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低频低噪声光接收模块、光发射模块和光收发模块

阅读：616发布：2020-05-12

专利汇可以提供低频低噪声光接收模块、光发射模块和光收发模块专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种低频低噪声光接收模块、光发射模块和光收发模块，其中，发射模块包括：第一带通滤波器、第一巴伦电路、第一放大器、第二放大器、DFB 激光器组件和制冷和光功率自动控制电路；接收模块包括：光电探测器、第二巴伦电路、第三放大器和第二带通滤波器。本实用新型中的的光收发模块，性能指标满足了系统的需要，且每一套的价格减少到市场上同类国外产品价格的五分之一，甚至更低，这就大大降低了拟建设的低频天线阵的成本。，下面是低频低噪声光接收模块、光发射模块和光收发模块专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种低频低噪声光发射模块，其特征在于，包括：
第一带通滤波器；
第一放大器，其输入端与所述第一带通滤波器相连接；
第一巴伦电路，与所述第一放大器输出端相连接；
DFB 激光器组件，其输入端与所述第一巴伦电路相连接；
制冷和光功率自动控制电路，与所述DFB激光器组件输出端相连接。
2.根据权利要求1所述的低频低噪声光发射模块，其特征在于，还包括：第二放大器，置于所述第一放大器和所述第一巴伦电路之间。
3.根据权利要求2所述的低频低噪声光发射模块，其特征在于，还包括：第一电源电路，分别于所述第一放大器、所述第二放大器和所述制冷和光功率自动控制电路相连接，其噪声抑制比为10～90dB。
4.根据权利要求2所述的低频低噪声光发射模块，其特征在于，所述第一带通滤波器通过的信号频率小于100MHz；所述第一放大器和所述第二放大器的噪声系数小于等于1dB；所述第一巴伦电路的转化比为1∶1.8～2。
5.一种低频低噪声光接收模块，其特征在于，包括：
光电探测器；
第二巴伦电路，与所述光电探测器的输出端相连接；
第三放大器，与所述第二巴伦电路相连接；
第二带通滤波器，与所述第三放大器的输出端相连接。
6.根据权利要求5所述的低频低噪声光接收模块，其特征在于，还包括：第二电源电路，分别与所述光电探测器和第三放大器相连接，其噪声抑制比为10～90dB。
7.根据权利要求5所述的低频低噪声光接收模块，其特征在于，所述第三放大器的噪声小于等于3dB；所述第二巴伦电路的转化比为1∶1.8～2。
8.一种低频低噪声光收发模块，其特征在于，包括：
第一带通滤波器；
第一放大器，其输入端与所述第一带通滤波器相连接；
第二放大器，其输入端与所述第一放大器的输出端相连接；
第一巴伦电路，与所述第二放大器的输出端相连接；
DFB激光器组件，其输入端与所述第一巴伦电路相连接；
制冷和光功率自动控制电路，与所述DFB激光器组件相连接；
光电探测器；与所述DFB激光器组件的输出端相连接；
第二巴伦电路，与所述光电探测器的输出端相连接；
第三放大器，与所述第二巴伦电路相连接；
第二带通滤波器，与所述第三放大器的输出端相连接；
第三电源电路，分别与所述第一放大器、第二放大器、制冷和光功率自动控制电路、光电探测器和第三放大器相连接。
9.根据权利要求8所述的低频低噪声光收发模块，其特征在于，还包括：光缆，用于将所述DFB激光器组件输出的光信号传入所述光电探测器。
10.根据权利要求8所述的低频低噪声光收发模块，其特征在于，所述第一放大器和所述第二放大器的噪声系数小于等于1dB，所述第三放大器的噪声小于等于3dB；所述第一巴伦电路和第二巴伦电路的转化比为1∶1.8～2；所述第三电源电路噪声抑制比为10～90dB。

