CN110233410B - 一种基于宇称-时间对称原理的光电振荡器、光纤系统以及集成光电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于宇称‑时间对称原理的光电振荡器、光纤系统以及集成光电系统，其包括：第一激光器、第二激光器及与其每个输出端连接的第一偏振控制器和第二偏振控制器；依序连接光偏振合束器和第三偏振控制器将两路合为一路；接着依序连接马赫增德尔强度调制器、用于储存能量的长光纤、光电探测器、电放大器、电滤波器以及电功率分束器。本发明可以提供能以光、电两种形式稳定输出低相位噪声信号的高质量微波信号源，且该光电振荡器具有空间域单环、波长域双环的结构，其结构简单、稳定性高、能够产生高纯度、低相位噪声的高频微波信号。

Description

一种基于宇称-时间对称原理的光电振荡器、光纤系统以及集 成光电系统

技术领域

本发明涉及光电子领域，尤其涉及一种基于宇称-时间对称原理的光电振荡器、光纤系统以及集成光电系统。

背景技术

宇称—时间对称理论最早在量子力学领域中提出，而后被应用于激光领域，如今延伸到微波光子领域以产生高质量的微波信号。量子系统中，将厄米共轭的条件换成弱化的更加物理的宇称-时间对称条件后，一大类复的哈密顿量即使非厄米共轭在对称状态转变阈值之下也能拥有完全的实谱。在满足其对称破缺条件时，对特定的谐振腔会产生一定的选模机制。而光电振荡器采用光电反馈环路技术，将激光能量转为微波信号能量，克服传统微波振荡器随频率升高时其相位噪声性能降低的缺点，能以光、电两种形式输出稳定的低噪声信号的新型高质量微波信号，但又其谐振腔体中的选模机制严重依赖于高性滤波器的缺点。故利用新型的、易操作的宇称-时间对称系统在破缺状态下的选模机制对传统光电振荡器进行改造有着重要的研究价值和应用价值。2018年，中国科学院半导体研究所的李明教授申请了名为“基于宇称-时间对称原理的光电振荡器”的发明专利，其结构为基于空间双环结构的宇称-时间对称光电振荡器。在此之前，暨南大学张杰君研究员与姚建平院士在著名期刊Science Advances上发表名为“Parity-time-symmetric optoelectronicoscillator”的期刊论文，其结构为基于空间双环的宇称-时间对称光电振荡器。上边两篇文献中提及的光电振荡器均为空间双环结构，其系统抗干扰能力弱，体积大，结构复杂。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的首要目的是提供一种基于宇称-时间对称原理的光电振荡器，该光电振荡器具有空间域单环、波长域双环的结构，其结构简单、稳定性高、能够产生高纯度、低相位噪声的高频微波信号。基于上述目的，本发明至少提供如下技术方案：

