CN111342332A - 主动锁模光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种主动锁模光电振荡器，包括：由激光器、反馈调制器模块、主动调制器模块、微波源、光纤、光延迟线、光电探测器、滤波器模块、电放大器、电耦合器组合形成的光电振荡环路；利用主动调制器模块对光信号进行主动调制可以对相邻纵模进行相位锁定，产生微波信号的频谱形状为等间隔梳状，通过滤波器模块的中心频率可以调节输出频谱的中心频率，利用光电振荡器的特性可产生高稳定度、低相位噪声的微波信号。本发明利用主动锁模原理可产生低相位噪声、功率均衡、频率可调谐、频谱为梳状的超短微波脉冲序列。

Description

主动锁模光电振荡器

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种主动锁模光电振荡器。

背景技术

微波光子学是微波技术和光子技术结合的新兴交叉学科，将光子技术应用于微波系统中，利用光学系统特有的低损耗，大带宽的巨大优势来解决微波系统中的一些瓶颈，主要包括微波信号的光产生、处理和转换，微波信号在光链路中的分配和传输等。它的产生促进了新技术的出现，如光载射频(RoF)通信、有线电视(CATV)的副载波复用和光纤传输、相控阵雷达的光控波束形成网络以及微波频域的测量技术等。

光电振荡器作为微波光子技术领域可靠的微波源，利用长光纤与微波器件联合使用，可以实现高Q值的光电混合环形谐振腔，产生稳定的微波信号，并且振荡信号的相位噪声具有随振荡频率的增加而不显著恶化的优点，在通信系统，光载射频系统、雷达探测等领域有广泛的应用前景。目前所研究的光电振荡器，大部分情况下是单频光电振荡器，随着微波光子学技术尤其是微波光子滤波技术的发展，单频光电振荡器的频率可调谐范围可以达到10GHz甚至几十GHz，然而受到振荡建立时间的约束，普通可调谐光电振荡器的调谐速度较慢。近年来，一种基于傅里叶域锁模的光电振荡器被提出，可以产生快速扫频的啁啾微波信号，该啁啾微波信号的频率随着时间的变化而变化。然而，现在还没有一种光电振荡器可以产生多频率射频梳信号(MFC)。

MFC信号广泛应用在调频雷达、调频通信、多载波通信系统等应用中，信号稳定性、信噪比、梳线间距调谐性、梳线功率均衡性是衡量MFC信号的关键参数。目前，产生MFC信号主要有电学方法和光子学方法两种方式。传统的电学方法主要是利用一些电学器件，比如阶跃恢复二极管、变容二极管、晶体三极管等一些非线性元件的特殊性能，在低频信号的激励下，输出窄的脉冲信号，接着在输出端产生高次的谐波频率分量，从而形成MFC信号。然而，通过变容二极管和晶体三极管等非线性元件产生的MFC信号的带宽比较小，并且高次的频率分量幅度急剧减小，不利于满足实际应用上的超宽带微波频率梳信号的需求。基于光子学方式产生MFC信号的方法主要有：(1)利用扫描隧道显微镜隧道结中的非线性效应产生MFC、(2)利用半导体激光器的非线性动力学态来产生MFC。(3)利用光电探测器将产生的光学频率梳转换成MFC信号。在基于光的方法中，利用扫描隧道显微镜(STM)隧道结的快速非线性响应，用锁模激光器输出的超快光脉冲去激射STM的隧道结，使隧道结呈现光脉冲的非线性多模混合效应，进而产生多频率微波信号，但这种方法存在单边带噪声大、梳距不可灵活调节的问题。基于半导体激光器的非线性动力学态产生MFC的方法，利用外部条件如光注入、光反馈、光电反馈对半导体激光器进行扰动，使激光器处于非线性状态，进而产生MFC信号，这种方案容易受到外部条件的影响，产生的微波频率梳不能在长时间内保持稳定。将产生的光学频率梳利用光电探测器转换成MFC信号，产生的MFC信号谱线之间的功率不均衡，低频部分功率高，高频部分的功率开始快速下降。

针对以上技术问题，故需对其进行改进。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种主动锁模光电振荡器。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

