CN110492337A - 一种基于光电振荡器的宽带微波频率梳的产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电振荡器的宽带微波频率梳的产生方法。该方法将光电振荡器中的滤波器替换成混频器，并结合放大器、光电探测器、调制器、光延时线构成新的光电振荡回路。振荡回路中的电信号和由微波源产生的频率为f₀的信号在混频器处混频，并调节光延时线的延时量来控制光电振荡回路的腔长，使由该腔长决定的基频f_b满足mf_b＝f₀；将所述微波源产生的频率为f₀的信号，进过倍频器之后注入到光电振荡回路中，使起振频率nf_b满足nf_b＝Nf₀。两个条件同时满足时，可有效抑制基频和混频器产生的杂散，从而获得微波频率梳。本发明具有极其简单的结构和极好的相位噪声性能。在选用带宽更宽的调制器和混频器后，能获得超宽带的微波频率梳。

Description

一种基于光电振荡器的宽带微波频率梳的产生方法

技术领域

本发明涉及一种微波频率梳的产生，尤其涉及基于OEO的宽带微波频率梳的产生方法

背景技术

高质量的微波频率梳在一定的频带范围内，能提供多个微波信号，在通信系统、雷达探测、感应器、ROF等方面有着广泛的应用。早期，人们主要电子技术产生微波频率梳，包括阶跃恢复二极管(SRD)、非线性传输线(NLTL)、变容二极管等，利用这些非线性元器件的特殊性能，在低频信号的激励下，产生窄的脉冲信号，从而形成微波频率梳。但是这些方法产生的微波频率梳频率受电子器件带宽的限制而且微波频率梳间隔不易调节，难以满足实际需求。此外，由于二极管、三极管等非线性器件对偏置电压的变化非常敏感，采用上述电学方法产生MFCs需要保持严苛的恒温、恒压的工作环境等条件。相对而言，微波光子技术具有高速率、大带宽、低损耗以及抗电磁干扰等优势。应用微波光子技术产生微波频率梳逐渐成为人们的研究热点。

近年来，很多基于微波光子技术的微波频率梳产生方案被提出。最常见的是光学频率梳拍频法：通过外部调制光、锁模激光器或增益开关垂直腔表面激光器等复杂光学结构产生光载微波频率梳,而后经过光电转换产生微波频率梳。例如：2009年Xiao等人采用重复频率为20GHz的飞秒脉冲与10GHz的调制信号电域混频的方式产生了带宽80GHz梳间距为10GHz的微波频率梳，实验结果表明偶数阶谱线功率比奇数阶谱线功率高出30多dB；2010年Gao等人采用四波混频(FWM)效应将双边带调制信号光谱展宽，采用受激布里渊散射(SBS)效应将其载波频移，然后采用外差法将这两路信号拍频成微波频率梳信号，实验过程中通过改变调制信号的调制频率和受激布里渊散射效应的阶数可以分别调节微波频率梳梳间距以及中心频率；2014年，Yang等人提出了一种基于双相干OFC的单频段信号辅助多频段微波变频系统，主要是将产生的两个OFC(其中的一个OFC携带有信号源)通过光外差法拍频得到所设计的微波频率梳信号；2015年，Wang等人提出了基于OFC注入锁定微波频率梳信号产生装置，通过将载波与从激光器输出的OFC信号外差拍频，产生了带宽达40GHz、梳线间距为5GHz的MFC；上述三种方案中都采用光纤马赫曾德结构将两路信号耦合拍频，由于光纤长度及其内部传输的光信号偏振态均易受温度、振动等环境变化影响，因此拍频所产生的信号稳定性较差。

相比于光频率梳拍频法，半导体激光器的谐波频率注入锁定或者光注入锁定产生光载微波频率梳的方案则无需采用外差法，其系统结构通常为单臂结构，因此输出信号受外界环境变化影响较小。2007年：Chan等人采用光电反馈和外部微波调制方式实现了半导体激光器谐波注入锁定，得到频率间隔328MHz，带宽3GHz的微波频率梳；2009年Juan和Lin通过外部光脉冲注入半导体激光器的方式实验产生带宽20GHz的微波频率梳信号，其中一阶单边带噪声为-65dBc/Hz@50kHz；2015年Zhao等人研究了基于非相干光反馈半导体激光产生MFC的方法，在10dB幅值变化范围内，产生了带宽超过40GHz的微波频率梳。2014年Lin等人利用双光注入半导体激光器的方法在±3dB幅值变化范围内，产生了带宽为30GHz的微波频率梳。2017年Fan等人首先通过电流调制的半导体激光器产生频率梳源，然后通过光注入方式提高微波频率梳特性,产生60GHz超宽带可调谐微波频率梳，其中一阶单边带噪声低于-93dBc/Hz@10kHz。然而，由于激光器的波长容易受外界温度的变化而变化，因此注入锁定状态难以长时间维持，通常需要反馈控制。

