CN110911946B - 一种梳距可调的低相位噪声微波频率梳发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梳距可调的低相位噪声微波频率梳发生器，由激光器产生的连续光信号进入强度调制器，经微波源调制后产生的调制信号进入强度调制器对激光器产生的连续光进行调制后分成N路光；进行光注入锁定，即由N个DFB激光器锁定不同的谐波分量，然后再分别依次经过一个光延时线和一个长光纤进入相应的光电探测器，产生不同的拍频信号，实现不同倍数的倍频微波信号的产生；每一路微波信号再分别经过放大、滤波后反馈到光强调制器，从而构成了N个相互独立的注入锁定光电振荡环路，最终实现微波频率梳的输出。所有输出之间都有固定的相位关系，相位噪声很低。还可以通过调节每一路的DFB激光器，实现频率间隔不等的多频点信号的输出。

Description

一种梳距可调的低相位噪声微波频率梳发生器

技术领域

本发明涉及一种微波频率梳，尤其涉及一种梳距可调的低相位噪声微波频率梳发生器。

背景技术

微波频率梳由一系列具有一定间隔的离散微波信号构成，可以在一个频段内有多频点的微波信号输出，微波频率梳具有谱线数目多、频率范围宽、谱线间距精密度高等优点，在通信、军事、医疗等方面有广泛的应用，受到国内外研究者的广泛关注。

目前，微波频率梳的产生方法主要包括电学和光学两种，传统的电学方法虽然能够产生带宽为十几GHz的频率梳，但是产生的频率梳的梳距不能灵活调节、幅度不够平坦，且很难向更高频带扩展，而光学方法能够突破传统电学的瓶颈，相比于电学方法获得的微波频率梳具有带宽宽、功率高、噪声小的特点，基于光学产生微波频率梳的方法主要有：光梳外差法、扫描隧道显微镜隧道结中的非线性效应、锁模激光器模式锁定和半导体激光器的非线性动力学态，其中最常用到的是基于光梳外差法，再用光电探测器拍频产生微波频率梳，这种方法结构稳定、易于调谐，但这种方法产生的微波频率梳会有频率抖动、相噪较大的缺陷；利用扫描隧道显微镜隧道结的非线性效应获取的微波频率梳也会有梳距不可调、频率抖动、相噪较大等缺陷，因此，如何产生一个梳距可调且相位噪声较低的微波频率梳显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术，本发明提供了一种梳距可调的低相位噪声微波频率梳发生器，解决了现有微波频率梳产生系统梳距固定且相位噪声较大的问题，同时每路输出之间具有固定的相位关系。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种梳距可调的低相位噪声微波频率梳发生器，由激光器产生的连续光信号进入强度调制器，经微波源调制后产生的调制信号通过第一电耦合器进入强度调制器，所述强度调制器对激光器产生的连续光进行调制后，经一光耦合器分成N路光；每一路光均分别进行光注入锁定，即由N个DFB激光器锁定不同的谐波分量，然后再分别依次经过一个光延时线和一个长光纤进入相应的光电探测器，产生不同的拍频信号，实现不同倍数的倍频微波信号的产生；每一路微波信号再分别经过放大、滤波后经一电耦合器反馈到所述强度调制器，从而构成了N个相互独立的注入锁定光电振荡环路，最终实现微波频率梳的输出。

进一步讲，本发明所述的梳距可调的低相位噪声微波频率梳发生器，其中，通过调节每一路的DFB激光器的波长，进而锁定不同阶次的谐波，最终既可以产生梳距相同的微波频率梳，即每个频率分量间的间隔相等，也可以产生频率分量间的间隔不等的多频点信号的输出。

本发明中，N个相互独立的注入锁定光电振荡环路的结构相同，所述光电振荡环路包括与所述强度调制器连接的所述光耦合器，与所述光耦合器依次连接的偏振控制器、光环形器、光延时线、长光纤、光电探测器、第一微波放大器、滤波器、第二微波放大器、第二电耦合器、第三电耦合器和第一电耦合器连接至所述强度调制器；其中，所述环形器连接有一个DFB激光器；从所述偏振控制器输出的调制光信号通过所述环形器进入所述DFB激光器，注入锁定高次谐波，注入锁定后的光信号依次通过光延时线和长光纤进入所述光电探测器，得到拍频信号；拍频信号依次通过第一微波放大器、滤波器、第二微波放大器、第二电耦合器、第三电耦合器和第一电耦合器反馈到所述强度调制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用注入锁定技术，利用DFB激光器放大调制光信号中的高次谐波，通过光电探测器产生拍频信号，即对调制信号倍频，相比于其他倍频方法来说，能够放大的谐波分量阶次更高，即倍频因子更大；本发明每一路信号的产生都构成光电振荡环路，能够使输出具备很低的相位噪声；本发明的光电振荡环路间都是相互独立的，都有单独的DFB激光器进行注入锁定，调节每一路的DFB激光器，可以获得不同的拍频信号，进而可以获得梳距可调的微波频率梳输出，同时也可获得频率间隔不等的多频点信号的输出；本发明虽然由多环路组成，但是有单一的微波源作为调制信号，这使得每一路的信号之间具有固定的相位关系，方便其他系统对此频率梳的应用；本发明在理论上，能够增加注入锁定的光电振荡环路数，进而增加微波频率梳的频率分量。

