CN109713552B - 一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法，主要包括泵浦信号生成及频率控制，受激布里渊散射增益谱选模，光电振荡产生单模微波信号，及光锁相反馈补偿环路抖动。采用一个波长高稳定的激光器输出同时作为泵浦信号载波和光电振荡器载波，通过级联的相位强度调制方法产生等幅等间隔的光频梳，将梳齿中的一支边带注入从激光器，其稳定输出作为布里渊泵浦信号，利用受激布里渊散射产生的窄带增益作为选模滤波器，并引入双环结构及光锁相反馈补偿模块，即可生成单模微波信号，其频率调节范围及精度由驱动信号及环路器件决定。该方案实现了高稳定的高频微波信号生成及精确控制，可以作为雷达或通信系统的载波或参考信号等。

Description

一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法

技术领域

本发明涉及微波光子学中的微波信号生成领域，尤其涉及一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法。

背景技术

微波信号广泛应用于雷达系统中进行目标探测，及通信系统中作为信号载波或时钟信号。传统电域生成微波信号的方法，受到电子瓶颈的制约，其合成频率有限，且易受电磁干扰的影响。随着微波光子学的发展，采用光电结合的方法生成微波信号引起越来越多的关注。光纤具有的高频率，低损耗，易于集成，抗电磁干扰等特性，大大提升了生成的微波信号的频率，对于改善雷达系统的探测精度，及提升信号的传输载波频率具有重要意义。

微波光子学中，微波信号的生成方法主要有两个相干频率拍频，光电振荡器。直接拍频方案中，两个相干的信号可以来自于两个锁模激光器，或是光学频率梳，对于锁模激光器，其合成的微波信号易受到激光器性能的影响，且激光器调节精度有限，对于光频梳，难以实现所需频率的精确滤波，且系统往往较为复杂，因此生成的微波信号调节精度及灵活性受到极大的限制。光电振荡器具有较高的Q值，对于生成具有超低相位噪声的微波信号具有很大的潜力。

光电振荡器的关键是进行模式选择，传统的方案是在环路中引入一个光滤波器或窄带电滤波器(Z.Xie,S.Li,H.Yan,X.Xiao,X.Zheng,and B.Zhou,“Tunable dualfrequency optoelectronic oscillator with low intermodulation based on dual-parallel Mach-Zehnder modulator”,Opt.Express 24(26),30282-30288，2016.)，但受到光滤波器的带宽限制，及电滤波器的调节灵活性限制，生成信号的频率有限，且往往是不可调的。为提升光电振荡生成信号频率的调节灵活性，微波光子滤波器越来越多地被应用到选模过程中，例如光纤布拉格光栅，但其调节范围有限，且易受温度和偏振态的影响，使得生成信号的频率调节及稳定性受到一定限制。

光纤中的受激布里渊散射增益具有低阈值，窄带宽，频率可灵活调节的特点，可作为一个微波光子滤波器，用于实现频率灵活可调的光电振荡器。其中，频率的调节可通过调节泵浦信号的波长实现，采用两个激光器分别作为泵浦和信号载波(M.Merklein,B.Stiller,I.V.Kabakova,U.S.Mutugala,K.Vu,S.J.Madden,B.J.Eggleton,and R.Slavík,“Widely tunable,low phase noise microwave source based on a photonic chip,”Opt.Lett.41(20),4633-4636，2016.)，或者单个激光器采用外调制频移的方法(Y.Qiao,M.Pan,S.Zheng,H.Chi,X.Jin and X.Zhang,“An electrically tunable frequency-doubling optoelectronic oscillator with operation based on stimulatedBrillouin scattering,”J.Opt.15,035406，2013)，可以实现对泵浦载波的调节。然而，双激光器的方案对激光器的频率稳定性要求很高，限制了波长调节灵活度的同时，增加了系统的成本。单个激光器外调制的方案中，往往采用强度调制器进行频移，使得泵浦波长依赖于驱动信号的频率，限制了生成信号的频率，并且受限于环境及环路抖动，生成信号的长期稳定性较差。所以，迫切需要可以同时实现高频率，高调节精度，低相位噪声的微波信号生成方案。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种具有高频率，高调节精度，低相位噪声的微波信号生成方案，以满足雷达及通信系统的应用需求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的关键问题是能同时实现大范围、高精度频率调节的微波信号生成，同时具有较低的相位噪声以及长期稳定的频率。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法，包括以下步骤：

