CN114284839A - 一种基于注入锁定技术的主动锁模光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于注入锁定技术的主动锁模光电振荡器，其中第一强度调制器、第二强度调制器、光电探测器、电放大器、滤波器模块、第一电耦合器、第二电耦合器依次连接，第二电耦合器与第一强度调制器连接，激光器与第一强度调制器连接，第一微波源与第二强度调制器连接，以形成光电振荡环路，第一微波源输出相应频率调制信号至第二强度调制器，对光电振荡环路中的增益进行调制，以实现光电振荡环路的主动锁模；光电振荡器还包括第二微波源，第二微波源与第二电耦合器连接。本发明通过第二微波源输出相应频率微波信号，以使微波脉冲中心频率与微波信号频率相同，可以提高主动锁模光电振荡器的稳定性，降低微波脉冲信号的时间抖动和幅度抖动。

Description

一种基于注入锁定技术的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，具体涉及一种基于注入锁定技术的主动锁模光电振荡器。

背景技术

微波脉冲序列广泛应用于无线通信系统、测量、现代雷达系统等众多领域，在这些应用中，低的时间抖动和幅度抖动是衡量可靠微波脉冲序列的关键参数，它对系统整体性能存在巨大影响。例如，在通信系统中，采样时钟时间抖动须尽可能的低，以确保数据完整恢复。在多普勒脉冲雷达中，需要低时间抖动和幅度抖动的微波脉冲实现高精度的速度和距离测量。

在传统电学领域中，微波脉冲主要由脉冲振荡电路或脉冲整形电路产生，但这种方式产生的微波脉冲的性能受限于电子器件的速率和工作频带。近年来，随着微波光子技术的发展，作为微波光子技术领域可靠微波源的光电振荡器受到广泛研究，它利用长光纤作为储能元件，可以实现高Q值的光电混合环形谐振腔，产生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。在传统光电振荡器中，由于模式竞争效应无法实现多模振荡，近几年，被动锁模和主动锁模技术被引入光电振荡器来产生微波脉冲信号。

例如公开号为CN 111342332A的中国发明专利，提出了一种主动锁模光电振荡器，实现了周期性微波脉冲序列的产生，其原理是利用主动锁模技术使光电振荡器腔内多个模式建立固定的相位关系，从而激发多模振荡，产生低相噪的微波脉冲序列，并实现了基频锁模和谐波锁模。一方面，主动锁模光电振荡器和普通光电振荡器类似，其中心频率会受到环境温度、振动等外界干扰的影响而产生漂移，引起脉冲序列的时间抖动；另一方面，为了提升脉冲重复率，当主动锁模光电振荡器工作于谐波锁模状态时，会引入大量的超模噪声，导致微波脉冲出现幅度抖动，且随着锁模阶数的上升，幅度抖动会更加剧烈。

综上所述，目前基于主动锁模光电振荡器产生微波脉冲的方案主要存在时间抖动和幅度抖动较大、稳定性差的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于注入锁定技术的主动锁模光电振荡器，基于注入锁定原理，使得微波脉冲的中心频率锁定为注入信号的频率，可以提高主动锁模光电振荡器的频率稳定性，抑制谐波锁模时的超模噪声，降低输出微波脉冲的时间抖动和幅度抖动。

本发明采用以下技术方案：

一种基于注入锁定技术的主动锁模光电振荡器，包括激光器、第一强度调制器、第二强度调制器、光电探测器、电放大器、滤波器模块、电耦合器模块、第一微波源；

第一强度调制器、第二强度调制器、光电探测器、电放大器、滤波器模块、电耦合器模块依次连接，电耦合器模块与第一强度调制器连接，激光器与第一强度调制器连接，第一微波源与第二强度调制器连接，以形成光电振荡环路，第一微波源输出相应频率调制信号至第二强度调制器，对光电振荡环路中的增益进行调制，以实现光电振荡环路的主动锁模；

电耦合器模块包括第一电耦合器、第二电耦合器，滤波器模块、第一电耦合器、第二电耦合器、第一强度调制器依次连接；

光电振荡器还包括第二微波源，第二微波源与第二电耦合器连接，第二微波源用于输出相应频率微波信号，并通过第二电耦合器注入光电振荡环路中，以对主动锁模光电振荡器产生的微波脉冲中心频率进行牵引，以使微波脉冲中心频率与微波信号频率相同。

作为优选方案，滤波器模块为电带通滤波器。

作为优选方案，调制信号频率f_m等于光电振荡环路基频f_r的整数倍：

f_m＝Nf_r，

其中，N为正整数。

作为优选方案，第二微波源输出的微波信号频率f_i与自由振荡状态下第一电耦合器输出的微波脉冲中心频率f₀的绝对差值小于锁定带宽。

本发明的有益效果是：

利用注入锁定原理可以提高主动锁模光电振荡器的频率稳定性，抑制谐波锁模时的超模噪声，降低输出微波脉冲的时间抖动和幅度抖动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。

