耦合式光电振荡器的理论与实验研究
LC振荡器的实验报告
LC振荡器的实验报告
本实验旨在研究LC振荡电路的工作过程和特性。
实验中，我们选用了额定功率为18W的电感L和额定电容C，并连接到一个12V的静态电源上。
实验中，观察并测量了该LC振荡电路的振荡输出。
实验结果表明，当拉动振荡开关，电路振荡器能以一定的时间间隔反复输出信号，而且振荡频率越高，振荡效果也越强。
当匝数变化时可以说明影响振荡频率的因素，亦可以根据Z=R/NΦ=L/C来模拟不同的振荡频率。
此外，LC振荡电路本身可以使用有源电路和无源电路组成，可以在反馈传输路中用作自动控制回路。
而且LC振荡电路简单、可靠、容易维护和调试，制造成本低，所以深受用户青睐。
总之，本实验学习了LC振荡电路的特性，掌握了其工作原理，对LC振荡电路的操作和调试也有一定的了解和把握，为今后的电子工程研究提供了一定的参考和资源。
光电耦合器件简介
光电耦合器件简介光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。
光电耦合器分为很多种类，图1所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。
当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。
对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“ 0”。
若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。
这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。
图一最常用的光电耦合器之部结构图三极管接收型 4脚封装图二光电耦合器之部结构图三极管接收型 6脚封装图三光电耦合器之部结构图双发光二极管输入三极管接收型 4脚封装图四光电耦合器之部结构图可控硅接收型 6脚封装图五光电耦合器之部结构图双二极管接收型 6脚封装光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几方面的原因：（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105～106Ω。
据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。
（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。
因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。
（4）光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有10μs左右，适于对回应速度要求很高的场合。
光电耦合器在电老炼中老炼原理的研究
光电耦合器在电老炼中老炼原理的研究发表时间：2019-06-18T15:34:21.110Z 来源：《科技研究》2019年4期作者：吴晔程强[导读] 随着半导体技术和光电子的发展，一种能有效地隔离噪音和抑制干扰的新型半导体器件——光电耦合器。
（上海航天技术研究院技术基础所 201109）1、概述随着半导体技术和光电子的发展，一种能有效地隔离噪音和抑制干扰的新型半导体器件——光电耦合器。
光电耦合器的优点是体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、能隔离噪音、工作温度宽，输入输出之间电绝缘，单向传输信号及逻辑电路易连接等。
光电耦合器按光接受器件可分为有硅光敏器件、光敏可控硅和光敏集成电路。
2、光电耦合器的基本概念光电偶合器件是把发光器件和光敏器件组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。
当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通;当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。
对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”;当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“ 0”。
