CN114498259A - 一种自再生锁模光电振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自再生锁模光电振荡器，包括：激光器、光电调制器、长光纤、色散补偿光纤、光电探测器、第一滤波器、第一电耦合器、第一电放大器、电调制器、第二电耦合器、微波检波器、第二滤波器、第二放大器模块；其中，激光器、光电调制器、长光纤、色散补偿光纤、光电探测器、滤波器、第一电耦合器、第一电放大器、电调制器和第二电耦合器组合形成光电振荡环路；第一电耦合器、微波检波器、第二滤波器、第二放大器模块和电调制器组合形成自再生调制信号环路。本发明解决了已有主动锁模光电振荡器需要外部高稳定调制信号源、信号源频率与振荡模式无法严格同步等的技术难题，并且具有对环境引起的腔频扰动免疫。
Description
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，尤其涉及一种自再生锁模光电振荡器。
背景技术
微波光子学是微波技术与光子技术结合的交叉学科，将光子技术具有的低损耗、大带宽的巨大优势突破性地解决了微波系统技术中的一些难题及瓶颈，主要包括微波信号的产生、处理和转换。光电振荡器作为微波光子技术领域提供的一种新方式微波信号源技术，其振荡频率可达到几百GHz，Q值高达1011，它产生的高频微波信号的性能与频率值无关，其输出信号具有高频谱纯度、高稳定性和低相位噪声的特点。与传统的微波高频信号通过晶振和频率上变换技术相比，解决了频率变化过程中N次倍频20LogN的相位噪声恶化难题。因此，光电振荡器在高性能雷达、高速通信、空间测距、卫星导航、深空探测等领域具有广阔的应用前景。
光电振荡器自从1996年提出以来，一直都在快速的发展中，经历了单环路光电振荡器、双环路光电振荡器、耦合光电振荡器、注入锁定光电振荡器、锁相光电振荡器、宽度可调光电振荡器、基于微腔的光电振荡器、傅里叶域锁模光电振荡器、宇称时间对称光电振荡器以及基于光电振荡器的集成技术。这些新的技术或者方法的运用都试图克服光电振荡器中的多模影响，从而获得频谱纯度更高、边摸抑制比更高、相噪指标更好和更加稳定的微波源，然而对于光电振荡器中的多模技术操控和相位锁定技术却鲜有研究。对于多模的控制研究，最近基于傅里叶域锁模的光电振荡器也受到了人们的关注，该技术在频域实现了多模的相位锁定，从而突破了光电振荡器中模式建立时间的限制，实现了快速扫频啁啾连续微波信号输出。另外，研究人员最近才刚提出了主动锁模光电振荡器技术，实现了脉冲微波信号的输出，频谱上为等间隔的微波梳齿。
微波频率梳广泛应用在调频雷达、调频通信、多载波通信系统等应用。主动锁模光电振器是一种产生微波脉冲的有效手段，该方法克服了传统基于电子学产生方式的单边带噪声大、频率间隔不可调谐等问题，同时解决了利用光学频率梳光电探测转换产生方式中的微波梳齿功率随着频率的下降等问题，所以主动锁模光电振荡器近年来受到了大家的关注。例如，杭州电子科技大学的专利“主动锁模光电振荡器”(专利号：CN202010111150.5)利用外部调制源，在光学链路中采取强度调制的方式实现腔内损耗的周期性调制，并且使调制周期等于光电环路的延迟时间，从而实现锁模。成都电子科技大学“基于时域锁模光电振荡器的微波脉冲产生装置及方法”(专利号：CN202110264797.6)，该发明通过微波电调制器构建了时域主动锁模光电振荡器，同样通过外部微波源实现主动调制。可以看到，现有专利都是基于外部信号源的调制实现主动锁模，但是实际情况下很难完全保持调制频率与光电振荡器模式间隔的严格同步，况且模式间隔会由于长光纤的影响产生随机波动，同时外部信号源也会存在着不稳定情况，因此主动锁模光电振荡器很难实现长期稳定运行。
