CN110535005B - 基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法 - Google Patents

基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法，由光学微腔电磁诱导透明(EIT)产生模块、激光器、偏振控制器、马赫曾德强度调制器、RF放大器、高速光电探测器和激光器锁频模块组成闭合光电反馈环路；光学微腔EIT产生模块作为高Q值储能器件和窄带滤波器件；激光器产生连续可调谐激光，偏振控制器控制输入光的偏振状态，马赫曾德强度调制器对来自所述激光器的光进行强度调制产生边带；RF放大器用于放大环路中的微波信号；高速光电探测器用于将光信号转化为电信号；激光器锁频模块用于将泵浦光锁定在微腔谐振频率上。本发明有效降低信号相位噪声，无需传统的电滤波器或Add‑drop微腔耦合结构，易于小型化。

Description

基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信 号产生方法
技术领域
本发明属于微波与光电子技术领域，具体涉及一种基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及高频谱纯度微波信号产生方法。
背景技术
小型高频谱纯度的微波振荡信号源作为现代电子系统中最基础、最核心的部件，广泛应用于雷达、无线通信、射电天文学、卫星、GPS导航、仪器测量等众多领域。随着雷达、卫星通信、电子对抗等向更高频段发展，其电子系统对振荡器的频率覆盖范围、相位噪声性能和集成度提出了越来越高的要求。例如对于军用数字阵列雷达系统，振荡源的相位噪声逐渐成为监测强杂波下慢、小、隐目标的性能瓶颈，直接决定了雷达系统的探测能力，低相噪振荡源对于己方的雷达系统、精确制导系统等具有重要意义。因此研究小型化、高频谱纯度以及稳定性良好的微波振荡器已成为当务之急。
传统的电振荡器利用频率合成技术对石英或者声表面波振荡器的信号进行倍频，从而产生所需频率信号，在当前的航天技术、武器装备、电子测试仪器及系统中应用范围广、需求大。但电振荡器的相位噪声随振荡频率增加而迅速增加，难以实现高频谱纯度。光电振荡器(Optoelectronic oscillator,OEO)具有低噪声、高频谱稳定性和抗电磁干扰的优势，突破了电振荡器的频率限制和稳定性差、噪声大的瓶颈，成为微波光子学研究热点。光电振荡器通常采用数千公里长光纤或者Add-drop结构的回音壁模式(Whisperinggallery mode,WGM)光学微腔作为能量存储元件/窄带滤波元件，能将振荡器的相位噪声指标提高两个数量级以上，例如，CN 106921106 A，CN 104659637 A，CN 101911403 B，CN104466620 A。但传统光电振荡器需要窄带电滤波器、双耦合锥形光纤、或者双耦合棱镜等较笨重结构作为窄带滤波元件，而小型低噪光电振荡实际应用环境对WGM微腔的光电振荡提出了特殊要求：1)WGM微腔谐振谱的带宽和透过率能够稳定、精细调谐，以调控振荡系统频谱纯度和相噪性能；2)不再基于较笨重的长光纤或者Add-drop结构实现窄带滤波，方便其小型化和集成化。
电磁诱导透明(electromagnetically induced transparency，EIT)是一种量子干涉效应，源于光场不同路径之间的干涉相消。在透明窗口内，光场的吸收特性和色散特性显著改变，并且展现出可调控的极窄频谱线宽，能够有效抑制杂散模式，为振荡环路所需的窄带滤波、能量存储和光学频率稳定提供了前提，因此基于可调控EIT效应的光电振荡器具有独特优势。
本发明提出一种基于WGM微腔中的电磁诱导透明效应原理的光电振荡器及低相噪微波信号产生方法，采用WGM微腔中的电诱导透明原理实现振荡系统的窄带滤波、能量存储和频率稳定，解决了传统技术难题，实现了光电振荡器的超低相噪、轻小型和高稳定性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法。该光电振荡器利用微腔中电磁诱导透明效应产生的可调谐超窄线宽谐振模式对光学信号进行窄带滤波和能量存储，有效降低信号相位噪声，获得高质量、稳定的微波信号，无需窄带电滤波器、双耦合锥形光纤、或者双耦合棱镜，具有尺寸小，重量轻，抗振动能力强等优点。