图1是本发明所述一种基于注入锁定技术的主动锁模光电振荡器的结构示意图；

图2是基于一种注入锁定技术的主动锁模光电振荡器时域分析示意图；

图3是未注入信号时主动锁模光电振荡器的基频锁模频域分析示意图；

图4是未注入信号时主动锁模光电振荡器的谐波锁模频域分析示意图；

图5是注入信号时主动锁模光电振荡器的谐波锁模频域分析示意图；

图6是注入锁定状态下主动锁模光电振荡器的谐波锁模频域分析示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参照图1，本实施例提供一种基于注入锁定技术的主动锁模光电振荡器，包括激光器、第一强度调制器、第二强度调制器、光电探测器、电放大器、滤波器模块、电耦合器模块、第一微波源；

第一强度调制器、第二强度调制器、光电探测器、电放大器、滤波器模块、电耦合器模块依次连接，电耦合器模块与第一强度调制器连接，激光器与第一强度调制器连接，第一微波源与第二强度调制器连接，以形成光电振荡环路，第一微波源输出相应频率调制信号至第二强度调制器，对光电振荡环路中的增益进行调制，以实现光电振荡环路的主动锁模；

电耦合器模块包括第一电耦合器、第二电耦合器，滤波器模块、第一电耦合器、第二电耦合器、第一强度调制器依次连接；

光电振荡器还包括第二微波源，第二微波源与第二电耦合器连接，第二微波源用于输出相应频率微波信号，并通过第二电耦合器注入光电振荡环路中，以对第一电耦合器输出的微波脉冲中心频率进行牵引，以使微波脉冲中心频率与微波信号频率相同。

具体地：

所述激光器输出的光信号由第一强度调制器调制后得到调制光信号，第一微波源提供稳定的调制信号通过第二强度调制器对调制光信号进行周期性增益调制，第二强度调制器输出的光信号经过光纤进入光电探测器，光电探测器通过拍频将光信号转换成电信号，电信号经过电放大器放大后进入电带通滤波器，电带通滤波器提供一定的频带宽度，满足多模振荡的条件，电信号经过滤波后进入第一电耦合器，一路经由第二电耦合器反馈到第一强度调制器的射频端口，形成光电振荡环路；设置第一微波源输出调制信号的频率等于光电振荡环路基频的整数倍，实现基频主动锁模或谐波主动锁模，第一电耦合器的另一端输出微波脉冲；所述第二微波源产生一个与自由振荡状态下微波脉冲中心频率相等或相近的微波信号，在反馈支路上通过第二电耦合器注入到光电振荡环路中，经频率牵引效应，最终输出微波脉冲信号的中心频率与注入微波信号的频率相同。

可见，本发明利用注入锁定原理可以提高主动锁模光电振荡器的频率稳定性，抑制谐波锁模时的超模噪声，降低输出微波脉冲的时间抖动和幅度抖动。

更具体地：

下面分别在时域和频域角度解释主动锁模的建立过程。

时域角度：第一微波源产生的调制信号通过第二强度调制器会在腔内形成与调制频率f_m相同的正弦型增益调制。如图2所示，当调制频率f_m等于环路基频f_r时(基频锁模)，调制增益的最大值附近产生净增益，经过多次循环后将产生重复频率等于环路基频的微波脉冲序列，此时光电振荡器腔内存在单个脉冲运转。为了提升脉冲重复率，可以采用谐波锁模方式，即调制频率f_m等于谐振环路基频f_r的整数倍，此时腔内有多个脉冲同时运转，并且这些脉冲的间隔完全相同。

频域角度：在未加调制信号时，假设光电振荡器中存在一个在模式竞争中获得胜利的优势模

加入调制信号

后，第二强度调制器输出光功率可以表示为：

其中第一强度调制器和第二强度调制器均偏置在正交点，P_in为输入光功率。经光电探测器探测和带通滤波器滤波后输出的光电流可简化为：

其中优势模的频率远大于调制信号频率ω₀＞＞ω_m，

是光电探测器的响应度，β₁＝πV₀/V_π是振荡信号的调制系数，β₂＝πV_m/V_π是调制信号的调制系数。其中J₁()为第一类一阶贝塞尔函数，此处不考虑其高阶分量。从上式可以看出，在经过第一强度调制器和第二强度调制器级联调制和光电探测之后，优势模v₀产生了一对频率为ω₀+ω_m和ω₀-ω_m的边带，并且与优势模具有固定的相位差