主动锁模光电振荡器，包括：由激光器、反馈调制器模块、主动调制器模块、微波源、光纤、光延迟线、光电探测器、滤波器模块、电放大器、电耦合器组合形成的光电振荡环路；所述激光器输出光信号进入反馈调制器模块，所述反馈调制器模块用于对光信号进行调制以形成载波和边带；所述微波源提供射频信号通过主动调制器模块对反馈调制器模块输出的光信号进行主动调制，使光电振荡环路内的多纵模建立固定的相位关系；所述主动调制器模块输出的光信号经过光纤和光纤延迟线进入光电探测器和滤波器模块，所述光电探测器通过拍频将光信号转换成电信号，所述滤波器模块提供满足光电振荡环路多模振荡的频带宽度；经光电探测器和滤波器模块输出的电信号通过电放大器放大进入电耦合器，以反馈到反馈调制器模块进行微波调制，形成闭合的光电振荡回路。

作为优选方案，所述反馈调制器模块为第一电光调制器，所述第一电光调制器为相位调制器、强度调制器中的任意一种或多种的组合。

作为优选方案，所述主动调制器模块为第二电光调制器，所述第二电光调制器为强度调制器。

作为优选方案，当第一电光调制器为强度调制器时，所述滤波器模块为电带通滤波器；当第一电光调制器为相位调制器时，所述滤波器模块为光陷波滤波器，由相位调制器、光陷波滤波器、光电探测器组合构成微波光子滤波器。

作为优选方案，通过调节微波源或光延迟线使微波源提供的微波信号的频率f_m与光电振荡环路的腔基频f₀满足f_m＝Nf₀。

作为优选方案，通过调节滤波器模块的中心频率为f_c，所述主动锁模光电振荡器输出的信号为中心频率为f_c、重复频率为f_m的微波脉冲。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

(1)本发明可以产生重复频率为f_m的短脉冲序列。

(2)本发明利用主动调制器模块对光信号进行主动调制可以对相邻纵模进行相位锁定，产生微波信号的频谱形状为等间隔梳状。

(3)通过滤波器模块的中心频率f_c可以调节输出频谱的中心频率。

(4)通过调节加在主动调制器模块上的微波驱动信号的频率f_m，使微波驱动信号的频率等于腔基频f₀的整数倍，可增大输出脉冲的重复频率。

(5)利用光电振荡器的特性可产生功率均衡、高稳定度、低相位噪声的微波信号。

附图说明

图1是本发明实施例一的主动锁模光电振荡器的基础结构示意图；

图2是本发明实施例一的主动锁模光电振荡器的实现结构示意图；

图3是本发明实施例二的主动锁模光电振荡器的实现结构示意图；

图4是本发明实施例一主动锁模光电振荡器的锁模原理示意图；

图5是本发明实施例一主动锁模光电振荡器的输出微波信号的频谱示意图；

图6是本发明实施例一主动锁模光电振荡器的输出微波信号的时域波形示意图；

其中：1.激光器，2.第一电光调制器，2a.强度调制器，2b.相位调制器，3.第二电光调制器，4.微波源，5.光纤，6.光纤延迟线，7.光电探测器，8.滤波器模块，8a.电带通滤波器，8b.光陷波滤波器，9.电放大器，10.电耦合器。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例一：

