CN110707511A

CN110707511A - 基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器

Info

Publication number: CN110707511A
Application number: CN201810748017.3A
Authority: CN
Inventors: 李明; 郝腾飞; 唐健; 石暖暖; 李伟; 祝宁华
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2020-01-17

Abstract

一种基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，包括可调谐激光器、相位调制器、高非线性光纤、环行器、光带通滤波器、光电探测器、电放大器、功分器和泵浦激光器；其中，可调谐激光器、相位调制器、泵浦激光器、高非线性光纤、光带通滤波器和光电探测器一起组成一微波光子滤波器，所述微波光子滤波器的通频带由可调谐激光器的发光波长和受激布里渊散射的损耗谱的波长差决定。本发明利用受激布里渊散射损耗谱构建一个可快速调谐的微波光子滤波器，通过周期性地调谐微波光子滤波器的通频带，并使滤波器通频带的变化与信号在光电振荡器环路中传输一周的时间延迟相匹配，实现傅里叶域锁模，从而可以输出宽带可调的快速扫频微波信号。

Description

基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器。

背景技术

高质量微波信号源可利用电子学方法或基于光子学的微波信号产生技术实现。其中电子学方法精度高，但瞬时带宽和相位噪声特性较差。为克服电子学方法的缺点，研究人员提出了多种基于光子学的微波信号产生技术，主要包括双波长激光外差法、光脉冲整形法和光电振荡器技术等。其中，双波长激光外差法通过调节激光器的波长，很容易实现宽带、快速调谐的微波信号产生，其带宽和扫频速度显著高于电子学手段。然而，由于两束激光的相位相关性较差，因此产生的微波信号的相位噪声较大，甚至较压控振荡器更差。基于光脉冲整形的微波信号产生技术主要基于频-时映射的原理，通过对光频谱的频域整形，可以产生任意波形微波信号。该技术面临的主要问题是重构慢，需要重新对频谱进行整形。此外，由于频谱整形的精度较低(10GHz，采用Finisar公司的waveshaper)，这使得产生的微波信号的相位噪声较大。

光电振荡器技术可以克服上述两种方法的不足，利用光储能获得高性能的谐振腔，产生超低相噪的微波信号。光电振荡器的调谐性也较强，目前报道的光电振荡器的调谐范围可覆盖几十GHz。但这种传统的光电振荡器遇到的最大的问题就是其频率调谐速度慢。

为了满足通信和雷达系统对高质量快速扫频微波信号源的需求，本发明提出了一种基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，来产生低相噪、宽带可调的快速扫频微波信号。

发明内容

针对上述技术不足，本发明的主要目的在于提供一种基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，以期至少部分地解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，包括：可调谐激光器、相位调制器、高非线性光纤、环行器、光带通滤波器、光电探测器、电放大器、功分器和泵浦激光器；

其中，所述可调谐激光器、相位调制器、高非线性光纤、环行器、光带通滤波器、光电探测器和泵浦激光器之间通过光纤跳线连接；所述光电探测器、电放大器、功分器和相位调制器之间通过电缆连接；

其中，所述可调谐激光器、相位调制器、泵浦激光器、高非线性光纤、光带通滤波器和光电探测器一起组成了一个微波光子滤波器，所述微波光子滤波器的通频带由可调谐激光器的发光波长和受激布里渊散射的损耗谱的波长差决定。

基于上述技术方案可知，本发明的傅里叶域锁模光电振荡器相对于现有技术具有如下有益效果：

(1)可以产生频率宽带可调，且相位连续的扫频微波信号；

(2)不同频率成分的信号在不同的时刻通过微波光子滤波器，这些频率成分同时存储在光电振荡器环腔内，因此新的频率成分不需要重新经由噪声开始起震，光电振荡器可输出宽带可调的快速扫频微波信号；

(3)微波光子滤波器的通频带由可调谐激光器的发光波长和受激布里渊散射损耗谱对应的波长的差值决定，微波信号的宽带调谐可简单的通过改变可调谐激光器的发光波长实现。

附图说明

图1是本发明的基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器的结构示意图；

图2(a)、图2(b)分别是受激布里渊散射损耗前后的光谱图。

在图1中，附图标记含义如下：

1、可调谐激光器；2、相位调制器；3、高非线性光纤；4、环行器；5、光带通滤波器；6、光电探测器；7、电放大器；8、功分器；9、泵浦激光器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，该光电振荡器利用可调谐激光器的波长快速可调谐性、相位调制器的调制特性、高非线性光纤的非线性特性、光带通滤波器的滤波特性，以及光电振荡器的微波发生性能，产生宽带可调的快速扫频微波信号。

