CN112886367A - 一种太赫兹光电振荡器及振荡方法 - Google Patents

一种太赫兹光电振荡器及振荡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹光电振荡器及振荡方法，振荡器包括第一激光器、半导体光放大器、第一光环形器、第二光环形器、高非线性光纤、第三光环形器、第一可调光延时线、偏振控制器、偏振分束器、第二可调光延时线、偏振合束器、第一光耦合器、第二激光器、第二光耦合器、光电探测器、电带通滤波器、电混频器、外部参考源、电控制模块、第三光耦合器、单行载流子光电二极管，该发明能够光电产生低相噪、频率可调、稳定的太赫兹信号，此外，该发明使用中频信号对该太赫兹光电振荡器的发生频率进行控制，具有低成本、易实现等特点，为太赫兹技术的应用提供可实用化太赫兹信号发生方案。

Description

一种太赫兹光电振荡器及振荡方法
技术领域
本发明涉及太赫兹信号发生领域，尤其涉及一种太赫兹光电振荡器及振荡方法。
背景技术
目前，随着通信带宽的增大和通信速率的提高，在通信系统中使用的载波信号的频率不断朝着高频方向发展，前沿研究者们已经将通信系统的载波频率推向了太赫兹频段。为了实现高质量通信，研究低相位噪声的太赫兹频段载波信号发生技术具有重要意义。
目前，常用的系统级光电产生高频甚至太赫兹频段信号的方法主要有两大类：一类是光外差法，即使用两个不同波长的激光信号进行拍频，获得太赫兹载波信号；另一类方法则是基于光电振荡器。基于光外差法的太赫兹信号发生技术可以使用两个独立的波长不同的激光器，或者使用一个单模锁定的多波长激光器，或者一个光频率梳产生双波长激光信号，拍频产生的高频信号频率等于两个激光频率的间隔。但是，为了产生低相噪和频率稳定的信号，基于光外差法的太赫兹信号发生技术通常需要使用光锁相环或者Pound–Drever–Hall(PDH)锁定结构对两个波长的光信号进行锁定，使得系统结构极其复杂。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的方案是：
一种太赫兹光电振荡器，包括第一激光器、半导体光放大器、第一光环形器、第二光环形器、高非线性光纤、第三光环形器、第一可调光延时线、偏振控制器、偏振分束器、第二可调光延时线、偏振合束器、第一光耦合器、第二激光器、第二光耦合器、光电探测器、电带通滤波器、电混频器、外部参考源、电控制模块、第三光耦合器、单行载流子光电二极管；
第一激光器、半导体光放大器、第一光环形器、第二光环形器、高非线性光纤、第三光环形器、第一可调光延时线、偏振控制器、偏振分束器、第二可调光延时线、偏振合束器、第一光耦合器通过光纤顺次相连；第一光耦合器、第三光耦合器、单行载流子光电二极管通过光纤顺次相连；第三光耦合器、第二光耦合器通过光纤相连；第二激光器、第三光环形器、高非线性光纤、第二光环形器、第二光耦合器、光电探测器通过光纤顺次相连；光电探测器、电带通滤波器、电混频器、电控制模块通过微波同轴线顺次相连；外部参考源、电混频器通过微波同轴线相连；电控制模块、第一可调光延时线通过杜邦线相连。
作为优选，采用光电振荡器产生太赫兹信号。
作为优选，采用中频信号对该太赫兹光电振荡器的发生频率进行控制。
作为优选，通过调节第一激光器的频率实现太赫兹信号的频率调谐。
一种太赫兹光电振荡方法，由第一激光器发出的可调单频光信号作为光载波，注入到半导体光放大器的光输入端，经半导体光放大器放大后，光信号注入到第一光环形器的第二端口，并从其第三端口输出；从第一光环形器的第三端口输出的光信号到达第二光环形器的第一端口，并从其第二端口输出；经高非线性光纤传输后，光信号到达第三光环形器的第二端口，并从第三光环形器的第三端口输出；经第一可调光延时线延时以及偏振控制器对光信号的偏振状态进行调节后，从偏振控制器输出的光信号被偏振分束器分为两路，从偏振分束器的第一光输出端输出的光信号到达偏振合束器的第一光输入端；经第二可调光延时线延时后，从偏振分束器的第二光输出端输出的光信号到达偏振合束器的第二光输入端；两路光信号在偏振合束器中耦合后到达第一光耦合器的光输入端，并被第一光耦合器分为两路；从第一光耦合器的第一光输出端输出的光信号到达第一光环形器的第一端口，从第一光耦合器的第二光输出端输出的光信号被第三光耦合器分为两路；从第三光耦合器的第一光输出端输出的光信号注入到单行载流子光电二极管中，经过光电转换产生太赫兹信号；从第三光耦合器的第二光输出端输出的光信号继续传输到第二光耦合器的第一光输入端；