如图1-2、4-6所示，本实施例提出一种主动锁模光电振荡器，利用主动锁模原理可产生低相位噪声、功率均衡、频率可调谐、频谱为梳状的超短微波脉冲序列，包括：激光器1、反馈调制器模块、主动调制器模块、微波源4、光纤5、光纤延迟线6、光电探测器7、滤波器模块8、电放大器9、电耦合器10组合建立的光电振荡环路，其中，反馈调制器模块为第一电光调制器2，主动调制器模块为第二电光调制器3，第二电光调制器3为强度调制器，激光器1输出的光信号进入第一电光调制器2，第一电光调制器2用于对光信号进行调制，形成载波和边带，从第一电光调制器2输出的光信号进入第二电光调制器3，微波源4提供频率为f_m的信号通过第二电光调制器3对多模光电振荡环路的光信号进行主动调制，经过调制后的光信号进入光纤5和光纤延迟线6，调节光延迟线，使微波信号的频率f_m与光电振荡环路的基频f₀相等或为f₀的整数倍，当调制器上的射频驱动信号f_m等于谐振腔基频f₀的整数倍f_m＝Nf₀时，其中N为整数，谐振腔工作在谐波锁模状态，产生重复频率与调制频率f_m相同的锁模脉冲。基频锁模(f_m＝f₀)光电振荡器腔内只有单个脉冲运转，而谐波锁模在腔内有多个脉冲同时运转，并且这些脉冲的间隔完全相同。谐波锁模增大了输出脉冲的重复频率，N为同时在腔内运转的脉冲个数，同时能够调节光延时线的延时量来控制光电振荡环路的腔长，当然通过调节微波源4的频率同样可以满足条件；利用微波源4提供的外部射频信号调制腔内的第二电光调制器3，这样的调制过程会在腔内形成与调制频率f_m相同的正弦型光损耗调制，当调制频率f_m等于谐振腔模式间隔f₀时，腔内可饱和的增益只会在调制损耗的最小值附近产生净增益，如图4所示，进而产生重复频率为腔基频的同时脉冲宽度很窄的微波脉冲序列。实现光电振荡模式间的相位锁定，从而使相邻纵模之间的频率间隔和相位差保持不变，经过光纤5和光纤延迟线6输出的光信号进入光电探测器7，光电探测器7通过拍频将光信号转换成电信号，其中滤波器模块8提供一定的频带宽度，满足多模振荡的条件；电信号经过电放大器9放大进入电耦合器10，反馈到第一电光调制器2的微波调制端口，形成闭合的光电振荡回路，通过调节滤波器模块8的中心频率f_c可实现输出微波信号中心频率可调，在满足f_m＝Nf₀的基础上，通过改变微波信号的频率f_m，可调节输出短脉冲的重复频率，使主动锁模光电振荡器输出的信号为中心频率为f_c、重复频率为f_m的微波脉冲。

其中，激光器1、第一电光调制器2、微波源4、光纤5、光纤延迟线6、光电探测器7、滤波器模块8、电放大器9、电耦合器10构成多模光电振荡环路，腔内有多组纵模同时振荡，并在增益介质增益带宽内得到放大。初始状态时，不同振荡模式的振幅和相位没有确定的关系，光电振荡器器工作在多模直流运转状态，时域为随机浮动的噪声。

所谓锁模，是在腔内利用人为可控的锁模器件来实现锁模功能，通常采用的锁模器件为强度或相位调制器，对光电振荡器内诸多纵模进行相位锁定，使不同纵模逐渐达到具有明确的相位关系状态。

实现锁模短脉冲需要两个条件同时满足：

(1)多纵模振荡

(2)纵模间相位锁定

对于多纵模振荡，用带宽较宽的滤波器很容易实现，滤波器模块8提供一定的频带宽度，满足多模振荡的条件。因此，实现锁模的关键是利用锁模调制器件实现纵模相位锁定。

对未锁模的光电振荡器而言，腔内不同纵模的初始相位间无固定关系，总的电场中不同纵模干涉项的平均值为零。本实施例利用微波源4提供频率为f_m的信号通过第二电光调制器3对多模光电振荡环路的信号进行主动调制，调节光延迟线，使微波信号的频率f_m与光电振荡环路的基频f₀相等或为f₀的整数倍，实现光电振荡模式间的相位锁定，从而使相邻纵模之间的频率间隔和相位差保持不变。主动锁模光电振荡器输出重复频率为f_m的超短微波脉冲序列，是光电振荡环路内相位锁定纵模的相干叠加。

具体的，如图2所示，其中，反馈调制器模块为强度调制器2a，滤波器模块8为电带通滤波器8a，主动锁模光电振荡器包括激光器1、强度调制器2a、第二电光调制器3、微波源4、光纤5、光纤延迟线6、光电探测器7、电带通滤波器8a、电放大器9、电耦合器10组合成的光电振荡环路，激光器1输出的光信号进入强度调制器2a进行调制，形成载波和边带，经过调制后的光信号进入第二电光调制器3，微波源4提供稳定的单一频率的微波信号f_m通过第二电光调制器3对强度调制器2a输出的光信号进行主动调制，输出的光信号经,光纤5和光纤延迟线6进入光电探测器7，光电探测器7通过拍频将光信号转换成电信号，电带通滤波器8a提供一定的频带宽度，满足多模振荡的条件，电带通滤波器8a滤波后的电信号进入电放大器9放大再进入电耦合器10，反馈到强度调制器2a的微波调制端口，形成闭合的光电振荡回路。

图5和图6为本实施例主动锁模光电振荡器输出微波信号的频谱示意图与时域波形示意图。可以看出本发明主动锁模光电振荡器的输出微波信号的频谱形状为等间隔梳状，频率间隔为f_m，时域波形为重复频率为f_m的超短微波脉冲序列。