若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。
这种光耦合器性能较好，价格便宜。
光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几方面的原因：(1)光耦的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105～106Ω。
即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。
(2)光耦的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地;之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
(3)光耦可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，不会损坏仪表。
耦合摆的研究实验报告
耦合摆的研究实验报告
摆系机械系统的运动稳定性是研究及其应用的重要课题，耦合摆是属于摆系机械系统，可以用来模拟两个或两个以上物理系统之间耦合运动的轨迹，其运动稳定性受到重视。
本
文以耦合摆系统为例，研究其运动稳定性。
本实验中采用双体耦合摆系统，系统由平面上两个有重量的杆件组成，在振动运动时，两个杆件之间通过一定弹簧结构耦合。
系统的测量依据相应的动力学模型，两个部分的运
动角度作为系统的状态量，耦合力和非耦合力作为干扰因素，以验证耦合摆系统的运动稳
定性。
经实验结果显示，由于耦合的存在，系统的运动稳定性受到较大的影响，在逐渐增加
耦合力的情况下，系统将趋于稳定。
此外，在系统中引入非耦合力也会影响系统的运动稳
定性，此时，系统中的振动幅值受到一定幅度的抑制，但系统仍会保持稳定。
从本实验结果来看，耦合摆的运动稳定性受到耦合力及非耦合力的影响，以及系统参
数的不同，系统的模态及振动特性也是不同的，这就需要根据实际情况选择合适的参数安
排以达到稳定运动的状态。
总而言之，耦合摆系统的稳定运动性能受到耦合力及非耦合力的影响，在合理设定系
统参数的前提下，可以更好地保证耦合摆系统的稳定性。
耦合摆振动模型的研究
耦合摆振动模型的研究杨秉雄;严群英;李小军;王旭明【摘要】用弹簧片将2个相同的单摆连接起来构成的耦合摆振动系统,能直观地将物体间的耦合振动现象显示出来.观察到了普遍存在于耦合系统的“拍”现象,并通过解析物理模型对其进行了理论分析.%A coupled vibration system, formed by an elastic connection with two pendulums, is investigated by experiments. The result displays a beat phenomenon that is known widely. A physical interpret is provided by a analytical physics model.【期刊名称】《宁夏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(032)004【总页数】3页(P359-361)【关键词】耦合摆;拍现象;相位;耦合振动【作者】杨秉雄;严群英;李小军;王旭明【作者单位】宁夏大学物理电气信息学院,宁夏银川750021;宁夏大学物理电气信息学院,宁夏银川750021;宁夏大学物理电气信息学院,宁夏银川750021;宁夏大学物理电气信息学院,宁夏银川750021【正文语种】中文【中图分类】O314在物理学中，具有相互作用的振动系统即耦合振动系统，是具有深刻含义及普遍性的.耦合系统的频率或振幅（强度）的时间行为常表现为所谓的“拍”现象.“拍”现象普遍存在于诸如光学系统、机械振动系统、天体系统、地铁工程、阻尼机械部件及固体晶格中相邻原子的振动模型等人造或自然系统中［1—8］.研究“拍”现象的基本特征、产生条件以及教学演示设计等对物理教学具有重要的理论和现实意义.图1 耦合摆OB－1型本文的实验系统是由一个弹簧片将2单摆连接起来形成的耦合摆，即图1中，将2等长轻质刚性杆，一端以理想铰链固定，另一端连接同质量圆盘（可等效为质点）.在2杆的相同位置以轻质（质量可忽略）刚度系数为k的弹簧片连接，并在竖直平面内运动，形成一个双振子耦合摆力学模型.改变耦合弹簧片在单摆上的位置，可明显观察到耦合度大小对振动系统的影响规律，并可观察到“拍”现象.