由第二激光器发出的单频光信号作为泵浦光信号，注入到第三光环形器的第一端口，并从其第二端口输出；从第三光环形器的第二端口输出的光信号注入到高非线性光纤中，并激发受激布里渊散射；激发的受激布里渊散射光信号到达第三光环形器的第二端口后，与第一激光器发出的可调单频光信号作为光载波的光信号一起继续传输；剩余第二激光器发出的单频光信号到达第二光环形器的第二端口，并从其第三端口输出，接着传输到第二光耦合器的第二光输入端；经第二光耦合器耦合后的光信号注入到光电探测器中，经过光电转换后产生射频信号；从光电探测器输出的信号再经过电带通滤波器滤波后传输到电混频器的第一输入端口；外部参考源输出的射频信号注入到电混频器的第二输入端口；从电混频器输出的信号作为探测信号，其中包含了光电振荡器环路中的相位抖动信息，经电控制模块采集后用来控制第一可调光延时线。
另一种太赫兹光电振荡器，包括第一激光器、半导体光放大器、第一光环形器、第二光环形器、高非线性光纤、第三光环形器、可调光延时线、第四光环形器、第四光耦合器、第一偏振控制器、偏振分束器、第二偏振控制器、第一光耦合器、第二激光器、第二光耦合器、光电探测器、电带通滤波器、电混频器、外部参考源、电控制模块、第三光耦合器、单行载流子光电二极管；
第一激光器、半导体光放大器、第一光环形器、第二光环形器、高非线性光纤、第三光环形器、可调光延时线、第四光环形器、第四光耦合器、第一偏振控制器、偏振分束器、第二偏振控制器、第一光耦合器通过光纤顺次相连；第一光耦合器、第三光耦合器、单行载流子光电二极管通过光纤顺次相连；第三光耦合器、第二光耦合器通过光纤相连；第二激光器、第三光环形器、高非线性光纤、第二光环形器、第二光耦合器、光电探测器通过光纤顺次相连；光电探测器、电带通滤波器、电混频器、电控制模块通过微波同轴线顺次相连；外部参考源、电混频器通过微波同轴线相连；电控制模块、可调光延时线通过杜邦线相连。
本发明采用光电振荡器产生低相噪、稳定的太赫兹信号，并且产生的太赫兹信号频率可调。由于理论上光电振荡器产生的太赫兹信号相噪性能与信号频率无关，因此使用光电振荡器在大带宽范围内产生太赫兹信号时，信号的质量不会严重恶化。此外，该发明使用中频信号对该太赫兹光电振荡器的发生频率进行控制，具有低成本、易实现等特点，对太赫兹技术的实用化进程有很好推动作用。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是从第一激光器(1)输出的信号的光谱图；
图3是从第二激光器(13)输出的信号的光谱图；
图4是从第三光耦合器(20)的第一光输出端(32)输出的信号的光谱图；
图5(a)是本发明实施例1提供的第一激光器(1)和第二激光器(13)线宽对1kHz频偏处相噪的影响仿真结果图；
图5(b)是本发明实施例1提供的高非线性光纤(5)长度对太赫兹光电振荡器相噪的影响仿真结果图；
图5(c)是本发明实施例1提供的第二激光器(13)功率对太赫兹光电振荡器相噪的影响仿真结果图；
图5(d)是本发明实施例1提供的第一激光器(1)功率对太赫兹光电振荡器相噪的影响仿真结果图；
图6是本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