值得提出的是，上述基于微波光子技术产生微波频率梳的方案中均用到了外部微波信号对光载波进行调制，在此基础上利用光纤非线性效应、调制非线性效应或者注入锁定从激光器内部非线性效应产生高阶谐波分量，进一步产生微波频率梳信号。因此，其产生的微波频率梳相位噪声受限于外部微波信号的相位噪声，而且越高阶谐波产生的微波频率梳其相位噪声越大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种新型的基于光电振荡器(OEO)的微波频率梳的产生方法，采用混频器代替OEO结构中的滤波器，混频器的LO和RF端口分别代替原滤波器的输入和输出端口，使用可调谐的微波信号(f₀)驱动混频器IF端口，通过调谐此驱动信号的频率以匹配OEO腔长(使得mf_b＝f₀，m为正整数，f_b为OEO基频)，即可产生频率间隔为f₀的高质量的微波频率梳信号，通过调节f₀可以改变微波频率梳的频率间隔。

本发明提出的一种基于光电振荡器的宽带微波频率梳的产生方法，采用的光学器件和电子器件包括激光器，MZM调制器，长光纤，光延时线，光电探测器，第一微波放大器，混频器，第二微波放大器，电耦合器，电谱仪，倍频器和微波源；所述激光器输出的直流光注入到MZM调制器中，所述MZM调制器输出的光信号通过所述长光纤后进入光延时线和光电探测器；通过光电探测器将光信号转化为电信号之后经过第一微波放大器放大，放大后的电信号和由微波源产生的频率为f₀的信号混频之后经过第二微波放大器和电耦合器，并反馈回MZM调制器的微波调制端口，从而形成闭合的光电振荡回路；

调节所述光延时线的延时量来控制光电振荡回路的腔长，使由该腔长决定的基频f_b满足mf_b＝f₀，其中，m为正整数，从而抑制由于基频产生的杂散；

将所述微波源产生的频率为f₀的信号，经过所述倍频器之后产生的Nf₀信号注入到光电振荡回路中，使得光电振荡回路的起振频率nf_b满足nf_b＝Nf₀，其中，n和N均为正整数，从而有效抑制混频器产生的杂散；

在所述电谱仪处观察到产生的微波频率梳。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)和其他产生微波频率梳的方法相比，本发明具有更简单的结构。只是在原来最简单的OEO的结构上将滤波器替换成了混频器，成本较低，适合大范围推广。

(2)由于采用了OEO的结构，并配合长光纤，本发明在相位噪声上具有明显的优势。

(3)通过改变注入到混频器中的低频信号，能够实现频率梳谱线间隔的轻松控制，具有超强的灵活性。

(4)在选用带宽更宽的调制器、混频器后，能获得超宽带的微波频谱梳。

附图说明

图1为本发明基于OEO的微波频率梳的产生示意图。

图中：1-激光器，2-MZM调制器，3-长光纤，4-光延时线；5-光电探测器，6-第一微波放大器，7-混频器，8-第二微波放大器，9-电耦合器，10-电谱仪，11-倍频器，12-微波源。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

本发明的设计思路是，是根据OEO振荡腔振荡时选频的原理。假设OEO的基频为f_b，根据OEO理论只要满足基频的整数倍的模式都有可能在腔中起振。假设最终起振的是nf_b模式，通过混频器将频率为f₀的信号注入到腔中后，nf_b±f₀的模式也能起振，此时腔中存在nf_b、nf_b+f₀、nf_b-f₀三个模式。当这三个模式的光再一次和f₀混频时在原来的基础上又能产生nf_b+2f₀、nf_b-2f₀的模式。以此类推最终振荡腔中具有的模式包括nf_b±∑if₀。为了避免出现杂散要求nf_b±if₀的位置刚好也是可以起振的模式，因此f₀和f_b需要满足f₀＝mf_b,即f₀也是基频的整数倍。除此之外为了防止的混频信号f₀和频率梳其他频率产生杂散，起振频率还必须满足nf_b＝Nf₀。因此需要通过电耦合器向振荡腔中注入Nf₀信号，使得其每次都在Nf₀处起振，达到起振频率是注入的混频信号频率的整数倍的目的。