一种基于宇称-时间对称原理的光电振荡器，其包括：

一第一激光器，用于产生波长为λ₁的激光；

一第二激光器，用于产生波长为λ₂的激光；

一第一偏振控制器，其输入端与所述第一激光器的一输出端连接，用于控制输出端后的光的偏振态；

一第二偏振控制器，其输入端与所述第二激光器的一输出端连接，用于控制输出端后的光的偏振态；

一光偏振合束器，其1端口与所述第一偏振控制器的输出端连接，2端口与所述第二偏振控制器的输出端连接；

—第三偏振控制器，其输入端与光偏振合束器的3端口连接；

—马赫增德尔强度调制器，其输入端与所述第三偏振控制器的输出端连接；

—长光纤，其输入端与所述马赫增德尔调制器的输出端连接；

—光电探测器，其输入端与所述长光纤的输出端连接；

—电放大器，其输入端与光电探测器输出端连接；

—电功率分束器，所述电功率分束器的1端口与所述电放大器的输出端连接，所述电功率分束器的3端口为信号输出端口；

—电滤波器，所述电滤波器的输入端与所述电功率分束器的2端口连接，所述电滤波器的输出端与所述马赫增德尔调制器的3端口连接。

进一步的，所述第一激光器以及所述第二激光器为WDM多波长可调谐激光器或与WDM多波长可调谐激光器相同效果的其它类型激光器。

进一步的，所述长光纤用于存储能量，所述长光纤的长度为10～20000米。

进一步的，所述电放大器、所述电功率分束器以及所述电滤波器不局限于当前连接位置，可以在光电探测器的输出端和马赫增德尔强度调制器的3端口之间任意位置连接。

进一步的，所述光电振荡器的相位噪声低于-110dBc/Hz。

进一步的，所述光电振荡器发射的单模信号，其边模抑制比超过46dB。

进一步的，所述马赫曾德尔强度调制器为5～100GHz带宽的强度调制器或其他类型强度调制器而可达到与5～100GHz带宽强度调制器相同效果；所述电滤波器的中心频率为1～100GHz，或其他类型电滤波器而可达到与中心频率为1～100GHz的电滤波器相同效果。

进一步的，所述第一偏振控制器、所述第二偏振控制器以及所述第三偏振控制器选用三桨偏振控制器、微型双桨偏振控制器或光纤同轴偏振控制器；所述光偏振合束器为非保偏的偏振合束器或保偏的偏振合束器。

进一步的，所述光电探测器为1～100GHz带宽的光电探测器或其他类型光电探测器而可达到与1～100GHz光电探测器相同效果；所述电功率放大器的带宽为40kHz～100GHz，其增益系数为10dB以上的电功率放大器或其他类型电功率放大器而可达到与带宽为40kHz～100GHz，增益系数为10dB以上的电功率放大器相同效果；所述电功率分束器为带宽为1～100GHz的电功率分束器或其他类型电功率分束器而可达到与带宽为1～100GHz的电功率分束器相同效果。

一种光纤系统，所述光纤系统包含上述光电振荡器。

一种集成光电系统，所述集成光电系统包含上述光电振荡器。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

(1)本发明基于宇称-时间对称原理的光电振荡器，不依赖于高性能极窄带滤波器，通过调节回路增益和损耗强度，从而实现对称破缺以进行选模，调节方法简单，易于实现；且本发明的光电振荡器采用空间域单环、波长域双环的结构，其结构简单、稳定性高，能够产生高纯度、低相位噪声的高频微波信号。

(2)本发明只需要一个空间链路，因此系统稳定性得到大幅提高，系统结构得到显著简化。

附图说明

图1为本发明光电振荡器的结构示意图。

图2为本发明实施例调节增益和损耗强度的调节装置后实现对称性破缺状态下的单模输出以及相位噪声示意图。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

本发明某些实施例于后方将参照所附附图作更全面性的描述，其中一些但并未全部的实施例将被示出。实际上本发明的各种实施例可以以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

本发明提供一种基于宇称—时间对称的新型光电振荡装置，其中包括无极窄带滤波器的单纵模起振的单环光电振荡器，用于提供可输出的单模光电振荡信号；在该装置系统中，激光器输出的两束不同波长的激光在单环光电振荡器中作为两个光电环路，同时在该装置系统的环路中加入增益与损耗强度的调节装置，基于对两个环路内的增益和损耗强度的调节，从而实现该双波长单环光电振荡器内的宇称—时间对称的各种相位形式的调节，并且在宇称—时间对称破缺条件下实现单一模式的选择。