鉴于上述技术背景，为了克服现有技术的不足，本发明采取的技术解决方案是：一种基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法，由激光器、偏振控制器、马赫曾德强度调制器、RF放大器、高速光电探测器、光学微腔EIT产生模块和激光器锁频模块组成闭合光电反馈环路，该环路是光电振荡器的主要结构；其中，激光器产生连续可调谐激光，偏振控制器控制输入光信号的偏振状态，马赫曾德强度调制器对来自所述激光器的光进行强度调制产生边带；RF放大器用于放大环路中的射频电信号；高速光电探测器用于将光信号转化为射频电信号；光学微腔EIT产生模块作为高Q值储能器件和窄带滤波器件；激光器锁频模块用于将激光器输出频率锁定在回音壁模式微腔的谐振频率上；
所述的光学微腔EIT产生模块为单个耦合波导-SNAP微腔(光纤表面纳米轴向光子结构微腔)耦合系统。EIT谐振模式的产生需要在微腔中同时激发离散态和连续态，而SNAP微腔能够同时支持离散的轴向模式和连续的辐射模，二者相互干涉从而产生可调谐的EIT谐振模式。该EIT谐振模式可以作为振荡系统的窄带滤波和储能元件，无需双光纤/棱镜耦合结构，且通过调节EIT谐振模式的状态能够调控光电振荡系统的相位噪声和频谱纯度。
进一步地，所述的SNAP微腔是一种光纤表面纳米量级修饰的WGM光学微腔，该微腔同时支持局域化轴向模式和连续的辐射模，在耦合波导辅助下二者能够产生动态干涉。
进一步地，所述的SNAP微腔和耦合波导形成Add-pass滤波器结构，耦合波导可以是锥形光纤、耦合棱镜或集成波导。
进一步地，所述的激光器是连续可调谐窄带激光器，其波长和输出功率均可调谐，用于为系统注入连续单频光信号。
进一步地，所述的马赫曾德强度调制器用外加射频信号调制输入光信号，产生所需边带，且泵浦光和边带之间的频率间距恰好等于SNAP微腔的轴向自由光谱范围(FSR)。
进一步地，所述的RF放大器是工作在微波波段的低噪声放大器，用于使得环路内光电信号增益大于损耗得以起振，其输入端与高速光电探测器输出端连接。
进一步地，所述的激光器锁频模块使用Pound-Drever-Hall(PDH)稳频电路，将激光器输出频率锁定在产生的EIT谐振模式上。
进一步地，所述的光电探测器的带宽大于所产生微波信号的频率。
进一步地，所述的振荡环路的增益总和大于环路损耗总和。
上述基于多层膜光学微腔的光电振荡器的工作原理为：首先环路微波部分的噪声对输入激光信号进行强度调制，在马赫曾德调制器的输出端产生宽带光谱；这种源自噪声的宽带光谱经过SNAP微腔，由于微腔中连续的辐射模和离散的局域模式相互干涉产生EIT谐振模式，该EIT谐振模式对宽带光谱进行窄带滤波和能量存储；输出的光信号经过高速光电探测器转化为电信号，此RF信号为SNAP微腔轴向FSR；RF放大器对该微波信号进行放大，之后反馈到马赫曾德调制器的RF端口，作为调制器的驱动电信号，由此形成闭合光电反馈环路。当环路的增益总和大于损耗总和时，环路建立自激光电振荡，此时振荡的RF频率等于SNAP微腔轴向FSR，多次循环后，器件在很短的时间内可以建立稳定的光电振荡。值得注意的是，该系统无需窄带电滤波器、双耦合锥形光纤、或者双耦合棱镜，而通过调控EIT谐振模式的状态能够调控振荡系统相位噪声和频谱纯度。
本发明具有以下优点：
(1)本发明提供一种不依赖高性能窄带电滤波器的基于电磁诱导透明新型选模机制的光电振荡器，通过调节EIT模式的幅值、带宽和失谐量实现对振荡系统相位噪声和频谱纯度的调控，调节方法简单，易于实现高频谱纯度和高稳定性振荡系统；
(2)本发明中SNAP微腔与耦合波导为Add-pass滤波器结构，无需使用较笨重的双光纤/双棱镜耦合结构或者数千公里长的光纤，体积小，重量轻，易于封装、集成；
(3)本发明涉及的SNAP微腔轴向模式解耦合且轴向FSR与雷达中常用的C/X/Ku波段符合，并具有尺寸小、抗振动能力强等优点，在光电振荡应用领域特别是航天航空上具有独特优势。
附图说明