以下结合本发明实施例中的附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种太赫兹光电振荡器，包括第一激光器1、半导体光放大器2、第一光环形器3、第二光环形器4、高非线性光纤5、第三光环形器6、第一可调光延时线7、偏振控制器8、偏振分束器9、第二可调光延时线10、偏振合束器11、第一光耦合器12、第二激光器13、第二光耦合器14、光电探测器15、电带通滤波器16、电混频器17、外部参考源18、电控制模块19、第三光耦合器20、单行载流子光电二极管39。
假设第一激光器1、第二激光器2的光频率分别为ω1、ω2，ω1＜ω2，它们输出光信号的光谱图分别如图2、图3所示。当太赫兹光电振荡器环路处于闭合状态时，由于半导体光放大器2存在交叉增益调制效应，可以在光域产生信号调制，并且环路内的增益大于1，此时满足环路周期相位为2π的整数倍频率起振，并产生一系列的共振模式，当没有滤波器进行选频时，所有模式呈现竞争状态。采用由偏振控制器8、偏振分束器9、第二可调光延时线10、偏振合束器11构成的Parity-TimeSymmetry结构后，当调节第二可调光延时线10使得偏振分束器9和偏振合束器11之间的双环结构长度相同，同时调节偏振控制器8使双环结构中的其中一路光信号被衰减NdB，另一路光信号获得增益NdB，并且衰减或增益量N大于双环结构中两个环路的耦合系数时，如上所述的太赫兹光电振荡器可以实现单模起振。
在第二激光器13输出光信号的作用下，假设在高非线性光纤5中产生受激布里渊散射信号的频移为νB。由于受激布里渊散射信号与第二激光器13输出光信号的传输方向相反，与第一激光器1输出光信号的传输方向相同，并且为光信号频率为ω2-νB附近的起振模式提供额外的增益，因此，只有在光信号频率为ω2-νB附近的起振模式最终才能起振。此时，第二激光器13输出光信号产生的受激布里渊散射信号对太赫兹光电振荡器的输出信号起到选频作用。由于受激布里渊散射只对半导体光放大器2的输出信号中位于受激布里渊散射增益带宽内的上边带进行选频和增益，因此，当太赫兹光电振荡器起振后，从光电振荡器输出的光信号为单边带调制信号，其结果如图4所示，两个光信号的频率分别为ω1和ω2-νB+δν0，其中δν0为偏移受激布里渊增益峰的频率量。当使用单行载流子光电二极管39对太赫兹光电振荡器输出的光信号进行光电转换后，即可得到频谱纯净的太赫兹信号。
受第一激光器1输出光信号的波长、环境温度、振动等因素变化的影响，光电振荡器输出信号的频率并不稳定。为了稳定控制太赫兹频段光电振荡器的输出信号频率，将第二光环形器4的第三端口26输出的光信号与第三光耦合器20的第二光输出端38输出的光信号耦合后送入光电探测器15进行光电转换，得到频率为νB-δν0-δν(t)的信号。从光电探测器15输出的信号与频率为νB-δν0外部参考源18混频后，得到频率为δν(t)的信号，该信号反应了太赫兹光电振荡器的频率漂移情况。当使用频率为δν(t)的信号作为控制信号调节光电振荡器中第一可调光延时线7时，太赫兹光电振荡器即可输出频率稳定的太赫兹信号。
图5(a)是本发明实施例1提供的第一激光器1和第二激光器13线宽对1kHz频偏处相噪影响的仿真结果图。由图5(a)可知，第一激光器1和第二激光器13的线宽越窄，1kHz频偏处相噪越低，基于光电振荡器产生的太赫兹信号质量越高。
图5(b)是本发明实施例1中高非线性光纤5长度对太赫兹光电振荡器相噪影响的仿真结果图。由图5(b)可知，高非线性光纤5的长度越长，基于光电振荡器产生的太赫兹信号近载端的相噪越低。
图5(c)是本发明实施例1中第二激光器13的功率对太赫兹光电振荡器相噪影响的仿真结果图。由图5(c)可知，第二激光器13的功率越高，受激布里渊散射引起的噪声越大，基于光电振荡器产生的太赫兹信号质量越低。
图5(d)是本发明实施例1中第一激光器1的功率对太赫兹光电振荡器相噪影响的仿真结果图。由图5(d)可知，第一激光器1的功率越大，光电振荡器的环路增益越大，产生的太赫兹信号质量越高。
实施例2