请参阅图1所示，本发明提供一种宇称—时间对称原理的光电振荡器，包括：

—第一激光器1，用于产生波长为λ₁的激光；

—第二激光器2，用于产生波长为λ₂的激光；

—第一偏振控制器3，其输入端与第一激光器1的输出端连接，用于控制输出端后的光的偏振态；

—第二偏振控制器4，其输入端与第二激光器2的输出端连接，用于控制输出端后的光的偏振态；以及

—光偏振合束器5，其1端口与第一偏振控制器的输出端连接，2端口与第二偏振控制器的输出端连接；

—第三偏振控制器6，其输入端与光偏振合束器5的3端口连接；

—马赫增德尔强度调制器7，其输入端与第三偏振控制器6的输出端连接；

—长光纤8，用于储存能量，其输入端与马赫增德尔调制器7的输出端连接；

—光电探测器9，用于探测光信号，其输入端与长光纤8的输出端连接；

—电功率放大器10，用于使环路内光电信号增益大于损耗得以起振，其输入端与光电探测器9输出端连接；

—电功率分束器11，其1端口与电功率放大器10的输出端连接，3端口为信号输出端口；

—电滤波器12，用于控制产生信号的范围，其输入端与电功率分束器11的2端口连接，其输出端与马赫增德尔调制器7的3端口连接，其中该电滤波器12为宽带的电滤波器。

其中所述的第一激光器1和第二激光器2为WDM多波长可调谐激光器，不局限于使用WDM多波长激光器，可以使用其他类型激光器而达到与WDM多波长激光器相同效果。

其中所述的第一偏振控制器3、第二偏振控制器4与第三偏振控制器6不局限于使用本专利中所使用的三桨偏振控制器，可以使用微型双桨偏振控制器或者光纤同轴偏振控制器等其他类型偏振控制器来达到与三桨偏振控制器相同效果。

其中所述的光偏振合束器5不局限于使用非保偏的光偏振合束器，可以使用其他类型的光偏振合束器(如保偏的光偏振合束器)来达到与非保偏的光偏振合束器相同结果。

其中马赫增德尔强度调制器7，不局限于使用5～100GHz带宽的马赫增德尔强度调制器7，可以使用其他类型强度调制器而达到与5～100GHz带宽马赫增德尔强度调制器相同效果。

其中所述的储存能量的长光纤8的长度在10到20000米之间，不局限于使用G652普通单模光纤，可以使用其他类型的光纤而达到G652普通单模光纤相同效果。

其中光电探测器9不局限于使用1～100GHz带宽光电探测器，可以使用其他类型的光电探测器而达到与1～100GHz带宽光电探测器相同效果。

其中电功率放大器10的带宽为40kHz～100GHz，增益系数为10dB以上，也可以使用其他类型的电功率放大器而达到与带宽为40kHz～100GHz，增益系数为10dB以上的电功率放大器相同效果。

其中电功率分束器11优选使用工作带宽为1～100GHz的电功率分束器，也可以使用其他类型的电功率分束器而达到与工作带宽为1～100GHz的电功率分束器相同效果。

其中电滤波器12优选使用中心频率1～100GHz的带通滤波器，也可以使用其他类型的带通电滤波器，而达到与中心频率为1～100GHz的带通滤波器相同效果。

其中电放大器10、电功率分束器11和电滤波器12不限于当前连接位置，可以在光电探测器9的输出端和马赫增德尔强度调制器7的3端口之间任意位置连接。

图2为本发明实施例调节增益和损耗强度的调节装置后实现对称性破缺状态下的单模输出以及相位噪声示意图。

本实施例中，在调节增益和损耗强度的调节装置后，如果使上面的环路开路，增益足够起振，那么将得到单环多模起振的振荡效果。由于激光器输出的两束不同波长的激光在单环光电振荡器中相当于两个环路，在调节增益和损耗强度的调节装置后，如果其中一个环路的增益不等于另一环路的损耗，那么将得到双环多模起振的振荡效果。在调节和损耗强度的调节装置后，如果两个环路增益和损耗满足某一环路损耗等于另一环路增益，那么将得到类似图2中的a的宇称-时间对称破缺的单频输出形式，该情形下即实现了一种基于宇称-时间对称原理的光电振荡器，在光纤长度为10到20000m长度时，如附图2中的b所示，相位噪声低至-129.33dBc/Hz。如图2中a中所示的单模信号，边模抑制比超过了46dB。如果两个环路增益和损耗满足其中某一环路的损耗大于另一环路的增益，或满足其中某一环路的增益大于另一环路的损耗，即恢复某一环路不起振，另一环路起振的单环多模振荡状态。