图1为基于SNAP微腔中电磁诱导透明原理的光电振荡器的结构示意图；
图2为SNAP微腔中电磁诱导透明模式产生机制和实验装置示意图；
图3为该振荡器的实验测试图。其中，图3(a)为EIT谐振模式谱，图3(b)为光学输出谱，图3(c)为产生的微波信号，图3(d)为微波信号的相位噪声；
图4为该振荡器选择不同储能元件时的实验测试图，其中，图4(a)为产生的微波信号，图4(b)为微波信号的相位噪声测试图。
图中标号：1-激光器；2-偏振控制器；3-马赫曾德强度调制器；4-RF放大器；5-高速光电探测器；6-SNAP微腔；7-光电探测器；8-激光器锁频模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
图1是本发明提出的基于多层膜光学微腔的光电振荡器的结构示意图。该光电振荡器由激光器1、偏振控制器2、马赫曾德强度调制器3、RF放大器4、高速光电探测器5、SNAP微腔6和激光器锁频模块8组成闭合光电反馈环路，该环路是光电振荡器的主要结构；其中，激光器1经过偏振控制器2后与马赫曾德强度调制器3的输入端连接，用于产生梳状光谱，偏振控制器控制输入光的偏振状态，马赫曾德强度调制器对来自所述激光器的光进行强度调制产生边带，且泵浦光和边带之间的频率间距恰好等于SNAP微腔轴向FSR；SNAP微腔6利用其特殊的模式结构同时激发连续的辐射模和离散的规则回音壁模式，作为振荡系统的高Q值储能器件和窄带滤波器件；高速光电探测器5用于接收来自SNAP微腔耦合系统的光信号，利用光学差频效应产生光生微波信号；RF放大器4用于放大环路中的射频电信号；环路中无需高性能窄带电滤波器，最终能够获得所需微波段信号；激光器锁频模块8使用Pound-Drever-Hall(PDH)稳频模块将激光器输出频率锁定在SNAP微腔6产生的EIT谐振模式上。
进一步，本实施例中，SNAP微腔为一个纳米量级抛物线轮廓的SiO2微柱腔，轴向长度～400μm，径向呈近似抛物线形，最大变化值～20nm(由微光纤扫描法测得，该方法测量精度0.1nm)，锥形光纤锥腰直径～1μm，SNAP微腔的制备是通过光纤熔接机的多次电弧放电作用加工而成。
图2为SNAP微腔中电磁诱导透明模式产生机制和实验装置示意图，与局域化WGM微腔(如微球腔、微环腔)不同，SNAP微腔天然支持局域化的轴向回音壁模式和连续的辐射模，两种模式在锥形光纤中相互干涉，其干涉过程类似三能级原子：基态、连续辐射模、离散的高Q值WGM。两种路径的干涉相消抵消了辐射损耗，并在透射谱中产生EIT谐振模式。通过调整耦合状态，能够精细调节输出EIT谐振模式的幅值和带宽，从而调控振荡系统的RF输出信号强度和相位噪声。
图3为本发明实施例调节EIT谐振模式的幅值和带宽后实验实现的光学输出信号和微波振荡信号。其中，图3(a)是EIT谐振模式谱，图3(b)是光学输出谱、图3(c)是产生的微波信号，图3(d)是微波信号的相位噪声。在如图1所示的振荡回路基础上，首先通过X向位移调谐得到合适的EIT谱线形状，如图3(a)所示，当环路增益足够起振，那么得到输出RF信号；然后通过Z向位移调谐调节EIT透射谱的带宽、幅值和背景光透过率，优化输出RF信号的幅值、相位噪声以及杂散模式抑制，如图3(c)-3(d)，能够产生稳定、高质量的微波信号。
图4该振荡器选择不同储能元件时的输出微波信号的实验测试图，比较了长光纤振荡器、微腔EIT振荡器以及EIT+长光纤振荡器分别作为系统储能元件时环路输出的RF信号(如图4(a))和RF信号的相位噪声，在10kHz偏移处(载波5GHz)，长光纤振荡器相位噪声为-99dBc/Hz，微腔EIT振荡器相位噪声为-108dBc/Hz，EIT+长光纤振荡器为-123dBc/Hz。当加入微腔EIT谐振模式后系统边模抑制比超过40dB。因此，电磁诱导透明效应能够显著抑制输出微波信号的杂散模式，改善相位噪声。
本发明中提及的基于电磁诱导透明原理在光电振荡器中的滤波选模应用，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中，不限于上述光纤系统，可以依据同样原理应用在对应的集成光电系统中。