具体地，本发明的基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，主要包括：可调谐激光器、相位调制器、高非线性光纤、环行器、光带通滤波器、光电探测器、电放大器、功分器和泵浦激光器。

其中，可调谐激光器、相位调制器、高非线性光纤、环行器、光带通滤波器、光电探测器和泵浦激光器之间通过光纤跳线连接；光电探测器，电放大器，功分器和相位调制器之间通过电缆连接。

其中，可调谐激光器为波长可快速连续调谐的分布反馈(DFB)激光器或分布布拉格反射(DBR)激光器。

其中，泵浦激光器是高功率单波长激光器，功率范围例如为0-30dBm，波长例如为C波段的某一波长。

其中，高非线性光纤是具有光学非线性的低损耗微波储能元件，光纤损耗例如低至0.2dB/km；光纤长度为数米至数十千米不等，例如为1～30000米，优选为200-2000米。

其中，经相位调制器调制后产生的光载波和正、负一阶边带以及受激布里渊散射的损耗谱在光带通滤波器的通频带内，受激布里渊散射的增益谱在光带通滤波器的通频带外。

其中，可调谐激光器、相位调制器、泵浦激光器、高非线性光纤、光带通滤波器和光电探测器一起组成了一个微波光子滤波器，该滤波器的通频带由可调谐激光器的发光波长和受激布里渊散射的损耗谱的波长差决定。

其中，该微波光子滤波器的变化周期与信号在光电振荡器环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件：

nT＝T_r；

其中，n是正整数，T是微波光子滤波器的变化周期，T_r是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。

其中，该功分器与电放大器的位置可以互换。

其中，该光滤波器可以替换为电滤波器。

其中，该可调谐激光器、相位调制器、高非线性光纤、环行器组成的光路中还包括光放大器，用于对光信号进行放大。

其中，该傅里叶域锁模光电振荡器的环路由单环路替换为双环路或更多环路。

其中，该微波光子滤波器的通频带通过周期性的改变泵浦激光器的发光波长实现周期性调谐。

其中，该相位调制器可以替换为偏振调制器。

本发明的基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器的工作过程如下：泵浦激光器在高非线性光纤中激发受激布里渊散射，利用光带通滤波器滤除受激布里渊散射增益谱后，受激布里渊散射的损耗谱可抑制相位调制器调制产生的一个边带，从而将相位调制转换成强度调制，在光电探测器中可得到对应于可调谐激光器发光波长和损耗谱对应波长之差的微波信号。因此，可调谐激光器、相位调制器、泵浦激光器、高非线性光纤、光带通滤波器和光电探测器一起组成了一个微波光子滤波器，该滤波器的通频带由可调谐激光器和损耗谱的波长差决定。通过周期性调节可调谐激光器的发光波长，即周期性的调谐微波光子滤波器的通频带，并使滤波器通频带的变化与信号在光电振荡器环路中传输一周的时间延迟相匹配，可实现傅里叶域锁模。

工作时，可调谐激光器发出的光载波在相位调制器上被微波信号调制，产生正一阶和负一阶两个边带，其他的高阶边带在小信号调制下可忽略。上述信号通过高非线性光纤进入环行器，泵浦激光器发出的激光在高非线性光纤中激发后向的受激布里渊散射，从而也在环行器中形成泵浦光波长左右两侧的带宽约几十MHz的损耗谱和增益谱，其中泵浦光频率和受激布里渊散射区对应的频率相差约10GHz。将上述包含损耗谱和增益谱的两路信号通过光滤波器，滤除受激布里渊散射增益谱，从而将相位调制器的相位调制转换成了等效强度调制。该调制信号在光电探测器中拍频可得到对应于可调谐激光器发光波长和损耗谱对应波长之差的微波信号。将上述微波信号经过电放大器放大后进入功分器，从而一路输出，一路返回到相位调制器中作为反馈调制信号，构成闭合的光电振荡器回路。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述说明。