本发明中提及的基于宇称—时间对称原理在光电振荡器中的选模作用，并不局限于上述光电振荡器，可以应用于所有类似的光电振荡系统、光纤系统以及集成光电系统中。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。

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

Claims (10)

1.一种基于宇称-时间对称原理的光电振荡器，其包括：

一第一激光器(1)，用于产生波长为λ₁的激光；

一第二激光器(2)，用于产生波长为λ₂的激光；

一第一偏振控制器(3)，其输入端与所述第一激光器(1)的一输出端连接，用于控制输出端后的光的偏振态；

一第二偏振控制器(4)，其输入端与所述第二激光器(2)的一输出端连接，用于控制输出端后的光的偏振态；

一光偏振合束器(5)，其1端口与所述第一偏振控制器(3)的输出端连接，2端口与所述第二偏振控制器(4)的输出端连接；

—第三偏振控制器(6)，其输入端与光偏振合束器的3端口连接；

—马赫增德尔强度调制器(7)，其输入端与所述第三偏振控制器(6)的输出端连接；

—长光纤(8)，其输入端与所述马赫增德尔调制器(7)的输出端连接；

—光电探测器(9)，其输入端与所述长光纤(8)的输出端连接；

—电放大器(10)，其输入端与光电探测器输出端连接；

—电功率分束器(11)，所述电功率分束器(11)的1端口与所述电放大器(10)的输出端连接，所述电功率分束器(11)的3端口为信号输出端口；

—电滤波器(12)，所述电滤波器(12)的输入端与所述电功率分束器(11)的2端口连接，所述电滤波器(12)的输出端与所述马赫增德尔调制器的3端口连接。

2.根据权利要求1的所述光电振荡器，其特征在于，所述第一激光器以及所述第二激光器为WDM多波长可调谐激光器或与WDM多波长可调谐激光器相同效果的其它类型激光器。

3.根据权利要求1或2的所述光电振荡器，其特征在于，所述长光纤用于存储能量，所述长光纤的长度为10～20000米。

4.根据权利要求1或2的所述光电振荡器，其特征在于，所述电放大器(10)、所述电功率分束器(11)以及所述电滤波器(12)不局限于当前连接位置，可以在光电探测器的输出端和马赫增德尔强度调制器的3端口之间任意位置连接。

5.根据权利要求3的所述光电振荡器，其特征在于，所述光电振荡器的相位噪声低于-110dBc/Hz，所述光电振荡器发射的单模信号，其边模抑制比超过40dB。

6.根据权利要求1、2或5的所述光电振荡器，其特征在于，所述马赫曾德尔强度调制器为5～100GHz带宽的强度调制器或其他类型强度调制器而可达到与5～100GHz带宽强度调制器相同效果；所述电滤波器的中心频率为1～100GHz，或其他类型电滤波器而可达到与频率为1～100GHz的电滤波器相同效果。

7.根据权利要求6的所述光电振荡器，其特征在于，所述第一偏振控制器、所述第二偏振控制器以及所述第三偏振控制器选用三桨偏振控制器、微型双桨偏振控制器或光纤同轴偏振控制器；所述光偏振合束器为非保偏的偏振合束器或保偏的偏振合束器。

8.根据权利要求6的所述光电振荡器，其特征在于，所述光电探测器为1～100GHz带宽的光电探测器或其他类型光电探测器而可达到与1～100GHz光电探测器相同效果；所述电功率放大器的带宽为40kHz-100GHz，其增益系数为10dB以上的电功率放大器或其他类型电功率放大器而可达到与带宽为40kHz-100GHz，增益系数为10dB以上的电功率放大器相同效果；所述电功率分束器为带宽为1～100GHz的电功率分束器或其他类型电功率分束器而可达到与带宽为1～100GHz的电功率分束器相同效果。

9.一种光纤系统，其特征在于，所述光纤系统包含权利要求1-8之一的所述光电振荡器。

10.一种集成光电系统，其特征在于，所述集成光电系统包含权利要求1-8之一的所述光电振荡器。

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