模型研究解析地给出了“拍”现象的物理解释和有关细节.1 实验现象为方便表述，本文将图1中左、右2个单摆标记为P1和P2.弹簧片的刚度系数不同、弹簧与2个摆的连接位置不同、弹簧的形状不同等，耦合摆的耦合度都不同.本文主要研究在耦合度不变的情况下，耦合摆的运动规律.需要指出的是，为了能够解析理解耦合导致的“拍”现象，实验过程中控制每个单摆的摆角（相对于静止时摆的竖直偏角）小于10°.事实上，由于构成单摆的刚性杆比较长（75.5cm），当耦合弹簧位置偏下时这个条件很容易满足.每隔15s记录2个振子的位置（图2～4），由此位置决定的包络线能反映耦合摆系统的基本规律.图2为单摆P1的振幅x1＝0.00cm、初位相φ1＝0，单摆P2的振幅x2＝10.00cm、初位相φ2＝π／2处以初速度为0开始运动.图3为单摆P1的振幅x1＝5.00cm、初位相φ1＝3π／2，单摆P2的振幅x2＝10.00cm、初位相φ2＝π／2处以初速度为0开始作相向运动.图4为单摆P1的振幅x1＝5.00cm、初位相φ1＝3π／2，单摆P2的振幅x2＝10.00 cm、初位相φ2＝π／2处以初速度为0开始做同向运动.图2 P1和P2作初位相分别为π／2的耦合图3 P1和P2作初位相分别为3π／2和π／2反向运动的耦合图4 P1和P2作初位相分别为3π／2和π／2同向运动的耦合从图2～4可以看出，无论是哪一种情况的运动，在排除实验误差的情况下，其耦合摆的运动规律为：1）能量在2个子振子间（即2单摆间）相互交换.图2a，3a，4a显示了2振子偏离平衡位置的距离呈现大小互补的情形.2）耦合摆的运动规律为谐振，可认为能量没有损失，此摆为一个稳定结构.图2b，3b，4b显示了2摆偏离平衡位置的叠加没有随时间发生明显衰减，可近似认为能量无损失.3）耦合摆任一振子振动频率随时间周期性变化（即指“拍”），同时振子振幅也随时间周期性变化（图2a，3a，4a）.2 模型及分析图1的实验系统可以抽象为图5的模型.其中的每个摆上作用2个力距［4］：一个来自重力，摆角φ偏转往往是非常小的，所以重力距式中D＝mgL，L为摆长；另一个是来自弹簧片的力矩M′＝kΔxl，其中：k为弹簧片的刚度系数；l为单摆悬挂点到弹簧片的距离；Δx是弹簧片相对于原长的长度变化量.因为Δx＝lφ，所以其中D′＝kl2.如保持摆P1不动，使摆P2从其平衡位置向右偏离角度φ2，这时作用在摆P2上的总力矩为（以2摆平衡时在垂直位置外侧为例，并以向右为正方向）式中φ0为2摆在静止状态下相对竖直位置的偏角.与φ0有关的2力矩数值相等、方向相反，可消去.图5 耦合摆实验装置示意图在摆P2偏离φ2的情况下，如果摆P1向左偏转φ1这时，作用在摆P2的总力矩为式中J为摆的转动惯量，摆的J是相同的.同理可得，作用在摆P1上的总力矩为（1），（2）式即为耦合摆的微分方程组.可改写为式中求解微分方程组（3），（4）可得式中：ω1与耦合有关为未知系数.对（5），（6）式时间微分一次，可得2摆的速度方程根据3种典型的初始条件可得到方程中相应的a1，a2，b1，b2及2摆的运动方程.1）同相位振动.初始条件为：t＝0，φ1＝φ2＝φa，˙φ1＝˙φ2＝0，即将2摆同向偏转φa，在t＝0时，将它们同时释放，2摆作同相位振动.将初始条件代入（5）～（8）式，可得运动方程为此时，同相位振动的频率ω同＝ω0，耦合不起作用，所以2摆的振动周期为2）反位相振动.初始条件为：t＝0，－φ1＝φ2＝φa，˙φ1＝˙φ2＝0，即分别将2摆从平衡位置偏离φ1＝－φa，φ2＝φa，t＝0时将它们同时释放，此时弹簧片不断伸缩，对摆的耦合振动起明显影响.将初始条件代入（5）～（8）式得2摆的运动方程为可知，2摆的圆频率由于ω1＞ω0，所以应有3）简正振动.初始条件为：t＝0，φ2＝φa，φ1＝0，˙φ1＝˙φ2＝0，即将摆P1固定，摆P2由平衡位置偏离角度φ2＝φa，φ1＝0，在t＝0时将2摆同时释放.最初，仅摆P2振动，随着时间的增加，P2的振动能量通过弹簧片逐渐向摆P1转移，直到P2停止振动，摆P1得到P2的全部振动能量，随后此过程反复进行.将初始条件代入（5）～（8）式，2摆的运动方程为此时可看到明显的“拍”现象，φ1（t），φ2（t）作振幅缓慢变化的简正振动，也称拍振动.拍振动的频率，各摆振动时的频率，周期T拍＝2π／ω2，T2＝2π／ω2.把比值K＝D′／（D＋D′）称为摆的耦合度，可写成下列形式：由于，所以摆的耦合度可表示为3 结语本文对耦合摆的运动规律和振动特性进行了实验研究，得到了相关实验曲线，观察到普遍存在于耦合系统的“拍”现象.