说明书全文

低频低噪声光接收模块、光发射模块和光收发模块

技术领域

[0001] 本实用新型涉及低频射电天文技术领域，尤其涉及一种低频低噪声光接收模块、光发射模块和光收发模块。

背景技术

[0002] 在过去的半个世纪，每一次新的频谱窗口的打开都为天文学带来了新的革命，随之产生了许多意料之外的重大发现，包括20世纪50和60年代在低频射电波段发现的类星体和脉冲星，60年代在微波波段发现了宇宙微波背景辐射，80和90年代使用在X射线和中微子进行天文研究等，这也为通过观测整个电磁频谱内的辐射来全面理解宇宙射电源新的物理过程提供了可能。甚低频频段(<30MHz)，作为最后几个未被有效观测的频谱窗口之一，潜在的科学发现使它成为目前射电天文学研究的热点。

[0003] 然而，在低于30MHz的频段，大量人为的强射电干扰严重限制了人们对宇宙射电辐射的观测，而地球电离层的反射和吸收作用更使得基于地基射电望远镜对低于10MHz的宇宙射电辐射进行观测几乎不可能。为了实现对这一频段的射电观测，空间射电望远镜成为了理想的选择。但是，空间望远镜往往系统比较复杂，技术难度很大，成本也比较高。最近，新的研究表明，在2020年左右受太阳活动的影响地球电离层的截止频率可能会降低到几MHz甚至更低，这就使得利用地基射电望远镜对10MHz以下的宇宙信号进行观测成为可能。为此，基于内蒙古明安图观测站的射电频谱日像仪，一个低成本的小型甚低频射电阵列被提了出来，以实现在地面上的甚低频射电观测。这一阵列工作于1～75MHz，采用数字多波束和综合孔径的方式进行射电成像，有望获得地基的10MHz以下的射电巡天和成像观测。

[0004] 在低频射电天文领域，新一代的地基射电望远镜阵列大都采用阵子天线，若干个阵子天线组成一个站，再由多个站构成一个大型的天线阵，例如荷兰的低频阵(LOFAR)，工作频率为10～240MHz；美国的长波阵(LWA)，工作频率为10～88MHz。由于这两个阵列的数字接收机靠近每一个站，它们采用电缆来传输每一个天线的信号到数字接收机。虽然电缆对信号有衰减，且随温度变化相位特性变化很大，但由于传输的距离比较近，通过校准这也并不是问题。对于我们要建设的低频阵，由于天线分布的范围很广，最远端的天线距离观测站中心都在3km以上，如果还利用电缆进行传输，信号的衰减和相位变化将是一个很大的问题。同时，可以想见，如果重新铺设电缆进行传输的话将是一个巨大的工程。而利用光纤传输是一个很好的解决方案，一方面光纤的衰减比较小，另一方面光纤的温度变化相比于电缆要稳定的多。刚好现有的明安图射电频谱日像仪阵列设计有富余的光纤，我们的天线是固定在日像仪阵列的天线上的，这就为我们提供了一个十分有利的条件。我们可以利用日像仪富余的光纤进行信号的传输，这样就可以极大地降低信号传输的成本。但是为此，我们需要将天线接收到的射频信号转换为光信号进行传输，这就需要光收发模块。

[0005] 对于工作在低频(＜100MHz)的光收发模块，我们调研了市场上已有的产品，基本上都是国外公司的产品。大多数低频光模块产品的增益都在10-20dB之间，噪声系数基本都大于10dB，输出1dB压缩点功率在3dBm及以下。然而，它们价格基本都在几千美元以上，甚至上万美元。如果采购这些产品，将大大超出上述阵列的低成本的预算，而且由于低频阵列的天线都是低增益的有源天线，直接连接着光发射模块，如果光模块的噪声系数比较高的话，将必然导致整个系统的噪声温度很高，极大地降低系统的灵敏度。另外，在低频频段有很多干扰，要求光模块的足够大的动态范围，否则信号将超出线性范围，产生畸变。因此，市场上的光模块并不能满足低频阵建设的需求。实用新型内容