步骤1、主激光器输出具有窄线宽、高稳定性的信号，经过一个50：50的光耦合器分为两路，第一路信号作为泵浦信号频移的载波，第二路信号作为光电振荡器的载波；

步骤2、主激光器输出信号中第一路依次通过一个相位调制器和一个强度调制器，两个调制器由同一个驱动信号驱动，其中，强度调制器的驱动信号引入一个可调电延迟线，产生一定的相位差，通过调节驱动信号的功率、可调电延迟线的大小及强度调制器的偏置点，生成具有十支具有近似相等幅度边带的光频梳，且；

步骤3、生成的光频梳信号经过一个光环形器后，注入到去隔离器的从激光器，将从激光器的波长与光频梳中的一支边带锁定，作为受激布里渊散射效应的泵浦信号；

步骤4、锁定后的从激光器输出信号经过一个偏振控制器和一个环形器后，进入高非线性光纤，在泵浦信号传输的反方向产生一个与布里渊泵浦信号具有固定频移的增益谱；

步骤5、主激光器的第二路输出信号输入到一个相位调制器，作为光电振荡器的载波，经过一个隔离器后，进入高非线性光纤；

步骤6、光电振荡器的载波与步骤4产生的布里渊增益一起经过步骤4所述的环形器后，经过一个50：50的光耦合器后分为两路，分别经过一段不同长度的单模光纤和一个光电二极管，光电转换后的两路电信号由第一电耦合器合并，以实现环路的单模振荡；

步骤7、第一电耦合器输出的电信号经过一个电放大器进行功率放大后，由第二电耦合器分为两路，其中一路输入光电振荡器的相位调制器作为反馈驱动信号，形成一个闭合的光电振荡环路，进行光电振荡，另一路输出稳定的微波信号。

进一步地，所述主激光器为波长固定为1551nm，线宽小于1kHz的高稳定激光器。

进一步地，通过级联的相位强度外调制的方法实现载波频率偏移。

进一步地，所述步骤3中，通过调节从激光器的电流和温度，将从激光器锁定在光频梳的一支边带上。

进一步地，所述步骤4中，调节偏振控制器保证布里渊具有最大的增益。

进一步地，所述受激布里渊散射效应的增益介质是一段1km长的高非线性光纤。

进一步地，所述光电振荡环路的电光转换是通过一个40GHz的相位调制器实现的。

进一步地，所述步骤6中，不同长度的单模光纤其中一段为1km长，另一段为1.1km长，两个光电二极管具有40GHz的带宽，基本一致的响应特性。

进一步地，所述光电振荡器环路中引入反馈模块，反馈模块包含一个外部参考信号，光锁相环与声光频移器；第二耦合器输出的微波信号耦合出一路送入光锁相环，与参考信号的相位进行比较生成误差信号，将误差信号放大后输入到声光频移器，对光电振荡器环路进行频率补偿。

进一步地，所述光电振荡器环路通过光纤中的受激布里渊散射效应产生一个相当于微波光子滤波器的窄带增益谱，利用该增益谱不断放大环路中某一特性频率的白噪声，增益不断叠加直到大于环路的损耗，最终形成稳定的频率振荡。

本发明的有益效果是：本发明利用光纤中的受激布里渊散射增益谱作为一个波长可控的窄带微波光子滤波器，对光电振荡环路进行模式选择，利用长光纤高Q值的优点，生成具有超低相位噪声的微波信号，且通过控制泵浦信号的频率，可以实现生成信号频率的灵活调节。通过引入光锁相反馈模块，可以进一步提升生成信号频率的长期稳定性。该方法解决了基于布里渊的光电振荡器系统中泵浦信号灵活控制的问题，一定程度上降低了系统成本，实现了生成信号同时具备较低的高频移和低频移处的相位噪声，为其实现实际应用提供了可能。

附图说明

图1是本发明实施例的一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法的实验框图；

图2是本发明实施例在外部驱动信号频率为5GHz时，基于级联的相位强度调制生成的光频梳光谱图；

图3是本发明实施例的从激光器注入锁定到第三支边带后的输出信号光谱图；

图4是本发明实施例的稳定环路振荡输出频谱图；

图5是本发明实施例的微波生成信号的频率调节图；

图6是本发明实施例的微波生成信号的频率调节精度图

图7是本发明实施例的光锁相前后微波生成信号的相位噪声对比图；

图8是本发明实施例的光锁相前后微波生成信号频率随时间的抖动对比图；

图9是本发明实施例的光锁相后微波生成信号频率随时间的抖动放大图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步的描述，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实施例是在本发明技术方案为前提下进行实施，并给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。附图所示的每一组件的尺寸是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸。

本发明利用受激布里渊散射增益具有低阈值，窄带宽，波长灵活可控的优点，结合光电振荡器高Q值的特点，实现了低相位噪声的微波信号生成。通过引入光锁相反馈模块，可以保证微波生成信号的长期稳定性，同时通过对泵浦信号的精确控制，可以实现高频率、高精度的频率调节。