对该系统的物理模型进行了解析分析，即应用动力学方法建立了同相位、反相位以及简正振动3种情况下的振动方程，在给定初始值情况下得出了3种初始条件下的理论解.所得结果与实验现象定性一致.由模型讨论可知，拍频的大小取决于弹簧片的刚度系数k和耦合位置l.参考文献：［1］常馨五，李子元.关于“拍”现象的一点讨论［J］.大学物理，1989，8（4）：21－22.［2］袁玲，管志莲.耦合摆运动中位相与机械能流的方向［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2007，30（6）：784－786.［3］韩萍.耦合摆小振动问题的研究［J］.辽宁工业大学学报，2008，28（2）：138－140.［4］张育芹.耦合摆的分析［J］.物理通报，2005（4）：38－39.［5］张晋鲁，陈发堂.光学拍现象的研究［J］.陕西师范大学学报：自然科学版，1992，20（1）：81－82.［6］霍林生，李宏男.环形调液阻尼器振动控制中拍的研究［J］.计算力学学报，2010，27（3）：522－526.［7］罗万前.SS433短周期变化中的拍现象［J］.天体物理学报，1989，9（4）：332－340.［8］李守继，楼梦麟.阻尼对地铁引起地面振动计算的影响［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2010，33（1）：89－93.。
电容三点式lc振荡器实验报告
电容三点式lc振荡器实验报告电容三点式LC振荡器实验报告引言：本实验旨在通过搭建电容三点式LC振荡器，研究其原理和特性。
振荡器是电子电路中常见的一种重要元件，具有广泛的应用，如在无线电通信、射频电路和频率合成器等领域中。
通过实验，我们可以深入了解振荡器的工作原理和参数调节对振荡频率的影响。
实验器材：1. 电源：提供所需的直流电源。
2. 电容：用于构建振荡器电路。
3. 电感：与电容串联构成谐振回路。
4. 变阻器：用于调节振荡器的工作频率。
5. 示波器：用于观察振荡器输出波形。
实验步骤：1. 按照给定的电路图，搭建电容三点式LC振荡器电路。
2. 将电源连接到电路中，调节变阻器使得振荡器开始工作。
3. 使用示波器观察振荡器的输出波形，并记录相关数据。
4. 调节变阻器，观察振荡器输出波形的变化，记录相关数据。
实验结果与分析：在实验中，我们通过调节变阻器，观察到了振荡器的输出波形的变化。
当变阻器的阻值较小时，振荡器的输出波形呈现正弦波，并且频率较低。
随着变阻器阻值的增大，振荡器的输出波形逐渐变为方波，并且频率逐渐增加。
这是因为在振荡器电路中，电容和电感构成了一个谐振回路。
当谐振回路的电容和电感参数满足一定的条件时，会产生自激振荡。
在振荡器工作时，电容和电感会不断地储存和释放能量，形成振荡。
变阻器的作用是调节振荡器的工作频率。
当变阻器阻值较小时，电流通过谐振回路的速度较慢，导致振荡频率较低。
而当变阻器阻值较大时，电流通过谐振回路的速度较快，导致振荡频率较高。
通过实验观察到的输出波形变化，可以看出振荡器的频率与变阻器的阻值之间存在一定的关系。
这为我们在实际应用中调节振荡器的频率提供了一定的参考。
实验总结：通过本次实验，我们成功搭建了电容三点式LC振荡器，并观察到了振荡器输出波形的变化。
实验结果验证了振荡器的工作原理和参数调节对振荡频率的影响。
振荡器作为一种重要的电子元件，在无线电通信和射频电路等领域中具有广泛的应用。
lc振荡器 实验报告
lc振荡器实验报告LC振荡器实验报告引言：LC振荡器作为一种常见的电子电路，具有广泛的应用。
它以电感和电容构成的振荡回路为基础，通过正反馈使得系统产生自激振荡。
本实验旨在通过搭建LC 振荡器电路并观察其振荡特性，深入理解其工作原理。
实验目的：1. 理解LC振荡器的基本原理；2. 学习搭建LC振荡器电路并调节参数以实现稳定的振荡；3. 通过实验验证理论计算结果。
实验器材：1. 电感器；2. 电容器；3. 电阻器；4. 信号发生器；5. 示波器；6. 电压表；7. 万用表。
实验步骤及结果：1. 搭建基本的LC振荡器电路，将电感器和电容器连接成串联回路；2. 将信号发生器连接到电路的输入端，设置合适的频率和幅度；3. 使用示波器观察输出信号，并通过调节电容器的值来调整振荡频率；4. 测量电路中的电感器和电容器的值，并记录下来；5. 使用万用表测量电路中的电流和电压，并计算出电感器和电容器的阻抗；6. 分析实验结果，与理论计算结果进行比较。