[0006] (一)要解决的技术问题

[0007] 鉴于以上技术问题，本实用新型提供了一种低频低噪声光接收模块、光发射模块和光收发模块，以解决光模块的噪声系数高和相位特性随温度变化大的问题。

[0008] (二)技术方案

[0009] 根据本实用新型的一方面，提供一种低频低噪声光发射模块，包括：

[0010] 第一带通滤波器；

[0011] 第一放大器，其输入端与所述第一带通滤波器相连接；

[0012] 第一巴伦电路，与所述第一放大器输出端相连接；

[0013] DFB 激光器组件，其输入端与所述第一巴伦电路相连接；

[0014] 制冷和光功率自动控制电路，与所述DFB激光器组件输出端相连接。

[0015] 在进一步的实施方案中，所述的低频低噪声光发射模块还包括：第二放大器，置于所述第一放大器和所述第一巴伦电路之间。

[0016] 在进一步的实施方案中，所述的低频低噪声光发射模块还包括：第一电源电路，分别于所述第一放大器、所述第二放大器和所述制冷和光功率自动控制电路相连接，其噪声抑制比为10～90dB。

[0017] 在进一步的实施方案中，所述第一带通滤波器通过的信号频率小于100MHz；所述第一放大器和所述第二放大器的噪声系数小于等于1dB；所述第一巴伦电路的转化比为1：1.8～2。

[0018] 根据本实用新型的另一方面，提供一种低频低噪声光接收模块，包括：

[0019] 光电探测器；

[0020] 第二巴伦电路，与所述光电探测器的输出端相连接；

[0021] 第三放大器，与所述第二巴伦电路相连接；

[0022] 第二带通滤波器，与所述第三放大器的输出端相连接。

[0023] 在进一步的实施方案中，所述的低频低噪声光发射模块还包括：第二电源电路，分别与所述光电探测器和第三放大器相连接，其噪声抑制比为10～90dB。

[0024] 在进一步的实施方案中，所述第三放大器的噪声小于等于3dB；所述第二巴伦电路的转化比为1：1.8～2。

[0025] 根据本实用新型的又一方面，提供一种低频低噪声光收发模块，包括：

[0026] 第一带通滤波器；

[0027] 第一放大器，其输入端与所述第一带通滤波器相连接；

[0028] 第二放大器，其输入端与所述第一放大器的输出端相连接；

[0029] 第一巴伦电路，与所述第二放大器的输出端相连接；

[0030] DFB激光器组件，其输入端与所述第一巴伦电路相连接；

[0031] 制冷和光功率自动控制电路，与所述DFB激光器组件相连接；

[0032] 光电探测器；与所述DFB激光器组件的输出端相连接；

[0033] 第二巴伦电路，与所述光电探测器的输出端相连接；

[0034] 第三放大器，与所述第二巴伦电路相连接；

[0035] 第二带通滤波器，与所述第三放大器的输出端相连接；

[0036] 第三电源电路，分别与所述第一放大器、第二放大器、制冷和光功率自动控制电路、光电探测器和第三放大器相连接。

[0037] 在进一步的实施方案中，所述的低频低噪声光发射模块还包括：光缆，用于将所述DFB激光器组件输出的光信号传入所述光电探测器。

[0038] 在进一步的实施方案中，所述第一放大器和所述第二放大器的噪声系数小于等于1dB，所述第三放大器的噪声小于等于3dB；所述第一巴伦电路和第二巴伦电路的转化比为
1：1.8～2；所述第三电源电路噪声抑制比为10～90dB。

[0039] (三)有益效果

[0040] 在本实用新型中，经过带通滤波器滤波后，特别是在低频段时，带制冷功能的同轴分布式反馈(DFB)激光器有着比较大的动态范围，能够保证光信号在不同的环境温度下，它的光波长和功率始终都在一个恒定值，这样对系统的相位变化特点及幅度变化特点都有很大的改善，并且巴伦是个无源器件，其插入损耗很小，对接收的信号功率几乎没有损失，且理论上也不会叠加噪声。利用本设计中的方案开发出来的光收发模块，性能指标满足了系统的需要，且每一套的价格减少到市场上同类国外产品价格的五分之一，甚至更低，这就大大降低了拟建设的低频天线阵的成本。