如图1所示，在本发明的实施方式中，主要包括相干泵浦信号的生成及频率控制，受激布里渊散射增益谱选模，双延时环路结构实现单模振荡，光电振荡环路产生稳定的微波信号，及光锁相反馈补偿环路抖动；具体包括以下步骤：

步骤1、主激光器输出波长固定为1551nm，线宽小于1kHz的高稳定信号，并经过一个50：50的光耦合器分为两路，第一路信号作为泵浦信号频移的载波，第二路信号作为光电振荡器的载波；

步骤2、主激光器输出信号中的第一路依次通过一个20GHz带宽的相位调制器和一个40GHz带宽的强度调制器，两个调制器由同一个驱动信号驱动，其中，强度调制器的驱动信号引入一个可调电延迟线，产生一定的相位差，通过驱动信号的功率、可调电延迟线的大小及强度调制器的偏置点，生成具有十支以上边带的光频梳，且不同的边带具有近似相等的幅度；以驱动信号频率为5GHz为例，获得的光频梳光谱图如附图2所示，获得的梳齿间隔为5GHz的光频梳为14支；

步骤3、生成的光频梳信号经过一个光环形器后，注入到去隔离器的从激光器，从激光器可以采用分布反馈式激光器，通过调节从激光器的电流和温度，将从激光器锁定在光频梳的一支边带上，以附图3为例，将从激光器波长与右侧第三支边带锁定，输出的泵浦信号功率由从激光器的电流决定，因此从激光器的电流尽可能大，以保证足够的泵浦功率，示例中从激光器输出光功率为11.8dBm，同时通过调节注入光频梳的功率，保证边带功率抑制在-35dB以下，低于布里渊效应的阈值，因而未锁定的边带不会产生受激布里渊散射效应；

步骤4、锁定后的从激光器输出信号经过一个偏振控制器和一个环形器后，进入高非线性光纤，作为布里渊泵浦信号，其中调节偏振控制器是为了保证布里渊具有最大的增益；布里渊泵浦信号在信号传输的反向方向产生一个与布里渊泵浦信号具有固定频移的增益谱，在该示例中，布里渊频移量为9.2GHz；

步骤5、主激光器的第二路输出信号输入到一个40GHz带宽的相位调制器，作为光电振荡器的载波，经过一个隔离器后，进入高非线性光纤；

步骤6、光电振荡器的载波与步骤4产生的布里渊增益一起经过步骤4所述的环形器后，送入一个50：50的光耦合器分为两路，一路经过一段1km长的单模光纤和一个光电二极管，另一路经过一段1.1km长的单模光纤和一个光电二极管，经过光电转换为电信号后，两路信号由第一电耦合器合并，其中两个光电二极管具有40GHz的带宽，基本一致的响应特性，延迟单模光纤的长度根据具体情况可进行适当的延迟量调整，以进行二次选模，提升生产的微波信号的边模抑制比；

步骤7、第一电耦合器输出的电信号经过一个低噪声电放大器进行功率放大后，由第二电耦合器分为两路，其中一路输入光电振荡器的相位调制器作为反馈驱动信号，形成一个闭合的光电振荡环路，进行光电振荡，另一路输出稳定的微波信号，可通过一个40GHz的电谱仪采集，从而进行频率观测与分析。

光电振荡器环路中，起初相位调制器由白噪声驱动，之后一支边带被布里渊增益进行不断放大，当增益大于环路损耗时，该边带起振，其振荡频率等于光电振荡器的载波与布里渊增益频率的差值。以附图3中的信号为例，将其作为泵浦信号输入到高非线性光纤，振荡稳定后，获得的微波信号的频率约为5.8GHz，频谱如附图4所示，可见其保证了生成频率的单模特性，且边模抑制比大于60dB。

通过调节驱动信号的频率，及从激光器注入锁定的边带，可以实现生成的微波信号的大范围频率调节，如附图5所示，实验验证了40GHz频率范围内的微波信号生成，在该方案中，生成信号的频率仅仅受限于器件的响应带宽范围。