如图1所示为本发明的结构示意图，主要包括：1个可调谐激光器1、1个相位调制器2、1个高非线性光纤3、1个环行器4、1个光带通滤波器5、1个光电探测器6、1个电放大器7、1个功分器8和1个泵浦激光器9。其中可调谐激光器1、相位调制器2、高非线性光纤3、环行器4、光带通滤波器5、光电探测器6和泵浦激光器9之间通过光纤跳线依次连接。光电探测器6、电放大器7、功分器8和相位调制器2之间通过电缆依次连接。

泵浦激光器9在高非线性光纤3中激发后向的受激布里渊散射，会在泵浦光波长左右两侧分别形成带宽越几十MHz的损耗谱和增益谱。泵浦光频率和受激布里渊散射区对应的频率相差约10GHz。本发明利用光带通滤波器5滤除受激布里渊散射增益谱，如图2(a)所示，虚线为光带通滤波器5的通频带。因此光滤波器可排除增益谱对系统的影响。受激布里渊散射的损耗谱可抑制相位调制器2调制产生的一个边带，经受激布里渊散射的损耗谱抑制后的调制信号如图2(b)所示。正、负一阶边带的大小不在相等，因此相位调制转换成了等效强度调制。该调制信号在光电探测器中拍频可得到对应于可调谐激光器1发光波长和损耗谱对应波长之差的微波信号。因此，可调谐激光器1、相位调制器2、泵浦激光器9、高非线性光纤3、光带通滤波器5和光电探测器6一起组成了一个微波光子滤波器，该滤波器的通频带由可调谐激光器1和损耗谱的波长差决定。

通过周期性的调节可调谐激光器1的发光波长，即周期性的调谐微波光子滤波器的通频带，并使滤波器通频带的变化与信号在光电振荡器环路中传输一周的时间延迟相匹配，即满足傅里叶域锁模条件：

nT＝T_r；

其中，n是正整数，T是微波光子滤波器的变化周期，T_r是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。那么不同频率成分会在不同的时刻通过微波光子滤波器，这些频率成分同时存储在光电振荡器环腔内，新的频率成分不需要重新经由噪声开始起震，从而实现傅里叶域锁模，可产生宽带可调的快速扫频微波信号。

进一步的，本发明中微波光子滤波器的通频带由可调谐激光器的发光波长和受激布里渊散射损耗谱对应的波长的差值决定，微波信号的宽带调谐可简单的通过改变可调谐激光器的发光波长实现。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其结构进行简单地熟知地替换，如：可将功分器和电放大器的位置互换；可将光带通滤波器更换为电滤波器，来滤除增益谱的影响；可在光路中加入光放大器对信号进行放大；可将单环路的光电振荡器替换为双环路或更多环路；可通过周期性的改变泵浦激光器的发光波长实现微波光子滤波器通频带周期性的调谐。并且，所附的附图是简化过且作为例示用。附图中所示的器件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且器件的配置可能更为复杂。

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

1.一种基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，包括：可调谐激光器、相位调制器、高非线性光纤、环行器、光带通滤波器、光电探测器、电放大器、功分器和泵浦激光器；

2.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述可调谐激光器为波长调谐速度达到GHz/μs量级且能够连续调谐的分布反馈激光器或分布布拉格反射激光器。

3.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述泵浦激光器是高功率单波长激光器，功率范围为0-30dBm。

4.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述高非线性光纤是具有光学非线性的低损耗微波储能元件，其长度为1～30000米，优选为200-2000米。

5.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，经所述相位调制器调制后产生的光载波和正、负一阶边带以及受激布里渊散射的损耗谱在所述光滤波器的通频带内，受激布里渊散射的增益谱在所述光滤波器的通频带外。

6.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述微波光子滤波器的变化周期与信号在光电振荡器环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件：

nT＝T_r；

7.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述功分器与电放大器的位置互换。

8.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述光滤波器替换为电滤波器。

9.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述可调谐激光器、相位调制器、高非线性光纤、环行器组成的光路中还包括光放大器，用于对光信号进行放大；

作为优选，所述傅里叶域锁模光电振荡器的环路由单环路替换为双环路或更多环路。

作为优选，所述微波光子滤波器的通频带通过周期性的改变泵浦激光器的发光波长实现周期性调谐。

10.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射损耗谱的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述相位调制器替换为偏振调制器。