[0041] 此外，本实用新型中使用了低噪声放大器和高噪声抑制比的电源管理芯片，大幅度降低了整个收发模块的噪声，保障了其的稳定性和性能。附图说明

[0042] 图1是本实用新型实施例的光发射模块框图；

[0043] 图2是本实用新型实施例的光接收模块框图；

[0044] 图3是本实用新型实施例的电源模块的噪声抑制特性示意图；

[0045] 图4是本实用新型实施例的光功率对应电压在不同温度下的变化曲线示意图；

[0046] 图5是本实用新型实施例的光发射模块电路图；

[0047] 图6是本实用新型实施例的光接收模块电路图；

[0048] 图7是本实用新型实施例的光收发模块的噪声系数测量示意图；

[0049] 图8是本实用新型实施例的光收发模块的最大输出1dB压缩点功率测试示意图；

[0050] 图9是本实用新型实施例的光收发模块框图。

具体实施方式

[0051] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

[0052] 将要建设上述小型甚低频射电阵列的明安图观测基地，目前有一个太阳专用的射电阵列—明安图频谱日像仪，该望远镜采用综合孔径技术实现对太阳以高频谱、高时间以及高空间分辨率的观测。它主要有低频阵40个4.5米的抛物面天线和高频阵60个2.0米的抛物面天线两个阵列组成。所有天线接收到的信号经过电光转换，通过深埋于各个天线下面的光纤传输到室内，再进行光电转换，模拟接收和数字接收机，最终转变为可用的科学观测数据。对于小型甚低频射电阵列，为了实现以最小的成本进行建设，只能利用基地目前现有日像仪富余的光纤实现信号从天线到室内数字接收机的传输，所需要的只是设计出满足要求的光收发模块，完成电信号和光信号之间的转换。

[0053] 根据本实用新型的一个实施例，提供一种低频低噪声光发射模块，如图1所示包括：

[0054] 第一带通滤波器；

[0055] 第一放大器，其输入端与所述第一带通滤波器相连接；

[0056] 第一巴伦电路，与所述第一放大器输出端相连接；

[0057] DFB激光器组件，其输入端与所述第一巴伦电路相连接；

[0058] 制冷和光功率自动控制电路，与所述DFB激光器组件输出端相连接。

[0059] 在本实施例中，所述第一带通滤波器通过的信号频率小于100MHz。

[0060] 在本实施例中，所述的低频低噪声光发射模块还包括：第二放大器，置于所述第一放大器和所述第一巴伦电路之间，用将信号进行二次放大。

[0061] 在本实施例中，所述的低频低噪声光发射模块还包括：第一电源电路，分别于所述第一放大器、所述第二放大器和所述制冷和光功率自动控制电路相连接。其中，所述第一电源电路的噪声抑制比为10～90dB。

[0062] 在本实施例中，所述第一放大器和所述第二放大器的噪声系数小于等于1dB；所述第一巴伦电路的转化比为1：1.8～2。

[0063] 根据本实用新型的另一个实施例，提供一种低频低噪声光接收模块，如图2所示包括：

[0064] 光电探测器；

[0065] 第二巴伦电路，与所述光电探测器的输出端相连接；

[0066] 第三放大器，与所述第二巴伦电路相连接；

[0067] 第二带通滤波器，与所述第三放大器的输出端相连接。

[0068] 在本实施例中，所述的低频低噪声光发射模块还包括：第二电源电路，分别与所述光电探测器和第三放大器相连接。其中，所述第二电源电路的噪声抑制比为10～90dB。

