本發(fā)明涉及光信息處理，具體是一種基于馬赫-曾德調(diào)制器的光電鑒相鎖相裝置。

背景技術(shù)：

光電鎖定技術(shù)在高穩(wěn)定信號源的產(chǎn)生、高分辨率測量設(shè)備的實現(xiàn)、光信號的處理與傳輸以及大型科學(xué)設(shè)備的同步等方面有著重要的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的射頻鎖相技術(shù)相似，光電鎖定系統(tǒng)可以將受控信號與參考信號的頻率與相位鎖定，使得它們的頻率與相位保持固定的關(guān)系。根據(jù)光電鎖定系統(tǒng)中鑒相器的不同機理，受控信號與參考信號既可以是光信號，也可以是電信號。通過光電鎖定系統(tǒng)，可以使受控信號與參考信號高度相參，彼此之間具有相同的相位噪聲特性，進而在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性的同時也降低了系統(tǒng)的相位噪聲。這對于提升光子雷達和相參通信等需要高相參性的微波光子學(xué)系統(tǒng)的性能，具有十分關(guān)鍵的作用。

光電鑒相鎖相技術(shù)主要包括以下幾種：

一種是基于光學(xué)非線性效應(yīng)的光電鑒相鎖相技術(shù)(J.Kim,J.A.Cox,Chen J,F.X.Drift-free femtosecond timing synchronization of remote optical and microwave sources.Nature Photonics,2008,2:733-736.)，對非線性現(xiàn)象的研究讓人們研制出了多種非線性光學(xué)晶體，這些晶體有的可以用來進行激光的頻率轉(zhuǎn)換，有的可以對激光脈沖的強度、相位進行調(diào)制，還有的可以實現(xiàn)對激光信號的全息存儲，應(yīng)用十分廣泛。在這些晶體中，具有倍頻效應(yīng)(SHG)與和頻效應(yīng)的晶體在光學(xué)相位檢測中有很大的應(yīng)用前景。在長距離光纖傳輸系統(tǒng)中，使用具有SHG效應(yīng)的晶體構(gòu)成的光子鑒相器，測量收發(fā)端信號間的相位偏移并進行反饋，可以有效克服傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)中的相位鎖定中性能受限于鑒相器平衡度與噪聲限制的問題，但該鑒相器的缺點是系統(tǒng)使用了較多的光學(xué)鏡片，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以集成化。

光學(xué)非線性效應(yīng)中的和頻效應(yīng)是指兩束頻率不同的激光射入一些二階非線性材料上之后，除了入射的兩種頻率的光外會產(chǎn)生兩者頻率之和的光的現(xiàn)象?；诤皖l晶體的光子鑒相器與光電鎖定系統(tǒng)(J.Kim,J.A.Cox,Chen J,F.X.Drift-free femtosecond timing synchronization of remote optical and microwave sources.Nature Photonics,2008,2:733-736.)采用了全光纖結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性高。此外，該鑒相器采用了平衡結(jié)構(gòu)，有效消除了通道失衡引入的噪聲。但該鑒相器也有一些缺點，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以集成化。同時，非線性晶體的性能和穩(wěn)定性受環(huán)境影響大，使系統(tǒng)的適用環(huán)境受到限制。

另一種基于微波光子器件的光電鑒相鎖相技術(shù)，該技術(shù)將光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于微波系統(tǒng)中，利用光學(xué)系統(tǒng)的高帶寬、低損耗、抗干擾能力強等優(yōu)勢進行微波信號的處理、產(chǎn)生與傳輸。對光信號進行相位檢測與鎖定，最直接的方法是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后使用電鎖相環(huán)進行鑒相鎖相。在這種方法中，只需要射頻混頻器的前級加上PD，就設(shè)計出了一種基于射頻混頻器的光電鑒相器。這種光電鑒相器可以廣泛應(yīng)用在光電鎖定系統(tǒng)中(T.K.Kim,Y.Song,K.Jung,C.Kim,H.Kim,C.H.Nam,and J.Kim.Sub-100-as timing jitter optical pulse trains from mode-locked Er-fiber lasers.Optics letters,2011,36(22):4443-4445.)，該方案適用于光信號與電信號的鎖定以及光信號之間的鎖定，其原理簡單，實現(xiàn)成本低。但是受射頻混頻器的帶寬限制，無法應(yīng)用在高頻、高帶寬的系統(tǒng)中。此外，該鑒相器由于混頻器通道失衡、交調(diào)干擾、PD熱噪聲、PD供電電源紋波等缺點，導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲較大。

為了避免鑒相器中通道非平衡帶來的噪聲，目前人們開始研究一些自平衡的光電鑒相器，這之中，基于Sagnac環(huán)的光電鑒相器受到了眾多關(guān)注(K.Jung,J.Kim.Sub-femtosecond synchronization of microwave oscillators with mode-locked Er-fiber lasers.Optics letters,2012,37(14):2958-2960.)?；赟agnac環(huán)的光電鑒相器適用于光信號與電信號之間的鎖定。該鑒相器采用了平衡結(jié)構(gòu)，有效消除了通道失衡帶來的噪聲。此外，由于相位調(diào)制器的工作頻率與工作帶寬較寬，該鑒相器可以應(yīng)用在一些寬帶、高頻信號的同步系統(tǒng)中。該鑒相器的缺點是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，系統(tǒng)的調(diào)整、維護成本較高，且難以集成化。