针对以上时间同步技术问题，故需对其进行改进。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种自再生锁模光电振荡器，无需外部调制信号源的输入，采用“自生”的方式实现了光电振荡器的多模式的相位锁定，解决了已有主动锁模光电振荡器需要外部高稳定调制信号源、信号源频率与振荡模式无法严格同步等的技术难题，并且具有对环境引起的腔频扰动免疫。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种自再生锁模光电振荡器，包括：激光器、光电调制器、长光纤、色散补偿光纤、光电探测器、第一滤波器、第一电耦合器、第一电放大器、电调制器、第二电耦合器、微波检波器、第二滤波器、第二放大器模块；其中，激光器、光电调制器、长光纤、色散补偿光纤、光电探测器、滤波器、第一电耦合器、第一电放大器、电调制器和第二电耦合器组合形成光电振荡环路；第一电耦合器、微波检波器、第二滤波器、第二放大器模块和电调制器组合形成自再生调制信号环路；所述激光器输出光信号进入电光调制器模块，所述光电调制器实现对光信号进行调制，形成载波及边带；形成载波及边带的光信号进入长光纤并经长光纤处理后得到低相位噪声光信号，低相位噪声光信号进入色散补偿光纤并经色散补偿光纤处理后得到总光纤色散为零的光信号，所述光电探测器通过拍频将总光纤色散为零的光信号转化为电信号，所述第一滤波器接收电信号并给电信号提供预设的频带宽度得到第二电信号，所述第一滤波器将第二电信号传输给第一电耦合器，第一电耦合器将一部分第二电信号传输给微波检波器，第一电耦合器将剩余部分第二电信号经过第一电放大器后经过电调制器实现微波信号的幅度或相位调制，然后经过第二电耦合器反馈到电光调制器射频端口形成闭环的光电振荡回路；微波检波器对一部分第二电信号进行功率检测得到满足微波脉冲的频谱范围，经过第二滤波器的窄带滤波后再由第二电放大器提供放大增益，反馈给电调制器。
上述自再生锁模光电振荡器中，所述电光调制器为强度调制器或相位调制器。
上述自再生锁模光电振荡器中，所述电调制器为幅度调制器或相位调制器。
上述自再生锁模光电振荡器中，当电光调制器为强度调制器时，所述第一滤波器为电带通滤波器；当电光调制器为相位调制器时，所述第一滤波器为光陷波滤波器。
上述自再生锁模光电振荡器中，微波检波器为平方率功率检波器，带宽至少覆盖第一滤波器的频段宽度。
上述自再生锁模光电振荡器中，第二滤波器为中心频率为fn的带通滤波器，该频率与光电振荡环路的腔基频f0满足fn＝Nf0。
上述自再生锁模光电振荡器中，通过调节第一滤波器的中心频率fc，所述自再生调制信号环路输出信号为中心频率在fc、重复频率为fn的微波脉冲信号。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明无需外部稳定的调制源即可实现光电振荡器的时域多纵模锁定；
(2)本发明解决了主动锁模光电振荡器外部调制源无法与光电振荡器环路延迟时间严格同步的难题；
(2)本发明可以通过改变电带通滤波器的中心频率，实现基频及谐波频率的再生锁模；
(3)本发明可以通过改变再生调制信号环路中的滤波器中心频率，还能实现自再生的谐波锁模；
(4)本发明产生的微波信号可以通过调节滤波器中心频率，实现整个频率梳的整体移动，生成的微波脉冲具有频率稳定性好、超低相位噪声的特性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的自再生锁模光电振荡器基础结构示意图；
图2是本发明实施例提供的自再生锁模光电振荡器实现结构示意图；
图3是本发明实施例提供的自再生锁模光电振荡器实现结构示意图；
图4是本发明实施例提供的采用电调幅时自再生锁模光电振荡器锁模脉冲时域图；
图5是本发明实施例提供的采用电调幅时自再生锁模光电振荡器锁模脉冲频谱图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例一：