附图说明

图1为本发明梳距可调的低相位噪声微波频率梳发生器结构图。

图中：

1-激光器，2-强度调制器，3-光耦合器，4、10、16-偏振控制器，5、11、17-环形器，6、12、18-光延时线，7、13、19-长光纤，8、14、20光电探测器，9、15、21-DFB激光器，22、26、30-第二电耦合器，23、27、31-第二微波放大器，24、28、32-滤波器，25、29、33-第一微波放大器，34-第三电耦合器，35-第一电耦合器，36-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。

如图1所示，本发明提出的一种梳距可调的低相位噪声微波频率梳发生器，由激光器1产生的连续光信号进入强度调制器2，经微波源36调制后产生的调制信号通过第一电耦合器35进入强度调制器2，所述强度调制器2对激光器1产生的连续光进行调制后，经一光耦合器3分成N路光；每一路光均分别进行光注入锁定，即由N个DFB激光器锁定不同的谐波分量，然后再分别依次经过一个光延时线和一个长光纤进入相应的光电探测器，经过光电探测器后，形成不同频率的拍频信号，实现不同倍数的倍频微波信号的产生；每一路微波信号再分别经过放大、滤波后经一电耦合器反馈到所述强度调制器2，从而构成了N个相互独立的注入锁定光电振荡环路，最终可实现梳距可调的低相位噪声微波频率梳输出，同时相互之间具有固定的相位关系，理论上还可以通过增加光电振荡环路数，进而增加微波频率梳的频率分量。通过调节每一路的DFB激光器的腔长，进而锁定不同阶次的谐波，最终既可以产生梳距相同的微波频率梳，即每个频率分量间的间隔相等，也可以产生频率分量间的间隔不等的多频点信号的输出。

本发明中，N个相互独立的注入锁定光电振荡环路的结构相同，所述注入锁定光电振荡环路包括与所述强度调制器2连接的所述光耦合器3，与所述光耦合器3依次连接的偏振控制器、光环形器、光延时线、长光纤、光电探测器、第一微波放大器、滤波器、第二微波放大器、第二电耦合器、第三电耦合器和第一电耦合器35连接至所述强度调制器2；其中，所述环形器连接有一个DFB激光器；

图1中示意出了N个相互独立的注入锁定光电振荡环路，例如：

第一个注入锁定光电振荡环路是与所述光耦合器3依次连接的偏振控制器4、光环形器5、光延时线6、长光纤7、光电探测器8、第一微波放大器33、滤波器32、第二微波放大器31、第二电耦合器30、第三电耦合器34和第一电耦合器35连接至所述强度调制器2；其中，所述环形器5连接有DFB激光器9；

第二个注入锁定光电振荡环路是与所述光耦合器3依次连接的偏振控制器10、光环形器11、光延时线12、长光纤13、光电探测器14、第一微波放大器29、滤波器28、第二微波放大器27、第二电耦合器26、第三电耦合器34和第一电耦合器35连接至所述强度调制器2；其中，所述环形器11连接有DFB激光器15；

第N个注入锁定光电振荡环路是与所述光耦合器3依次连接的偏振控制器16、光环形器17、光延时线18、长光纤19、光电探测器20、第一微波放大器25、滤波器24、第二微波放大器23、第二电耦合器22、第三电耦合器34和第一电耦合器35连接至所述强度调制器2；其中，所述环形器17连接有DFB激光器21。

每一个注入锁定光电振荡环路中，从所述偏振控制器输出的调制光信号通过所述环形器进入所述DFB激光器，注入锁定高次谐波，注入锁定后的光信号依次通过光延时线和长光纤进入所述光电探测器，得到拍频信号；拍频信号依次通过第一微波放大器、滤波器、第二微波放大器、第二电耦合器、第三电耦合器和第一电耦合器35反馈到所述强度调制器2。