按照图1所示的结构搭建系统，本发明中用到的光学器件和电子器件包括激光器1，MZM调制器2，长光纤3，光延时线4，光电探测器5，第一微波放大器6，混频器7，第二微波放大器8，电耦合器9，电谱仪10，倍频器11和微波源12。

所述激光器1输出的直流光信号经过注入到MZM调制器2中调制，所述MZM调制器2输出的光信号通过所述长光纤3后进入光延时线4和光电探测器5；通过光电探测器5将光信号转化为电信号之后经过第一微波放大器6放大，放大后的电信号和由微波源12产生的频率为f₀的信号经混频器7(IF端口被微波源12产生的低频信号f₀驱动)混频之后经过第二微波放大器8和电耦合器9，并反馈回MZM调制器2的微波调制端口，从而形成闭合的光电振荡回路。其中，长光纤3即作为储能器件，保证整个光电振荡回路的Q值，同时，又用来决定光电振荡回路的基频以确定所产生微波频率梳频率间隔的调谐步进；第一微波放大器6和第二微波放大器8小信号增益皆为30dB为光电振荡回路起振提供足够的增益；IF端口被低频信号f₀驱动的混频器实现选频作用。

本发明中，产生微波频率梳需要满足的两个条件是：

(1)由该腔长决定的基频f_b满足mf_b＝f₀，其中，m为正整数，从而抑制由于基频产生的杂散。

(2)光电振荡回路的起振频率nf_b满足nf_b＝Nf₀，其中，n和N均为正整数，从而有效抑制混频器产生的杂散；

实施例：

将MZM调制器2的偏压设定为V_π/2，使其工作在线性工作点上，以获得最佳的调制效果。若要产生频率间隔为f₀的频率梳信号，设定微波源12的频率为f₀。为了让系统起振在f₀的整数倍上，调整倍频器11的数值，将Nf₀的信号注入到光电振荡回路的腔中。根据所设定的频率，大致调整长光纤3的长度，并通过调整光延时线4微调光电振荡回路的腔长，使得起振的基频满足mf_b＝f₀。由此可获得所需的频率梳信号。修改微波源12的频率f₀'，并且通过调整光延时线4使得基频在满足mf_b＝f₀'，则能获得频率间隔为f₀'的信号。将所需的调制器和混频器替换成带宽特性更好的器件，便能获得带宽更宽的频率梳信号。

综上，本发明将基本光电振荡器结构中的滤波器替换成混频器，通过将低频的f₀信号和OEO腔内的振荡频率混频，从而将OEO的起振模式限定在以f₀为间隔的各个频率上；并将f₀经过N倍频后通过耦合器注入到OEO的振荡腔中使之在Nf₀处起振从而抑制杂散。通过改变f₀的频率和OEO的腔长能灵活调整频率梳的频率间隔。由于在基础OEO上修改了部分结构，本发明具有极其简单的结构和极好的相位噪声性能。在选用带宽更宽的调制器和混频器后，能获得超宽带的微波频率梳。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种基于光电振荡器的宽带微波频率梳的产生方法，其特征在于，包括激光器(1)，MZM调制器(2)，长光纤(3)，光延时线(4)，光电探测器(5)，第一微波放大器(6)，混频器(7)，第二微波放大器(8)，电耦合器(9)，电谱仪(10)，倍频器(11)和微波源(12)；

所述激光器(1)输出的直流光注入到MZM调制器(2)中，所述MZM调制器(2)输出的光信号通过所述长光纤(3)后进入光延时线(4)和光电探测器(5)；通过光电探测器(5)将光信号转化为电信号之后经过第一微波放大器(6)放大，放大后的电信号和由微波源(12)产生的频率为f₀的信号混频之后经过第二微波放大器(8)和电耦合器(9)，并反馈回MZM调制器(2)的微波调制端口，从而形成闭合的光电振荡回路；

调节所述光延时线(4)的延时量来控制光电振荡回路的腔长，使由该腔长决定的基频f_b满足mf_b＝f₀，其中，m为正整数，从而抑制由于基频产生的杂散；

将所述微波源(12)产生的频率为f₀的信号，经过所述倍频器(11)之后产生的Nf₀信号注入到光电振荡回路中，使得光电振荡回路的起振频率nf_b满足nf_b＝Nf₀，其中，n和N均为正整数，从而有效抑制混频器产生的杂散；

在所述电谱仪(10)处观察到产生的微波频率梳。