如图1所示，本实施例提出了一种自再生锁模光电振荡器，利用锁模原理可产生低相位噪声、功率平衡、频率可调、频谱为梳状的超短微波脉冲序列，包括两个相互耦合的自激正反馈环路：即光电振荡器主环路包括和调制信号生成环路。
其中图1自再生锁模光电振荡器的基本结构示意图。主要包括两个环路，其中光电振荡环路包括：激光器1、可调光衰减器、电光调制器2、光纤3、色散补偿光纤4、光电探测器5、第一滤波器6、第一电耦合器7、第一电放大器8、电调制器9、第二电耦合器10组合建立光电振荡器的环路。激光器1输出的光经过电光调制器2，实现对连续光的调制，形成载波和边带，从电光调制器2输出的光进入光纤3和色散补偿光纤4，调节色散光纤的长度使总光纤色散近似为零，然后从色散补偿光纤4输出的光在光电探测器中的拍频作用下将光信号变为电信号，其中第一滤波器6提供一定的频带宽度，满足多模振荡的条件；电信号经过第一耦合器11耦合输出部分能量用于调制频率产生环路同时剩余部分经过第一电放大器8后经过电调制器9实现微波信号的幅度或相位调制，然后经过第二电耦合器10反馈到电光调制器射频端口形成闭环的光电振荡回路。
具体的，如图2所示，其中电光调制器为强度调制器2a，第一滤波器滤波器为电带通滤波器6a,电调制器为幅度调制器或相位调制器9。则光电振荡器主环路形成基于强度调制器的单环路光电振荡器，激光器1输出的光经过强度调制器2a，实现对连续光的强度调制，形成载波和边带，从强度调制器2a输出的光进入光纤3和色散补偿光纤4，调节色散光纤的长度使总光纤色散近似为零，然后从色散补偿光纤4输出的光在光电探测器中的拍频作用下将光信号变为电信号，其中电带通滤波器6a提供一定的频带宽度，满足多模振荡的条件，通过调节电带通滤波器6a的中心频率fc，可以实现微波脉冲的中心频率的调节；电信号经过第一耦合器7耦合输出部分能量用于调制频率产生环路同时剩余部分经过第一电放大器8后经过幅度/相位调制器9实现微波信号的幅度或相位调制，然后经过第二电耦合器10反馈到强度调制器射频端口形成闭环的光电振荡回路。
调制信号生成环路包括：第一电耦合器7、微波检波器11、电带通滤波器12、第二电放大器13以及电调制器9组合成调制频率生成环路。其中第一电耦合器7、幅度/相位调制器9为两个环路的共用器件，微波检波器11检测频段满足微波脉冲的频谱范围，实现对从第一电耦合器输出微波信号的功率检测，经过第二滤波器12的窄带滤波后再由第二电放大器13提供足够的放大增益，反馈给幅度/相位调制器9实现该调制频率生成环路的闭环，该环路为单模振荡环路，第二滤波器12的中心频率满足fn＝Nf0，其中f0为光电振荡环的腔基模，N为整数。当N＝1时，光电振荡器腔内只有一个脉冲运行，当N>1时，光电振荡器腔内有N个脉冲运行，并且这些脉冲的间隔完全相同，称为谐波锁模。
其中，在光电振荡环路中和调制频率生成环路中，起始状态时，两个环路都为噪声启振。光电振荡环路产生微波信号是实现该实例的前提条件，并且初始时光电振荡腔内存在多组纵模同时振荡，不同振荡模式没有确定的相位关系，一般输出为连续波信号。在实现光电振荡环路振荡后，调制频率生成环路在滤波器和增益的共同作用下，会产生单模的fn的单频信号，产生的单频信号反馈到幅度/相位调制器后从而实现光电振荡环路的多模的相位锁定，进而产生更强的脉冲信号，该脉冲重复频率等于调制频率，经过微波检波器又转化为更强的单频信号，从而实现双环路的同时锁定。
假设在光电振荡器微波信号为
调制信号生成环路自激振荡生成的调制信号为cos(2πfnt)，则经过调制后的信号为：
其中，V0，
fc为微波信号的振幅、相位和中心频率，ma，fn分别为调制信号的调制系数和调制频率。
该信号可以表示为：
从上式可以看出，频率为
为新的微波边带将会产生，并且具有与载波具有相同的相位
这两个新的边带在调制器的作用下又会产生新的边带
等等，并且都具有相同的相位，这些相位锁定的多模式信号在时域干涉形成窄的脉冲信号。
图4和图5为本实例自再生锁模光电振荡器输出微波信号的时域和频域测试图。可以看出本发明的自再生锁模光电振荡器的输出微波信号时域为微波脉冲序列，频域为间隔相等的微波频率梳。