实验原理：LC振荡器的工作原理基于振荡回路中的正反馈。
当电路中的电容器充电时，电流通过电感器，导致磁场的储能。
当电容器放电时，磁场的能量被释放，电流继续流过电感器，使电容器再次充电。
这种周期性的充放电过程导致电路产生自激振荡。
实验结果分析：通过实验观察到的振荡现象，我们可以确定LC振荡器的工作正常。
通过调节电容器的值，我们成功地改变了振荡频率。
此外，测量得到的电流和电压值与理论计算结果相符，验证了实验的准确性。
实验应用：LC振荡器在实际应用中具有广泛的用途。
例如，在无线电通信中，它常用于产生稳定的射频信号。
此外，LC振荡器还可以用于时钟电路、频率合成器等领域。
实验总结：通过本次实验，我们深入了解了LC振荡器的基本原理和工作机制。
通过实际搭建电路并观察振荡现象，我们对LC振荡器的性能和参数调节有了更深入的认识。
实验结果与理论计算结果相符，验证了实验的准确性。
通过实验，我们还了解到LC振荡器在无线电通信等领域的重要应用。
振荡电路的设计实验报告plc
振荡电路的设计实验报告一、实验目的本实验旨在通过设计并实现一个振荡电路，掌握振荡电路的基本原理、设计方法和测试技术。
通过实验，希望加深对振荡电路在电子工程领域中的应用理解，提升实验技能和理论知识。
二、实验原理振荡电路是一种能够产生自激振荡的电路，其基本原理是通过正反馈和能量损耗之间的平衡，使得电路中的信号能够持续地产生振荡。
振荡电路广泛应用于通信、测量、控制等领域。
三、实验步骤1.确定振荡电路类型：根据实验需求，选择合适的振荡电路类型，如LC振荡电路、RC振荡电路等。
2.设计电路：根据选择的振荡电路类型，使用电路设计软件绘制电路图，并确定相关元件参数。
3.搭建电路：根据电路图，使用电子元器件搭建实际的振荡电路。
4.测试与调整：通过示波器等测试设备，观察振荡电路的输出波形，调整相关元件参数，使得振荡频率符合设计要求。
5.记录数据：记录实验过程中的数据，包括振荡频率、波形等。
6.分析结果：根据实验数据，分析振荡电路的性能，总结实验经验。
四、实验结果通过实验，我们成功设计并实现了一个基于RC的振荡电路。
在测试过程中，我们观察到电路产生了稳定的正弦波输出，振荡频率约为10kHz。
通过调整电阻和电容的参数，我们可以实现对振荡频率的微调。
五、实验总结通过本次实验，我们深入了解了振荡电路的基本原理和设计方法。
在实验过程中，我们不仅学会了如何设计和搭建振荡电路，还掌握了使用示波器等测试设备进行电路性能测试的方法。
此外，我们还学会了如何根据实验数据对电路性能进行分析和优化。
本次实验的成功不仅让我们对振荡电路有了更深入的理解，还提高了我们的实验技能和理论知识水平。
在未来的学习和工作中，我们将继续努力，探索更多的电子工程领域知识。
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耦合式光电振荡器的理论与实验研究徐伟;金韬;池灏【摘要】In order to study coupled optoelectronic oscillators ( COEO) further, the mode selection theory of COEO was expounded .The phase matching condition to maintain optimum mode-locked state wasgiven .The affecting factors of phase noise of radio frequency signal were analyzed .The experiment of COEO based on polarization-maintaining mechanism was conducted .By adjusting the polarization-maintaining variable optical fiber delay lines in the optical ring cavity and the optoelectric microwave oscillation loop to change the cavity length , the relationship between cavity length and oscillation frequency wasobtained .Meanwhile, by using the