综上所述，本发明提出了一种基于电磁诱导透明原理的光电振荡器及低相噪微波信号产生方法，可以有效地抑制输出信号杂散模式，改善相位噪声性能；且无需高性能窄带电滤波器、数千公里长的光纤或者双光纤/双棱镜耦合结构，利于其小型化和集成化。其实现途径是利用SNAP微腔的辐射模与轴向局域模干涉相消产生EIT模式谱，通过选择合适EIT模式参数调控输出微波信号的相位噪声和频谱纯度，得到轻小型高质量微波源。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的具体实施例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 (9)

1.一种基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法，其特征在于：由激光器、偏振控制器、马赫曾德强度调制器、RF放大器、高速光电探测器、光学微腔EIT产生模块和激光器锁频模块组成闭合光电反馈环路，该环路是光电振荡器的主要结构；其中，激光器产生连续可调谐激光，偏振控制器控制输入光信号的偏振状态，马赫曾德强度调制器对来自所述激光器的光进行强度调制产生边带；RF放大器用于放大环路中的射频电信号；高速光电探测器用于将光信号转化为射频电信号；光学微腔EIT产生模块作为高Q值储能器件和窄带滤波器件；激光器锁频模块用于将激光器输出频率锁定在回音壁模式微腔的谐振频率上；
所述的光学微腔EIT产生模块为单个耦合波导-SNAP微腔即光纤表面纳米轴向光子结构微腔耦合系统，EIT谐振模式的产生需要在微腔中同时激发离散态和连续态，而SNAP微腔能够同时支持离散的轴向模式和连续的辐射模，二者相互干涉从而产生可调谐的EIT谐振模式，该EIT谐振模式可以作为振荡系统的窄带滤波和储能元件，无需双光纤/棱镜耦合结构，且通过调节EIT谐振模式的状态能够调控光电振荡系统的相位噪声和频谱纯度。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法，其特征在于：所述的SNAP微腔是一种光纤表面纳米量级修饰的WGM光学微腔，该微腔同时支持局域化轴向模式和连续的辐射模，在耦合波导辅助下二者能够产生动态干涉。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法，其特征在于：所述的SNAP微腔和耦合波导形成Add-pass滤波器结构，耦合波导是锥形光纤、耦合棱镜或集成波导。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法，其特征在于：所述的激光器是连续可调谐窄带激光器，其波长和输出功率均可调谐，用于为系统注入连续单频光信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法，其特征在于：所述的马赫曾德强度调制器用外加射频信号调制输入光信号，产生所需边带，且泵浦光和边带之间的频率间距恰好等于SNAP微腔的轴向自由光谱范围FSR。
6.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法，其特征在于：所述的RF放大器是工作在微波波段的低噪声放大器，用于使得环路内光电信号增益大于损耗得以起振，其输入端与高速光电探测器输出端连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法，其特征在于：所述的激光器锁频模块使用Pound-Drever-Hall即PDH稳频电路，将激光器输出频率锁定在产生的EIT谐振模式上。
8.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法，其特征在于：所述的光电探测器的带宽大于所产生微波信号的频率。
9.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原理的轻小型光电振荡器及低相噪微波信号产生方法，其特征在于：所述的振荡环路的增益总和大于环路损耗总和。
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