当调制信号的频率等于基频时，这对边带刚好对应于与优势模相邻的两个边模。经过第二次循环后，这两个边带又会产生两个频率分别为ω₀+2ω_m和ω₀-2ω_m的边带，周而复始，直到增益带宽范围内的所有模式都被锁定。锁模过程可以看作在模式竞争中获胜的优势模通过主动锁模将其能量转移到其它纵模上的过程，如图3所示。这些具有固定相位关系的模式将在时域相干叠加，形成重复频率与基频一致的微波脉冲序列，在频域上为频率间隔等于基频的微波频率梳。谐波锁模时，调制信号的频率为基频的整数倍，经过第一次循环后，产生的边带ω₀+ω_m和ω₀-ω_m刚好对应于与优势模相距N个模式的两个边模ω₀+Nω_r和ω₀-Nω_r。如图4所示，高度较高的三根线为主动调制生成的边带，它们之间存在固定的相位关系，在时域相干叠加形成重复频率为f_m的微波脉冲，在频域为频率间隔等于调制频率的微波频率梳，其它高度较低的线表示振荡早期阶段较弱的纵模，称为超模噪声。对于N阶锁模，主动锁模光电振荡器内存在N组超模噪声，同一组超模经过主动锁模也存在固定的相位关系，但与另一组超模之间没有固定相位关系，多组超模同时振荡并且相互竞争，超模之间的竞争会引起微波脉冲的幅度发生变化。

主动锁模光电振荡器和普通光电振荡器类似，其中心频率ω₀会受到环境温度、振动等外界干扰的影响而产生漂移，引起脉冲序列的时间抖动；另一方面，当主动锁模光电振荡器工作于谐波锁模状态时，会引入大量的超模噪声，导致微波脉冲出现幅度抖动，且随着锁模阶数的上升，幅度抖动会更加剧烈。本发明在主动锁模光电振荡器的反馈支路注入一个频率与自由振荡状态下微波脉冲序列中心频率相等或相近的微波信号，在锁定带宽内将发生频率牵引效应，如图5所示。假设自由振荡状态下主动锁模光电振荡器输出的信号表示为：

其中，V₀、f₀、

分别为微波频率梳中心模式的幅度、频率和相位；B表示电带通滤波器的带宽；N为正整数；V_N和

表示各频率分量的幅度和相位；f_m表示调制信号的频率；当有外部信号

注入到主动锁模光电振荡器中时，在锁定带宽内，会发生频率牵引现象，使得微波频率梳的中心频率与注入信号同频。注入信号与微波频率梳中心模式的瞬时相位变化可表示为：

式中，△ω为注入信号与微波频率梳中心模式的瞬时角频率之差，

为注入信号与微波频率梳中心模式的瞬时相位差，Q为光电振荡器的品质因数，当

等于零时，可实现注入锁定，从而可以得到锁定带宽：

如图6所示，在锁定带宽内，即发生注入锁定现象，可有效提升微波脉冲信号的频率稳定性，降低谐波锁模状态时的超模噪声，降低微波脉冲的时间抖动和幅度抖动。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于注入锁定技术的主动锁模光电振荡器，其特征在于，包括激光器、第一强度调制器、第二强度调制器、光电探测器、电放大器、滤波器模块、电耦合器模块、第一微波源；

第一强度调制器、第二强度调制器、光电探测器、电放大器、滤波器模块、电耦合器模块依次连接，电耦合器模块与第一强度调制器连接，激光器与第一强度调制器连接，第一微波源与第二强度调制器连接，以形成光电振荡环路，第一微波源输出相应频率调制信号至第二强度调制器，对光电振荡环路中的增益进行调制，以实现光电振荡环路的主动锁模；

电耦合器模块包括第一电耦合器、第二电耦合器，滤波器模块、第一电耦合器、第二电耦合器、第一强度调制器依次连接；

光电振荡器还包括第二微波源，第二微波源与第二电耦合器连接，第二微波源用于输出相应频率微波信号，并通过第二电耦合器注入光电振荡环路中，以对主动锁模光电振荡器产生的微波脉冲中心频率进行牵引，以使微波脉冲中心频率与微波信号频率相同。

2.根据权利要求1所述的一种基于注入锁定技术的主动锁模光电振荡器，其特征在于，滤波器模块为电带通滤波器。

3.根据权利要求1所述的一种基于注入锁定技术的主动锁模光电振荡器，其特征在于，调制信号频率f_m等于光电振荡环路基频f_r的整数倍：

f_m＝Nf_r，

其中，N为正整数。

4.根据权利要求1所述的一种基于注入锁定技术的主动锁模光电振荡器，其特征在于，第二微波源输出的微波信号频率f_i与自由振荡状态下第一电耦合器输出的微波脉冲中心频率f₀的绝对差值小于锁定带宽。

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