本实施例的主动锁模光电振荡器，可以产生重复频率为f_m的短脉冲序列，利用主动调制器模块对光信号进行主动调制可以对相邻纵模进行相位锁定，产生微波信号的频谱形状为等间隔梳状，通过滤波器模块8的中心频率f_c可以调节输出频谱的中心频率，通过调节加在主动调制器模块上的微波驱动信号的频率f_m，使微波驱动信号的频率等于腔基频f₀的整数倍，可增大输出脉冲的重复频率，利用光电振荡器的特性可产生功率均衡、高稳定度、低相位噪声的微波信号。

实施例二：

本实施与实施例一的主动锁模光电振荡器的不同之处在于：

如图3所示，反馈调制器模块为相位调制器2b，滤波器模块8为光陷波滤波器8b，由相位调制器2b、光陷波滤波器8b和光电探测器7组合形成微波光子滤波器实现滤波功能，主动锁模光电振荡器包括激光器1、相位调制器2b、电光调制器3、微波源4、光纤5、光纤延迟线6、光电探测器7、光陷波滤波器8b、电放大器9、电耦合器10组合成的光电振荡回路，激光器1、相位调制器2b、光陷波滤波器8b和光电探测器7构成了一个宽带微波光子滤波器，从而提供一定带宽满足多模振荡的条件，输出微波信号的带宽为光陷波滤波器8b的透射谱的宽度，相比实施例一，光陷波滤波器的带宽更大。激光器1输出的光信号进入相位调制器2b进行相位调制，形成载波和相位相反的边带，经过调制后的光信号进入第二电光调制器3，微波源4提供稳定的单一频率的微波信号f_m通过第二电光调制器3对相位调制器2b输出的光信号进行调制，使相邻纵模建立相位关系，实现相邻纵模间模式锁定，输出的光信号经过光纤5和光纤延迟线6进入光陷波滤波器8b，光陷波滤波器8b用于滤除光信号的一侧边带，从而将相位调制转换为强度调制，光电探测器7通过拍频将光信号转换成电信号，电信号经过电放大器9放大进入电耦合器10，反馈到相位调制器2b的微波调制端口，形成闭合的光电振荡回路，优选的，光陷波滤波器8b可以选择宽带光纤布拉格光栅，用于滤除相位调制的一侧边带。

其他结构及原理参考实施例一。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.主动锁模光电振荡器，其特征在于，包括：由激光器、反馈调制器模块、主动调制器模块、微波源、光纤、光延迟线、光电探测器、滤波器模块、电放大器、电耦合器组合形成的光电振荡环路；所述激光器输出光信号进入反馈调制器模块，所述反馈调制器模块用于对光信号进行调制以形成载波和边带；所述微波源提供射频信号通过主动调制器模块对反馈调制器模块输出的光信号进行主动调制，使光电振荡环路内的多纵模建立固定的相位关系；所述主动调制器模块输出的光信号经过光纤和光纤延迟线进入光电探测器和滤波器模块，所述光电探测器通过拍频将光信号转换成电信号，所述滤波器模块提供满足光电振荡环路多模振荡的频带宽度；经光电探测器和滤波器模块输出的电信号通过电放大器放大进入电耦合器，以反馈到反馈调制器模块进行微波调制，形成闭合的光电振荡回路。

2.如权利要求1所述的主动锁模光电振荡器，其特征在于，所述反馈调制器模块为第一电光调制器，所述第一电光调制器为相位调制器、强度调制器中的任意一种或多种的组合。

3.如权利要求1所述的主动锁模光电振荡器，其特征在于,所述主动调制器模块为第二电光调制器，所述第二电光调制器为强度调制器。

4.如权利要求2所述的主动锁模光电振荡器，其特征在于,当第一电光调制器为强度调制器时，所述滤波器模块为电带通滤波器；当第一电光调制器为相位调制器时，所述滤波器模块为光陷波滤波器，由相位调制器、光陷波滤波器、光电探测器组合构成微波光子滤波器。

5.如权利要求1所述的主动锁模光电振荡器，其特征在于,通过调节微波源或光延迟线使微波源提供的微波信号的频率f_m与光电振荡环路的腔基频f₀满足f_m＝Nf₀。

6.如权利要求5所述的主动锁模光电振荡器，其特征在于,通过调节滤波器模块的中心频率为f_c，所述主动锁模光电振荡器输出的信号为中心频率为f_c、重复频率为f_m的微波脉冲。

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