CN113794087A - 一种基于pt对称结合高q谐振器实现可调谐的光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PT对称结合高Q谐振器实现可调谐的光电振荡器，属于微波光子学领域。本发明包含连续光激光光源、偏振控制器、相位调制器、高Q谐振器、马赫‑曾德尔干涉仪、光电探测器、电放大器和电功分器；激光器输出的光载波进入相位调制器，同时通过相位调制器将微波信号调制到光载波上，输入到高Q谐振器，获得可调谐微波光子滤波器并对微波信号进行延时和初步选模，在此基础上结合PT对称破缺进一步增强选模，最后通过光电探测器把光信号上承载的微波信号探测出来，通过光电振荡器环路引入正反馈最终输出微波信号。本发明利用高Q谐振器进行延时和初步选模，并进一步结合PT对称破缺增强选模，实现输出频率可调谐的光电振荡器。

Description

一种基于PT对称结合高Q谐振器实现可调谐的光电振荡器

技术领域

本发明属于微波光子学领域，更具体地，涉及一种基于PT对称结合高Q谐振器实现可调谐的光电振荡器。

背景技术

光电振荡器(以下简称OEO)通常以低损耗的光纤为储能元件，是一个正反馈的光电混合腔。因其具有超高的频谱纯净度，宽带高频的工作潜力和相对简单的结构和工作条件，已经成为十分具有竞争力的高端微波/毫米波信号发生装置。OEO的基本结构在1994年由X.Steve Yao和Lute Maleki首次提出，主要结构包括：激光器，电光调制器、长光纤、光电探测器、微波放大器以及窄带宽的电带通滤波器(Electrical bandpass filter，EBF)。激光器产生光载波，微波信号通过电光调制器加载到光域，然后在长光纤中进行延时储能。延时后的信号通过光电探测器恢复出微波信号，利用微波放大器补偿环路中的损耗，然后经过一个带通滤波器选择需要的模式进行振荡。滤波后的微波信号由功分器分为两路，一路通过电谱仪进行监测，另一路反馈给电光调制器形成闭合环路。

在OEO中为了减少输出微波信号的相位噪声，就需要一个超大的微波延时，传统OEO主要采用长光纤进行延时，虽然长光纤的引入可以实现较大的延时，得到较高的Q值，但光纤长度的增加引起OEO体积的大幅增加，无疑增加了控制系统的难度，影响其便携性。集成光电子技术的快速发展为减小OEO系统的体积、重量和功耗奠定了基础，并为实现片上集成的光电振荡器提供了可能。片上集成的高Q微腔可用于实现延时。谐振器谐振腔由于具有更低的传输损耗可实现更大的Q值，进而可获得更大的信号延时，但其存在的多模谐振干扰OEO信号的起振，进而影响输出信号质量。因此，如何增大OEO延时并增强OEO的选模能力，进而产生高质量的微波信号，是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于PT对称结合高Q谐振器实现可调谐的光电振荡器，其目的在于利用高Q微腔谐振器获得更大的延时和更窄的带宽，再利用PT对称破缺选模，进一步抑制杂散模式，增强OEO选模能力，最终得到稳定单模起振的微波信号，可通过片上集成进一步实现OEO的小型化和集成化。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于PT对称结合高Q谐振器实现可调谐的光电振荡器，所述光电振荡器包含依次相连的连续光激光光源、偏振控制器、相位调制器、高Q谐振器、马赫-曾德尔干涉仪、光电探测器、电放大器和电功分器；

所述电功分器的第一输出端输出产生的微波信号，所述电功分器的第二输出端与所述相位调制器的微波输入端相连。

进一步地，所述相位调制器的载波输入端和连续光激光光源的输出端相连，用于接收由连续光激光光源输出的光载波，相位调制器的输出端同高Q谐振器的输入端连接；相位调制器的微波输入端接收由电功分器输入的微波信号；

光电振荡器工作时，微波信号经过相位调制器调制后输出±1阶边带，其相位差相差为π；利用相位调制器实现相位调制，调制后，微波光子信号输入高Q谐振器实现对信号的滤波及延时功能，经光电探测器完成光电转换。