实施例：利用图1所示微波频率梳发生器产生梳距可调的低相位噪声微波频率梳，具体过程如下：

步骤一：调整强度调制器2的偏置电压，使微波源36产生的微波信号对激光器1产生的连续光信号进行调制，形成光信号的各阶边带，调节三个偏振控制器4、10、16；匹配相应的DFB激光器。

步骤二：调整三个DFB激光器9、15、21驱动台的参数，注入锁定相应的光信号的边带，使其光功率增大，分别通过三个光延时线6、12、18和三条长光纤7、13、19后，进入三个相应的光电探测器8、14、20形成各自的拍频信号。

步骤三：产生的拍频信号通过各自注入锁定光电振荡环路的滤波和放大，通过第三电耦合器34和第一电耦合器35反馈到强度调制器2，形成各自的光电振荡环路，产生的倍频信号分别通过三个第二电耦合器22、26和30输出。

步骤四：调整三个光延时线6、12和18的长度，以调节注入锁定光电振荡环路的腔长，使腔长符合各自注入锁定光电振荡环路的振荡频率，同时选择三个滤波器24、28、32，使三个滤波器的通带符合各自注入锁定光电振荡环路的振荡频率。

步骤五：调节三个DFB激光器9、15、21驱动台的参数，注入锁定调制光信号的不同边带，通过各自连接的光电探测器8、14、20后形成不同的拍频信号，进而获得不同倍数的微波倍频信号和不同的梳距。

以上步骤以三条环路为例进行说明，增加相同结构的光电振荡环路数，可增加微波频率梳的频率分量数。除了能够产生梳距可调的低相位噪声微波频率梳，通过调节每一路的DFB激光器，还可产生频率间隔不等的多频点信号的输出。

综上，本发明梳距可调的低相位噪声微波频率梳发生器，是由激光器产生的连续光信号经过强度调制器调制后，经过光耦合器分成多路，每一路都同样通过环形器进入DFB激光器进行光注入锁定，将不同的高次谐波分量进行放大，在通过每一路的光电探测器后，产生不同频率的拍频信号，拍频信号再通过放大、滤波，最终再耦合到强度调制器，构成光电振荡环路，调节DFB激光器，放大不同阶次的谐波分量，最终可以实现梳距可调的微波频率梳，同时所有输出之间都有固定的相位关系，相位噪声很低。通过增加注入锁定的光电振荡环路数，即可增加微波频率梳的频率分量。同时，由于每一路光电振荡环路相互独立，也可以通过调节每一路的DFB激光器，实现频率间隔不等的多频点信号的输出。

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 (3)

1.一种梳距可调的低相位噪声微波频率梳发生器，其特征在于，由激光器(1)产生的连续光信号进入强度调制器(2)，经微波源(36)调制后产生的调制信号通过第一电耦合器(35)进入强度调制器(2)，所述强度调制器(2)对激光器(1)产生的连续光进行调制后，经一光耦合器(3)分成N路光；每一路光均分别进行光注入锁定，即由N个DFB激光器锁定不同的谐波分量，然后再分别依次经过一个光延时线和一个长光纤进入相应的光电探测器，产生不同的拍频信号，实现不同倍数的倍频微波信号的产生；每一路微波信号再分别经过放大、滤波后经一电耦合器反馈到所述强度调制器(2)，从而构成了N个相互独立的注入锁定光电振荡环路，最终实现微波频率梳的输出。

2.根据权利要求1所述的梳距可调的低相位噪声微波频率梳发生器，其特征在于，通过调节每一路的DFB激光器的波长，进而锁定不同阶次的谐波，最终既可以产生梳距相同的微波频率梳，即每个频率分量间的间隔相等，也可以产生频率分量间的间隔不等的多频点信号的输出。

3.根据权利要求1所述的梳距可调的低相位噪声微波频率梳发生器，其特征在于，N个相互独立的注入锁定光电振荡环路的结构相同，所述注入锁定光电振荡环路包括与所述强度调制器(2)连接的所述光耦合器(3)，与所述光耦合器(3)依次连接的偏振控制器、光环形器、光延时线、长光纤、光电探测器、第一微波放大器、滤波器、第二微波放大器、第二电耦合器、第三电耦合器和第一电耦合器(35)连接至所述强度调制器(2)；其中，所述环形器连接有一个DFB激光器；从所述偏振控制器输出的调制光信号通过所述环形器进入所述DFB激光器，注入锁定高次谐波，注入锁定后的光信号依次通过光延时线和长光纤进入所述光电探测器，得到拍频信号；拍频信号依次通过第一微波放大器、滤波器、第二微波放大器、第二电耦合器、第三电耦合器和第一电耦合器(35)反馈到所述强度调制器(2)。

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