frequency discrimination method , phase noise performances of 5GHz radio frequency ( RF) signals under different operating conditions were measured and the effective factors were studied .The experimental results demonstrate that oscillation mode depends on the cavity length of optical ring cavity .Optical signal polarization, phase matching and loop length have influence on the phase noise of the RF signals . The coupled optoelectronic oscillator of 5GHz RF signal and phase noises of -136dBc/Hz at 10kHz offset frequency is obtained , whose phase noise is the lowest in our country as far as we know .%为了研究耦合式光电振荡器，阐述了耦合式光电振荡器的模式选择理论，给出了维持最佳锁模状态的相位匹配条件，分析了影响射频信号相位噪声的因素，进行了基于保偏机制的耦合式光电振荡器的实验研究。
采用分别调节光环形腔和光电微波振荡环路中的保偏可变光纤延迟线可改变腔长的方法，获得了腔长与振荡频率的关系。
同时，采用鉴频法测量了不同条件下5GHz射频信号的相位噪声，研究了影响射频信号相位噪声的因素。
结果表明，耦合式光电振荡器的振荡模式取决于光环形腔的腔长，射频信号相位噪声受到光信号偏振态、相位匹配、环路长度等因素的影响。
实验中获得了偏移频率10kHz处相位噪声达到-136dBc/Hz的5GHz射频信号，是目前国内已知的相位噪声最低的耦合式光电振荡器。
【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】7页(P579-585)【关键词】光电子学;耦合式光电振荡器;振荡模式;相位匹配;保偏;相位噪声【作者】徐伟;金韬;池灏【作者单位】浙江大学信息与电子工程学系，杭州310027;浙江大学信息与电子工程学系，杭州310027;浙江大学信息与电子工程学系，杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TN751.1与传统的微波振荡器相比，光电振荡器产生的射频信号频谱宽，频段范围从几赫兹到几百吉赫兹，相位噪声性能获得极大的提高，美国OEWAVE公司生产的高端光电振荡器产品在偏移频率10kHz处相位噪声达到-163dBc/Hz。
因此，光电振荡器被广泛应用于航空航天、雷达通信、情报与信息战和传感器等领域［1-2］。
耦合式光电振荡器（coupled optoelectronic oscillator，COEO）可以产生低抖动、高重复频率的超短光脉冲，在光纤通信系统应用中有独特和广阔的应用前景［3-6］。
COEO的光环形腔具有很高的品质因素（Q值），可以作为高Q微波器件，产生低相位噪声的射频信号。
为了提高COEO的稳定性，获得低相位噪声的COEO，许多学者对其进行了理论与实验研究［7-13］。
2000年，YAO等人首次提出了基于半导体光放大器的COEO结构，定性描述了COEO的模式对准理论［7］。
为了提高系统的长期稳定性，2005年，YU演示了基于原子跃迁参考频率的COEO稳定性方案［9］。
为了改善射频信号的相位噪声和光脉冲的时域抖动，2007年，SALIK等人在COEO结构中引入了掺铒光纤放大器、保偏光纤和色散位移光纤，获得了偏移频率10kHz处相位噪声-150dBc/Hz的射频信号和2fs抖动的光脉冲［10］。
2011年，WILLIAMS等人报道了基于光锁相环和倍频机制的COEO，提高了其振荡频率的稳定性，减少了环境温度和机械振动等因素的影响，但这种结构的COEO结构复杂、成本较高，限制了它的推广应用［11］。
同年，他们演示了一种注入锁定式COEO，同时研究了射频信号的频率稳定性与注入光频率稳定性的关系［12］。