进一步地，光电振荡器工作时，经过相位调制器调制后的信号进入高Q谐振器与PT对称结构级联单元，其中高Q谐振器利用高Q特性使微波信号获得更大的延时和更窄的滤波带宽，保证光电振荡器起振；通过在高Q谐振器上设置光学移相单元，实现光电振荡器输出频率调谐；PT对称破缺选模的引入，增大增益差，保证光电振荡器稳定的单模起振。

进一步地，所述高Q谐振器与PT对称结构级联单元构成微波光子带陷滤波器，包括：

第一移相器、1×2多模干涉仪、2×2多模干涉仪、高Q谐振器、马赫-曾德尔干涉仪和第二移相器；

所述第一移相器改变高Q谐振器的谐振波长，高Q谐振器直通端与1×2多模干涉仪相连，并作为马赫-曾德尔干涉仪输入端，马赫-曾德尔干涉仪输出端与2×2多模干涉仪相连，同时第二移相器作用到马赫-曾德尔干涉仪上。

进一步地，调节第一移相器实现对高Q谐振器谐振波长的调谐，调节第二移相器实现幅度、增益系数和损耗系数的调控。

进一步地，通过调节第一移相器，使得高Q谐振器的谐振波长与光载波之间的频率差产生变化，进而实现微波光子带陷滤波器的中心频率可调。

进一步地，通过优化高Q谐振器的结构尺寸减小散射损耗和辐射损耗，并通过优化波导与谐振器耦合区的耦合间距，进一步提升有载Q。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的滤波器采用高Q谐振器与PT对称结构级联单元，相比于传统的滤波器而言，具有更高的Q值，从而可以使微波信号获得更大的延时和更窄的带宽，增大起振模式和次极大模式之间的增益差，提高边模抑制比，降低相位噪声；

(2)本发明提供的带陷滤波器，通过调节高Q谐振器上的第一移相器改变谐振器的谐振波长，使凹陷谐振峰与载波之间的频率差产生变化，进而实现微波光子滤波器的中心频率可调；

(3)本发明采用PT对称破缺选模，可以进一步增大链路增益差。通过调节第二移相器移相大小，调控增益系数和损耗系数从而实现PT对称破缺，进而实现中心频率大范围可调谐的单通带微波光子滤波器。

附图说明

图1为本发明提供的可调谐的光电振荡器结构示意图；

图2为本发明提供的高Q谐振器结构示意图；

图3为本发明提供的PT对称结合高Q谐振器示意图；

图4为本发明提供的PT对称破缺选模结构原理图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：连续光激光光源1、偏振控制器2、相位调制器3、高Q谐振器4、马赫曾德尔干涉仪5、光电探测器6、电放大器7和电功分器8、射频链路9、第一移相器10、1×2MMI-11、第二移相器12、2×2MMI-13、PT对称结构级联单元14。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种基于高Q谐振器结合PT对称实现可调谐的光电振荡器，

连续光激光光源1发射连续光作为光载波输入到相位调制器3被射频天线输出的微波信号调制，产生相位相反的一阶上边带和下边带，高Q谐振器4作为光学带陷滤波器和延时器，其光域上对信号进行幅度上的改变，当相位调制信号的其中一个边带与谐振器的凹陷谐振峰对准而被滤掉时，改变相位调制信号边带之间的幅度关系从而实现相位调制到强度调制(PM-IM)的转换，经PD转换，从而实现单通带的微波光子滤波器。

为了避免高Q谐振器可能激发出的高阶模式，我们采用级联PT对称结构避免多模起振。PT对称破缺被证明是一种良好的模式选择工具。通过构建片上或片外的PT对称结构，搭建两个物理尺寸一样的互相耦合腔，并在其中一个腔引入增益，另一个引入损耗。通过第二移相器改变MZI其中一臂的相位，实现增益系数和损耗系数的调控。当调节环路增益，使其具有最大增益的模式刚好满足其增益大于耦合系数，则这个模式就打破了PT对称性，出现一对共轭模式，其中一个模式具有增益特性，另外一个具有损耗特性。具有增益的模式就会实现稳定起振，而其他的模式仍然保持PT对称而被抑制。从而进一步增大起振模式与次极大模式之间的增益差，使微波信号最终得到稳定的单模起振。最终得到宽带可调谐的高质量微波信号。