然而，現(xiàn)存的光電鑒相鎖相技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、成本、性能和集成化之間都存在著制約關(guān)系，因此需要提出一種新型的光電鑒相鎖相裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于馬赫-曾德調(diào)制器的光電鑒相鎖相裝置。該裝置采用馬赫-曾德調(diào)制器作為電光鑒相單元，將電時鐘信號加載至光時鐘信號，而后經(jīng)過一個光電轉(zhuǎn)換單元檢測出兩個時鐘信號的相位誤差。另一方面，該裝置通過將檢測出的相位誤差信號通過環(huán)路濾波器反饋至光時鐘信號源或電時鐘信號源，即可實現(xiàn)兩個時鐘信號的鎖定。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于馬赫-曾德調(diào)制器的光電鑒相鎖相裝置，其特點在于包括光時鐘振蕩源、馬赫-曾德調(diào)制器、電時鐘振蕩源、光電探測器、信號采集器、環(huán)路濾波器和信號反饋鏈路，所述的光時鐘振蕩源用于提供電光鑒相鎖相的光時鐘信號，所述的電時鐘振蕩源用于提供電光鑒相鎖相的電時鐘信號，所述的馬赫-曾德調(diào)制器用于將電時鐘信號加載至光時鐘信號，所述的光電探測器用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，所述的環(huán)路濾波器用于濾除信號中的高頻分量，所述的信號采集器用于采集和分析檢測出的相位誤差信號，所述的信號反饋鏈路用于將檢測出的兩信號相位誤差反饋至電時鐘振蕩源或光時鐘振蕩源，所述的光時鐘振蕩源的輸出端與所述的馬赫-曾德調(diào)制器的第一輸入端相連，所述的電時鐘振蕩源的輸出端與所述的馬赫-曾德調(diào)制器的第二輸入端相連，所述的馬赫-曾德調(diào)制器的輸出端與所述的光電探測器相連，所述的光電探測器的輸出端的一部分與所述的信息采集器相連，另一部分經(jīng)所述的環(huán)路濾波器、信號反饋鏈路與所述的光時鐘振蕩源的輸入端或所述的電時鐘振蕩源的輸入端相連，所述的信號反饋鏈路與光時鐘振蕩源連接時以實現(xiàn)光時鐘振蕩源鎖定至電時鐘振蕩源，所述的信號反饋鏈路在與電時鐘振蕩源連接時，以實現(xiàn)電時鐘振蕩源鎖定至光時鐘振蕩源。

所述的光時鐘振蕩源采用但不限于被動鎖模激光器、主動鎖模激光器或調(diào)制頻率梳。

所述的電時鐘振蕩源采用但不限于壓控振蕩器或頻綜源。

所述的馬赫-曾德調(diào)制器采用但不限于鈮酸鋰電光調(diào)制器、聚合物電光調(diào)制器、硅基集成電光調(diào)制器或空間光調(diào)制器，其輸出形式為單輸出或雙輸出。

所述的光電探測器采用但不限于PIN管或APD管，其輸入形式為單輸入或平衡輸入。

所述的環(huán)路濾波器采用但不限于射頻低通濾波器。

所述的信號采集器采用實時示波器、數(shù)據(jù)采集卡或射頻頻譜分析儀。

所述的信號反饋鏈路采用但不限于功率放大器、PID伺服器。

基于以上技術(shù)特點，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、基于馬赫-曾德調(diào)制器，優(yōu)化后使系統(tǒng)性能優(yōu)于多數(shù)光電鎖定系統(tǒng)，簡化了實驗系統(tǒng)，降低系統(tǒng)成本，便于小型化和集成化。

2、噪聲水平低，可以實現(xiàn)對相位噪聲的高精度測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于馬赫-曾德調(diào)制器的光電鑒相鎖相裝置的一個實施例結(jié)構(gòu)圖

圖2為電時鐘信號與光時鐘信號鎖定時域波形示意圖

圖3為相位噪聲測試結(jié)果示意圖，

圖3a為電光、光電鎖定時相對相位噪聲的測量結(jié)果，

圖3b為電光、光電鎖定時的相對時鐘抖動的測量結(jié)果

具體實施方式

下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的一個具體實施例。本實施例以本發(fā)明的技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

本發(fā)明基于馬赫-曾德調(diào)制器的光電鑒相鎖相裝置的實施例的結(jié)構(gòu)如圖1所示，本發(fā)明基于馬赫-曾德調(diào)制器的光電鑒相鎖相裝置包括：光時鐘振蕩源1用于產(chǎn)生光時鐘信號2，馬赫-曾德調(diào)制器3將電時鐘振蕩源4產(chǎn)生的電時鐘信號5加載至光時鐘信號2，得到的結(jié)果經(jīng)過光電探測器6，轉(zhuǎn)化成電信號7并輸入到信號采集器8，進行相位誤差的采集分析；另一方面，檢測出的誤差信號經(jīng)過環(huán)路濾波器9濾除信號的高頻成分，通過信號反饋鏈路10反饋至光時鐘振蕩源1或電時鐘振蕩源4，從而實現(xiàn)將光時鐘信號2鎖定至電時鐘信號5或?qū)㈦姇r鐘信號5鎖定至光時鐘信號2。

上述過程通過馬赫-曾德調(diào)制器實現(xiàn)了光時鐘信號和電時鐘信號的混頻，并在光電轉(zhuǎn)換后通過信號采集器實現(xiàn)了相位誤差信號的采集和分析；另一方面，上述過程通過環(huán)路濾波生成反饋信號，并通過信號反饋鏈路將信號反饋至電時鐘產(chǎn)生模塊或光時鐘產(chǎn)生模塊，進而實現(xiàn)了電時鐘與光時鐘之間的相位鎖定。這對于提升微波光子雷達和相參通信系統(tǒng)等需要高相參性信號源的微波光子學(xué)系統(tǒng)的性能，具有十分關(guān)鍵的作用。