可选地，作为本发明的另一个实施例，如图6所示，包括第一激光器1、半导体光放大器2、第一光环形器3、第二光环形器4、高非线性光纤5、第三光环形器6、可调光延时线7、第四光环形器44、第四光耦合器45、第一偏振控制器8、偏振分束器9、第二偏振控制器46、第一光耦合器12、第二激光器13、第二光耦合器14、光电探测器15、电带通滤波器16、电混频器17、外部参考源18、电控制模块19、第三光耦合器20、单行载流子光电二极管39。
第一激光器1、半导体光放大器2、第一光环形器3、第二光环形器4、高非线性光纤5、第三光环形器6、可调光延时线7、第四光环形器44、第四光耦合器45、第一偏振控制器8、偏振分束器9、第二偏振控制器46、第一光耦合器12通过光纤顺次相连；第一光耦合器12、第三光耦合器20、单行载流子光电二极管39通过光纤顺次相连；第三光耦合器20、第二光耦合器14通过光纤相连；第二激光器13、第三光环形器6、高非线性光纤5、第二光环形器4、第二光耦合器14、光电探测器15通过光纤顺次相连；光电探测器15、电带通滤波器16、电混频器17、电控制模块19通过微波同轴线顺次相连；外部参考源18、电混频器17通过微波同轴线相连；电控制模块19、可调光延时线7通过杜邦线相连。
本实施例2与图1所示实施例1的工作原理相同，区别在于使用第四光环形器44、第四光耦合器45、第一偏振控制器8、偏振分束器9、第二偏振控制器46构成的Sagnac环替代图1中由偏振控制器8、偏振分束器9、第二可调光延时线10、偏振合束器11构成的双环结构，无需使用可调光延时线对双环结构的长度进行精确调整，提升了光电振荡器的稳定性。
本发明采用光电振荡器产生低相噪太赫兹信号，降低了低相噪太赫兹信号的发生难度，并且使用中频信号稳定控制光电振荡器的输出信号频率，简化了太赫兹光电振荡器的结构和实现难度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种太赫兹光电振荡器，其特征在于：包括第一激光器（1）、半导体光放大器（2）、第一光环形器（3）、第二光环形器（4）、高非线性光纤（5）、第三光环形器（6）、第一可调光延时线（7）、偏振控制器（8）、偏振分束器（9）、第二可调光延时线（10）、偏振合束器（11）、第一光耦合器（12）、第二激光器（13）、第二光耦合器（14）、光电探测器（15）、电带通滤波器（16）、电混频器（17）、外部参考源（18）、电控制模块（19）、第三光耦合器（20）、单行载流子光电二极管（39）；
第一激光器（1）、半导体光放大器（2）、第一光环形器（3）、第二光环形器（4）、高非线性光纤（5）、第三光环形器（6）、第一可调光延时线（7）、偏振控制器（8）、偏振分束器（9）、第二可调光延时线（10）、偏振合束器（11）、第一光耦合器（12）通过光纤顺次相连；第一光耦合器（12）、第三光耦合器（20）、单行载流子光电二极管（39）通过光纤顺次相连；第三光耦合器（20）、第二光耦合器（14）通过光纤相连；第二激光器（13）、第三光环形器（6）、高非线性光纤（5）、第二光环形器（4）、第二光耦合器（14）、光电探测器（15）通过光纤顺次相连；光电探测器（15）、电带通滤波器（16）、电混频器（17）、电控制模块（19）通过微波同轴线顺次相连；外部参考源（18）、电混频器（17）通过微波同轴线相连；电控制模块（19）、第一可调光延时线（7）通过杜邦线相连。
2.如权利要求1所述的一种太赫兹光电振荡器，其特征在于：采用光电振荡器产生太赫兹信号。
3.如权利要求1所述的一种太赫兹光电振荡器，其特征在于：采用中频信号对该太赫兹光电振荡器的发生频率进行控制。
4.如权利要求1所述的一种太赫兹光电振荡器，其特征在于：通过调节第一激光器（1）的频率实现太赫兹信号的频率调谐。
