，相位噪声性能发生一定的恶化。这主要由光电振荡器中光源线宽和窄带滤波器通带特性决定。光源线宽不可能无限小，在反馈振荡过程中，线宽越大，光载波受到的光纤内非线性效应影响越明显。同样，受限于窄带滤波器的通带特性，在偏离起振频率一定范围后，反馈振荡过程中起伏速率变快，最终造成相位噪声性能的恶化。因此，如果能采用别的光学器件代替光电振荡器中的窄带滤波器，相位噪声性能能够得到进一步提高，这也是目前光电振荡器的一个热点研究方向。目前，光电振荡器已经有部分产品走向商用化，美国OEwave公司已经通过美国宇航局喷气推进实验室(JPL)生产出了3款相位噪声性能极佳的光电振荡器，该公司也是全世界唯一一家可以制作超低相位噪声光电振荡器的公司。其中一款产品在频偏100Hz、1KHz、10KHz、10KHz、1MHz时，10GHz信号的相位噪声为:－115dBc/Hz，－145dBc/Hz，－163dBc/Hz，－165dBc/Hz，－170dBc/Hz，相位噪声性能极其出色。虽然光电振荡器有如此优良的性能，但是仍有一些问题需要解决。光电振荡器本质上是一个产生多模振荡的设备，光电振荡器中光电反馈环路的关键元件就是实现单模振荡的窄带带通滤波器。几GHz甚至更高的振荡频率所要求滤波器的带宽在几十MHz以下，这样的滤波器难以实现，即便能够实现，滤波器的带宽往往又不允许调谐振荡频率。因此，如何在降低滤波器的要求的同时，又能提高边模抑制比，实现单模振荡，并且使得振荡器的相位噪声更低，信号质量更好，将是光电振荡器领域需要继续探索和研究的方向。

4结语

文章针对未来卫星领域对高频率、低相位噪声微波本振源发展需求，提出一种适应于星载应用的光电振荡器实现方法。首先介绍了光电振荡器应用背景、技术特点及发展现状。之后详细分析了星载光电振荡器的设计方法，给出了光电振荡器的振荡阀值、产生毫米波频率、幅度数学模型等，最后对光电振荡器的相位噪声性能进行详细分析。分析表明，利用光电振荡器能够产生超低相位噪声(－163dBc/Hz@10KHz)的微波本振信号，且光电振荡器的相位噪声和振荡频率无关，星载光电振荡器为未来卫星领域提供一种可行的微波本振信号生成方法，其进一步研究和探索具有重要的意义。

作者：梁栋谭庆贵蒋炜幺周石单位：中国空间技术研究院西安分院空间微波技术国家级重点实验室