2012年，LOH等人提出了基于新型大功率平板耦合光波导放大器的COEO，这种结构不需要微波放大器，简化了系统结构，在只有60m腔长的延迟下获得了偏移频率10kHz处相位噪声-143dBc/Hz的射频信号［13］。
YAO在参考文献［7］中首次提出了COEO的模式对准理论。
该理论指出，稳定振荡后的射频信号振荡模式由光环形腔和光电微波振荡环路共同决定，即只有光环形腔的振荡模式和光电微波振荡环路的振荡模式对准匹配时，系统才能起振。
然而，作者在相关试验中发现，该理论并不能很好解释某些实验现象。
本文中将理论分析耦合式光电振荡器的工作原理，探讨振荡模式选择和相位匹配的条件，并进行实验验证。
同时，设计并搭建了基于保偏机制的耦合式光电振荡器，研究了光信号的偏振态、相位匹配、环路长度等影响COEO射频信号相位噪声的因素。
实验中获得了偏移频率10kHz处相位噪声-136dBc/Hz的5GHz射频信号，这是目前国内已知的相位噪声最低的COEO。
COEO是光振荡器和光电微波振荡器的耦合，其原理框图如图1所示。
光环形腔中包含纵模的各种谐波分量，从环形腔中提取出光信号，经光电转换后，再经过电滤波器输出相应的谐波分量，然后经放大器放大，最后反馈给LiNbO3强度调制器，对光信号经行调制。
光环形腔的振荡模式由腔长和增益决定，纵模间隔为Δω=，其中n为光纤折射率，L为腔长。
l假设从光环路提取的任意两个光信号分别为：式中，E1和E2分别是腔内光波场ε1（t）和ε2（t）的幅度，ω1和ω2分别是对应的角频率，φ1和φ2分别是对应的初相位。
ω1和ω2之间满足：式中，N为正整数，ωm是调制频率。
由（3）式可知，射频信号振荡频率（即反馈给调制器的调制信号的调制频率ωm）与光环行腔的腔长L成反比，振荡频率变化Δω和腔长变化ΔL之间满足：根据光电探测器平方律特性和光频外差探测原理，得到经光电转换后的光电流I（t）为：式中，ρ为光电探测器响应度，大括号内各项上的横线表示几个光频周期的时间平均。
（5）式等号右边大括号内第1项和第2项是光谱响应项，均为直流分量，被有限带宽的中频滤波器滤除；第4项是和频项，其频率超过光电检测器的响应带宽；第3项是差频项，只要其频率包含在光电检测器的响应带宽内，就有相应的光电流输出。
因此，最终的输出光电流I0（t）为：于是，反馈给调制器的调制电压V0（t）可表示为：式中，调制电压的幅度VRF=GRρE1E2，φ=φ2-φ1，φ是调制电压初始相位，R是负载阻抗，G是微波放大器增益。
最终，LiNbO3强度调制器的偏置电压V（t）为：式中，Vb为直流偏置电压。
光信号通过调制器后的光波电场Eout（t）为：式中，Ein（t）为进入调制器的光波电场，Vπ为半波电压。
LiNbO3强度调制器的透射率T（t）定义为：设β为调制深度，将（9）式代入（10）式，得到：为了简化运算，假设φ=0，利用贝塞尔函数将（11）式展开，得到：由（12）式可见，透射率函数中出现高频项，即调制器输出光中存在高次谐波。
若施加小信号调制，高次谐波项将得到有效抑制。
因此，在小信号调制情况下，（11）式可以近似为：根据贝塞尔函数的性质可知：将（14）式和（15）式代入（13）式，得：式中sin（απ）。
对于给定的偏置电压，α和β是常数，透射率函数只是关于调制频率ωm的函数。
未施加调制电压时，假设某一模式的腔内光波电场E（t）为：式中，E0是腔内光波场E（t）的幅度，ω0和φ0分别是其角频率和初相位。
施加调制电压后，受到调制的腔内光波电场为：上式表明，振幅调制的结果是基频ω0的光波产生了两个边带频率分别为ω0+ωm和ω0-ωm的纵模信号，频率间隔ωm（即调制频率）正好是腔长所决定的纵模间隔的整数倍。
上述3个频率成分的纵模相互耦合，并建立固定的相位关系。
同理，频率为ω0+ωm和ω0-ωm的纵模信号经过调制又激发新的边带，直到增益带宽内所有纵模起振。
为了获得更好的锁模效果，在光电微波振荡环路中引入可变光纤延迟线（variable delay line，VDL），调整光脉冲信号与射频信号之间的相位差，使光脉冲获得最大的透过率，达到最佳的锁模状态。
假设光脉冲信号经耦合器、偏振控制器、滤波器和VDL到达调制器的时间为Δt1，光脉冲信号经耦合器进入光电微波环路到达调制器的时间为Δt2。
设到达调制器的光脉冲信号和射频信号分别为：式中，Φ1和Φ2分别是光脉冲信号和射频信号的初相位。
为了方便讨论，在此不考虑强度关系，只考虑相位关系。
当两者的相位差ΔΦ满足：式中，k为整数。
此时，光脉信号和射频信号相位匹配，获得最好的锁模效果，光脉冲时域抖动和射频信号相位噪声性能达到最佳。