5.一种权利要求1所述的太赫兹光电振荡方法，其特征在于：由第一激光器（1）发出的可调单频光信号作为光载波，注入到半导体光放大器（2）的光输入端，经半导体光放大器（2）放大后，光信号注入到第一光环形器（3）的第二端口（22），并从其第三端口（23）输出；从第一光环形器（3）的第三端口（23）输出的光信号到达第二光环形器（4）的第一端口（24），并从其第二端口（25）输出；经高非线性光纤（5）传输后，光信号到达第三光环形器（6）的第二端口（28），并从第三光环形器（6）的第三端口（29）输出；经第一可调光延时线（7）延时以及偏振控制器（8）对光信号的偏振状态进行调节后，从偏振控制器（8）输出的光信号被偏振分束器（9）分为两路，从偏振分束器（9）的第一光输出端（40）输出的光信号到达偏振合束器（11）的第一光输入端（42）；经第二可调光延时线（10）延时后，从偏振分束器（9）的第二光输出端（41）输出的光信号到达偏振合束器（11）的第二光输入端（43）；两路光信号在偏振合束器（11）中耦合后到达第一光耦合器（12）的光输入端，并被第一光耦合器（12）分为两路；从第一光耦合器（12）的第一光输出端（30）输出的光信号到达第一光环形器（3）的第一端口（21），从第一光耦合器（12）的第二光输出端（31）输出的光信号被第三光耦合器（20）分为两路；从第三光耦合器（20）的第一光输出端（32）输出的光信号注入到单行载流子光电二极管（39）中，经过光电转换产生太赫兹信号；从第三光耦合器（20）的第二光输出端（38）输出的光信号继续传输到第二光耦合器（14）的第一光输入端（33）；
由第二激光器（13）发出的单频光信号作为泵浦光信号，注入到第三光环形器（6）的第一端口（27），并从其第二端口（28）输出；从第三光环形器（6）的第二端口（28）输出的光信号注入到高非线性光纤（5）中，并激发受激布里渊散射；激发的受激布里渊散射光信号到达第三光环形器（6）的第二端口（28）后与第一激光器（1）发出的可调单频光信号作为光载波的光信号一起继续传输；剩余第二激光器（13）发出的单频光信号到达第二光环形器（4）的第二端口（25），并从其第三端口（26）输出，接着传输到第二光耦合器（14）的第二光输入端（34）；经第二光耦合器（14）耦合后的光信号注入到光电探测器（15）中，经过光电转换后产生射频信号；从光电探测器（15）输出的信号再经过电带通滤波器（16）滤波后传输到电混频器（17）的第一输入端口（36）；外部参考源（18）输出的射频信号注入到电混频器（17）的第二输入端口（37）；从电混频器（17）输出的信号作为探测信号，其中包含了光电振荡器环路中的相位抖动信息，经电控制模块（19）采集后用来控制第一可调光延时线（7）。
6.一种太赫兹光电振荡器，其特征在于：包括第一激光器（1）、半导体光放大器（2）、第一光环形器（3）、第二光环形器（4）、高非线性光纤（5）、第三光环形器（6）、可调光延时线（7）、第四光环形器（44）、第四光耦合器（45）、第一偏振控制器（8）、偏振分束器（9）、第二偏振控制器（46）、第一光耦合器（12）、第二激光器（13）、第二光耦合器（14）、光电探测器（15）、电带通滤波器（16）、电混频器（17）、外部参考源（18）、电控制模块（19）、第三光耦合器（20）、单行载流子光电二极管（39）；
第一激光器（1）、半导体光放大器（2）、第一光环形器（3）、第二光环形器（4）、高非线性光纤（5）、第三光环形器（6）、可调光延时线（7）、第四光环形器（44）、第四光耦合器（45）、第一偏振控制器（8）、偏振分束器（9）、第二偏振控制器（46）、第一光耦合器（12）通过光纤顺次相连；第一光耦合器（12）、第三光耦合器（20）、单行载流子光电二极管（39）通过光纤顺次相连；第三光耦合器（20）、第二光耦合器（14）通过光纤相连；第二激光器（13）、第三光环形器（6）、高非线性光纤（5）、第二光环形器（4）、第二光耦合器（14）、光电探测器（15）通过光纤顺次相连；光电探测器（15）、电带通滤波器（16）、电混频器（17）、电控制模块（19）通过微波同轴线顺次相连；外部参考源（18）、电混频器（17）通过微波同轴线相连；电控制模块（19）、可调光延时线（7）通过杜邦线相连。
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