同时，实验验证了微波生成信号的高精度频率调节，如附图6所示，最高调节精度为8MHz。

为实现生成信号的长期稳定性，光电振荡器环路中引入反馈模块，其中包含一个具有超稳定频率的外部参考信号，光锁相环与声光频移器。第二耦合器输出的微波信号耦合出一路送入光锁相环，与参考信号的相位进行比较生成误差信号，将误差信号放大后输入到声光频移器，对光电振荡器环路进行频率补偿。通过相位噪声分析仪可以测量分析生成信号的噪声质量，以上述5.8GHz信号为例，反馈锁定前后的相位噪声结果如附图7所示，可见，高频移处，自由振荡信号与反馈锁定后信号的相位噪声基本保持一致，在10kHz频移处，单边带相位噪声约为-117dBc/Hz，在10Hz以内频移处，反馈锁定后的相位噪声远低于自由振荡的状态，在10^-1Hz频移处，单边带相位噪声由40dBc/Hz降为-10dBc/Hz，且随着测量时间的增加，该差距变得越来越大。通过测量生成信号的频率随时间的抖动，可以更为直观地判断生成信号的频率稳定性，附图8所示是一个5.8GHz的微波信号在反馈前后，其频率在3000s内的抖动情况，可见，自由震荡状态下，生成信号的频率呈现一种长期慢漂特性，这主要是受到环境温度等的影响，锁定后的信号频率基本保持稳定，其频率抖动放大图如附图9所示，一小时内的最大频率抖动由自由振荡状态下的8kHz降为5Hz，大大提升了信号的频率稳定性。

综上所述，该方案提出了一种基于光纤中受激布里渊散射效应的光电振荡器，通过结合光注入锁定与反馈锁相，实现了具有大范围、高精度、频率可灵活调节的微波信号生成，同时保证了生成信号的长期稳定性，大大提升了在雷达及通信领域的实用价值。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、主激光器输出具有窄线宽、高稳定性的信号，经过一个50：50的光耦合器分为两路，第一路信号作为泵浦信号频移的载波，第二路信号作为光电振荡器的载波；

步骤2、主激光器输出信号中的第一路依次通过一个相位调制器和一个强度调制器，两个调制器由同一个驱动信号驱动，其中，强度调制器的驱动信号引入一个可调电延迟线，产生一定的相位差，通过调节驱动信号的功率、可调电延迟线的大小及强度调制器的偏置点，生成具有十支以上具有近似相等幅度边带的光频梳；

步骤3、生成的光频梳信号经过一个光环形器后，注入到去隔离器的从激光器，将从激光器的波长与光频梳中的一支边带锁定，作为受激布里渊散射效应的泵浦信号；

步骤4、锁定后的从激光器输出信号经过一个偏振控制器和一个环形器后，进入高非线性光纤，在泵浦信号传输的反方向产生一个与布里渊泵浦信号具有固定频移的增益谱；

步骤5、主激光器的第二路输出信号输入到一个相位调制器，作为光电振荡器的载波，经过一个隔离器后，进入高非线性光纤；

步骤6、光电振荡器的载波与步骤4产生的布里渊增益一起经过步骤4所述的环形器后，经过一个50：50的光耦合器后分为两路，分别经过一段不同长度的单模光纤和一个光电二极管，光电转换后的两路电信号由第一电耦合器合并，以实现环路的单模振荡；

步骤7、第一电耦合器输出的电信号经过一个电放大器进行功率放大后，由第二电耦合器分为两路，其中一路输入光电振荡器的相位调制器作为反馈驱动信号，形成一个闭合的光电振荡环路，进行光电振荡，另一路输出稳定的微波信号；光电振荡器环路中引入反馈模块，反馈模块包含一个外部参考信号，光锁相环与声光频移器；第二耦合器输出的微波信号耦合出一路送入光锁相环，与参考信号的相位进行比较生成误差信号，将误差信号放大后输入到声光频移器，对光电振荡器环路进行频率补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法，其特征在于，所述主激光器为波长固定为1551nm，线宽小于1kHz的高稳定激光器。

3.根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法，其特征在于，通过级联的相位强度外调制的方法实现载波频率偏移。

4.根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法，其特征在于，所述步骤3中，通过调节从激光器的电流和温度，将从激光器锁定在光频梳的一支边带上。

5.根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法，其特征在于，所述受激布里渊散射效应的增益介质是一段1km长的高非线性光纤。

6.根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法，其特征在于，所述光电振荡环路的电光转换是通过一个40GHz的相位调制器实现的。

7.根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法，其特征在于，所述步骤6中，不同长度的单模光纤其中一段为1km长，另一段为1.1km长，两个光电二极管具有40GHz的带宽，基本一致的响应特性。

8.根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射效应的高稳定微波信号生成方法，其特征在于，所述光电振荡器环路通过光纤中的受激布里渊散射效应产生一个相当于微波光子滤波器的窄带增益谱，利用该增益谱不断放大环路中某一特性频率的白噪声，增益不断叠加直到大于环路的损耗，最终形成稳定的频率振荡。

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