如图1所示基于宇称-时间(Parity-Time,PT)对称高Q谐振器可调谐的光电振荡器的结构示意图，包括：1连续光激光光源，2偏振控制器，3相位调制器，4高Q谐振器、5马赫-曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder interferometer,MZI)、6光电探测器(Photodetector,PD)、7电放大器、8电功分器、9射频链路。连续光激光光源输出作为光载波，射频信号发射天线输出作为调制信号，利用相位调制器双边带调制。调制后，微波光子信号输入高Q谐振器与PT对称结构级联单元，通过调节级联单元中高Q谐振器和MZI一臂电极的偏压大小，对器件的工作状态进行调整，实现对信号的处理且输出至光电探测器完成光电转换，最后由射频信号接受天线接收微波信号。

如图2所示高Q谐振器4结构示意图，依次包括第一可调移相器10、高Q谐振器4，本发明通过对高Q谐振器4的尺寸和耦合区的优化设计。可以采用优化高Q谐振器的结构尺寸来尽可能的减小散射损耗、辐射损耗，并通过不断优化波导与谐振器耦合区的耦合间距，进一步提升有载Q。

如图3所示PT对称结合高Q谐振器，依次包括高Q谐振器4、MZI-5、第一移相器10、1×2多模干涉仪(Multi-Mode Interferometer,MMI)-11、第二移相器12、2×2多模干涉仪(Multi-Mode Interferometer,MMI)-13。

其中，连续光激光光源1发射连续光作为光载波输入到相位调制器3被射频天线输出的微波信号调制，产生相位相反的一阶上边带和下边带，高Q谐振器4作为光学带陷滤波器和延时器，其光域上对信号进行幅度上的改变，当相位调制信号的其中一个边带与谐振器的凹陷谐振峰对准而被滤掉时，改变相位调制信号边带之间的幅度关系从而实现相位调制到强度调制(PM-IM)的转换，经PD转换，从而实现单通带的微波光子滤波器。

为了避免高Q谐振器可能激发出的高阶模式，我们采用级联PT对称结构避免多模起振。PT对称破缺被证明是一种良好的模式选择工具。通过构建片上或片外的PT对称结构，搭建两个物理尺寸一样的互相耦合腔，并在其中一个腔引入增益，另一个引入损耗。通过第二移相器改变MZI其中一臂的相位，实现增益系数和损耗系数的调控。当调节环路增益，使其具有最大增益的模式刚好满足其增益大于耦合系数，则这个模式就打破了PT对称性，出现一对共轭模式，其中一个模式具有增益特性，另外一个具有损耗特性。具有增益的模式就会实现稳定起振，而其他的模式仍然保持PT对称而被抑制。从而进一步增大起振模式与次极大模式之间的增益差，使微波信号最终得到稳定的单模起振。最终得到宽带可调谐的高质量微波信号。

激光器发射的连续光输入相位调制器被射频天线输出的微波信号调制，产生相位相反的一阶上边带和下边带,实现微波信号到光信号的转换。调制后的光信号输入到级联滤波器件中，经过高Q谐振器获得大延时窄带宽的谐振信号，通过调节高Q谐振器上的移相器使凹陷谐振峰对准且与载波之间的频率差产生变化，进而实现中心频率可调。调节第二移相器实现输出幅度调控，实现增益系数和损耗系数的调控。