[0069] 在本实施例中，所述第三放大器的噪声系数小于等于3dB；所述第二巴伦电路的转化比为1：1.8～2。

[0070] 根据本实用新型的又一个实施例，提供一种低频低噪声光收发模块，如图9所示包括：

[0071] 第一带通滤波器；

[0072] 第一放大器，其输入端与所述第一带通滤波器相连接；

[0073] 第二放大器，其输入端与所述第一放大器的输出端相连接；

[0074] 第一巴伦电路，与所述第二放大器的输出端相连接；

[0075] DFB激光器组件，其输入端与所述第一巴伦电路相连接；

[0076] 制冷和光功率自动控制电路，与所述DFB激光器组件相连接；

[0077] 光电探测器；与所述DFB激光器组件的输出端相连接；

[0078] 第二巴伦电路，与所述光电探测器的输出端相连接；

[0079] 第三放大器，与所述第二巴伦电路相连接；

[0080] 第二带通滤波器，与所述第三放大器的输出端相连接；

[0081] 第三电源电路，分别与所述第一放大器、第二放大器、制冷和光功率自动控制电路、第三放大器和第三放大器相连接。

[0082] 其中，所述低频低噪声光收发模块还可包括：光缆，用于将所述DFB激光器组件输出的光信号传入所述光电探测器。

[0083] 其中，所述第一放大器和所述第二放大器的噪声系数小于等于1dB，所述第三放大器的噪声小于等于3dB；所述第三电源电路的噪声抑制比为10～90dB。

[0084] 使用本实用新型时，天线接收的射频信号进入光发射模块里的带通滤波器，经两级放大后，进入激光器组件，电信号通过激光器组件调制成光信号，光信号通过光缆传输到光接收模块里的光电探测器，通过光电探测器转成电信号，经过巴伦的阻抗变化，再经过一级放大后，进入带通滤波器，然后给后端数据处理单元。

[0085] 在本实用新型中，为了减少电源模块对低频高灵敏度接收产生的额外干扰噪声，提高天线在低频段的灵敏度，我们采用了一种高噪声抑制比的电源电路，对10Hz到1MHz有着较高的共模抑制比，其抑制比为10～90dB。如图3所示为电源模块的噪声抑制特性示意图，可以看到该芯片在100KHz到1MHz有着几十dB的抑制能力，而由于电子器件的电磁兼容在低频段都较为难处理，一般的电源稳压芯片很少能够达到。

[0086] 在本实用新型中，为了改善光模块在不同温度下的相位特性，通过引入所述制冷和光功率自动控制电路，使所述同轴分布式反馈(DFB)激光器具有制冷功能，从而有着比较大的动态范围，能够保证光信号在不同的环境温度下，它的光波长和功率始终都在一个恒定值，这样对系统的相位变化特点及幅度变化特点都有很大的改善。如图4所示为光功率的驱动电压在不同温度下的变化曲线示意图，可以看到这种激光器的温度变化特性很稳定，其在70度左右的温度变化范围内驱动电压仅仅变化了10-4量级。

[0087] 在本实用新型中，利用了巴伦进行阻抗变换来实现阻抗的匹配。一般的激光器阻抗都在12-15欧姆左右，通过采用1：1.8～2的巴伦转化器，让其阻抗匹配到50欧姆左右。另一方面，对于激光探测器，其在恒定的功率下可以看作为电流源，阻抗无限大，利用了巴伦实现了其与后一级放大器的匹配。具体的电路如图5和图6所示，对于阻抗的匹配，由于巴伦是个无源器件，其插入损耗很小，对接收的信号功率几乎没有损失，且理论上也不会叠加噪声。

[0088] 上述措施中的低噪声放大器、电源电路、带有制冷供冷的激光器，以及巴伦并不局限于本实用新型中选择的芯片，只要是有同样功能且性能优良的芯片都可以，也不仅仅局限于在低频频段，只要是对灵敏度和温度特性要求比较高的光收发模块都可以采用这些措施来提高其性能。

[0089] 如图7所示为本实用新型中的光收发模块的噪声系数测量示意图，可以看出，通过上述设计，成功地将光收发模块的整体噪声系数在大部分频率降低到2dB左右，并提高最大线性输出功率，以此满足低频射电天线利用光纤进行信号远距离传输的需求。当然，在＜10MHz的低频段，由于电子器件固有的噪声特性，噪声系数会不可避免的变大，所有的放大器都是如此。

[0090] 如图8所示是本实用新型实施例的光收发模块的最大输出1dB压缩点功率测试示意图，在低频频段的射电天文观测中，存着着各种各样的干扰，这就要求接收机系统必须具有较高的动态范围。由于针对市场上现有的光模块动态范围并不高，最大输出1dB压缩点功率≤3dBm，本设计采用高动态范围的放大器和激光器以及巴伦阻抗匹配的方案，将光收发模块的最大输出1dB压缩点功率增加到10dBm以上，显著地提高了系统的线性动态范围。

[0091] 本实用新型提供的一种能够在≤100MHz的低频环境下将噪声降至≤3dB的低噪声的光收发模块，既能使性能指标满足了系统的需要，且每一套的价格减少到市场上同类国外产品价格的五分之一，甚至更低，这就大大降低了拟建设的低频天线阵的成本。

[0092] 需要说明的是，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

[0093] 以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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