虽然基于谐振器的微波光子滤波器(Microwave photonic filter,MPF)具有带宽较小的优势，但是谐振器可能激发高阶模式，为了避免多模起振，在这里，我们把PT对称破缺引入到光电混合腔，构建两个物理尺寸一样的互相耦合腔如图4所示，并在其中一个腔引入增益，另一个引入损耗。利用移相器，通过改变MZI其中一臂的移相大小，实现增益系数和损耗系数的调控。当环路增益系数小于耦合系数，系统处于PT对称状态，模式呈现劈裂状态，所有的模式由于都处于中性状态而不会起振。当调节环路增益，使其具有最大增益的模式刚好满足其增益大于耦合系数，则这个模式就打破了PT对称性，出现一对共轭模式，其中一个模式具有增益特性，另外一个具有损耗特性。具有增益的模式就会实现稳定起振，而其他的模式仍然保持PT对称而被抑制。从而进一步增大起振模式与次极大模式之间的增益差，使微波信号最终得到稳定的单模起振，达到了抑制其他杂散模式的效果。

以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于PT对称结合高Q谐振器实现可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述光电振荡器包含依次相连的连续光激光光源(1)、偏振控制器(2)、相位调制器(3)、高Q谐振器(4)、马赫-曾德尔干涉仪(5)、光电探测器(6)、电放大器(7)和电功分器(8)；

所述电功分器(8)的第一输出端输出产生的微波信号，所述电功分器(8)的第二输出端与所述相位调制器(3)的微波输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于PT对称结合高Q谐振器实现可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述相位调制器(3)的载波输入端和连续光激光光源(1)的输出端相连，用于接收由连续光激光光源(1)输出的光载波，相位调制器(3)的输出端同高Q谐振器(4)的输入端连接；相位调制器(3)的微波输入端接收由电功分器(8)输入的微波信号；

光电振荡器工作时，微波信号经过相位调制器(3)调制后输出±1阶边带，其相位差相差为π；利用相位调制器(3)实现相位调制，调制后，微波光子信号输入高Q谐振器(4)实现对信号的滤波及延时功能，经光电探测器(6)完成光电转换。

3.根据权利要求1所述的一种基于PT对称结合高Q谐振器实现可调谐的光电振荡器，其特征在于，光电振荡器工作时，经过相位调制器(3)调制后的信号进入高Q谐振器(4)与PT对称结构级联单元，其中高Q谐振器(4)利用高Q特性使微波信号获得更大的延时和更窄的滤波带宽，保证光电振荡器起振；通过在高Q谐振器(4)上设置光学移相单元，实现光电振荡器输出频率调谐；PT对称破缺选模的引入，增大增益差，保证光电振荡器稳定的单模起振。

4.根据权利要求3所述的一种基于PT对称结合高Q谐振器实现可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述高Q谐振器(4)与PT对称结构级联单元构成微波光子带陷滤波器，包括：

第一移相器(10)、1×2多模干涉仪(11)、2×2多模干涉仪(13)、高Q谐振器(4)、马赫-曾德尔干涉仪(5)和第二移相器(12)；

所述第一移相器(10)改变高Q谐振器(4)的谐振波长，高Q谐振器(4)直通端与1×2多模干涉仪(11)相连，并作为马赫-曾德尔干涉仪(5)输入端，马赫-曾德尔干涉仪(5)输出端与2×2多模干涉仪(13)相连，同时第二移相器(12)作用到马赫-曾德尔干涉仪(5)上。

5.根据权利要求4所述的一种基于PT对称结合高Q谐振器实现可调谐的光电振荡器，其特征在于，调节第一移相器(10)实现对高Q谐振器(4)谐振波长的调谐，调节第二移相器(12)实现幅度、增益系数和损耗系数的调控。

6.如权利要求4所述的一种基于PT对称结合高Q谐振器实现可调谐的光电振荡器，其特征在于，通过调节第一移相器(10)，使得高Q谐振器(4)的谐振波长与光载波之间的频率差产生变化，进而实现微波光子带陷滤波器的中心频率可调。

7.如权利要求1所述的一种基于PT对称结合高Q谐振器实现可调谐的光电振荡器，其特征在于，通过优化高Q谐振器(4)的结构尺寸减小散射损耗和辐射损耗，并通过优化波导与谐振器耦合区的耦合间距，进一步提升有载Q。

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