实施例二：
本实施与实施一的自再生锁模光电振荡器的不同之处在于：
如图3所示，光电调制器为相位调制器2b，滤波器6a为光陷波滤波器6b，由相位调制器2b、光陷波滤波器6b光电探测器5组成形成微波光子滤波器实现滤波功能，自再生锁模光电振荡器光电振荡环路包括激光器1、相位调制器2b、光纤3、色散补偿光纤4、光陷波滤波器6b、光电探测器5、第一电耦合器7、第一电放大器8、幅度/相位调制器9、第二电耦合器组成光电振荡回路。激光器1、相位调制器2b、光陷波滤波器6b、光电探测器5组成宽度微波光子滤波器，从而为多模振荡提供必要的条件，输出微波信号的带宽为光陷波滤波器6b的透射谱的宽度，相比实例一，光陷波滤波器或者受激布里渊散射滤波器具有更宽的带宽。激光器1输出的连续波经过相位调制器2b实现相位调制，产生载波和相位相反的一级边带，然后经过光纤3和色散补偿光纤4进入陷波滤波器6b,滤除光信号的一侧边带，从而实现相位调制到强度调制的转换，光电探测器5通过拍频将光信号转换为电信号，电信号经过第一电耦合器7、第一电放大器8、幅度/相位调制器9、第二电耦合器组成光电振荡回路。调制频率产生环路及其他结构及原理参考实例一。
本发明无需外部稳定的调制源即可实现光电振荡器的时域多纵模锁定；本发明解决了主动锁模光电振荡器外部调制源无法与光电振荡器环路延迟时间严格同步的难题；本发明可以通过改变电带通滤波器的中心频率，实现基频及谐波频率的再生锁模；本发明可以通过改变再生调制信号环路中的滤波器中心频率，还能实现自再生的谐波锁模；本发明产生的微波信号可以通过调节滤波器中心频率，实现整个频率梳的整体移动，生成的微波脉冲具有频率稳定性好、超低相位噪声的特性。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种自再生锁模光电振荡器，其特征在于包括：激光器、光电调制器、长光纤、色散补偿光纤、光电探测器、第一滤波器、第一电耦合器、第一电放大器、电调制器、第二电耦合器、微波检波器、第二滤波器、第二放大器模块；其中，
激光器、光电调制器、长光纤、色散补偿光纤、光电探测器、滤波器、第一电耦合器、第一电放大器、电调制器和第二电耦合器组合形成光电振荡环路；
第一电耦合器、微波检波器、第二滤波器、第二放大器模块和电调制器组合形成自再生调制信号环路；
所述激光器输出光信号进入电光调制器模块，所述光电调制器实现对光信号进行调制，形成载波及边带；形成载波及边带的光信号进入长光纤并经长光纤处理后得到低相位噪声光信号，低相位噪声光信号进入色散补偿光纤并经色散补偿光纤处理后得到总光纤色散为零的光信号，所述光电探测器通过拍频将总光纤色散为零的光信号转化为电信号，所述第一滤波器接收电信号并给电信号提供预设的频带宽度得到第二电信号，所述第一滤波器将第二电信号传输给第一电耦合器，第一电耦合器将一部分第二电信号传输给微波检波器，第一电耦合器将剩余部分第二电信号经过第一电放大器后经过电调制器实现微波信号的幅度或相位调制，然后经过第二电耦合器反馈到电光调制器射频端口形成闭环的光电振荡回路；
微波检波器对一部分第二电信号进行功率检测得到满足微波脉冲的频谱范围，经过第二滤波器的窄带滤波后再由第二电放大器提供放大增益，反馈给电调制器。
2.根据权利要求1所述的自再生锁模光电振荡器，其特征在于：所述电光调制器为强度调制器或相位调制器。
3.根据权利要求1所述的自再生锁模光电振荡器，其特征在于：所述电调制器为幅度调制器或相位调制器。
4.根据权利要求2所述的自再生锁模光电振荡器，其特征在于：当电光调制器为强度调制器时，所述第一滤波器为电带通滤波器；当电光调制器为相位调制器时，所述第一滤波器为光陷波滤波器。
5.根据权利要求1所述的自再生锁模光电振荡器，其特征在于：微波检波器为平方率功率检波器，带宽至少覆盖第一滤波器的频段宽度。
6.根据权利要求1所述的自再生锁模光电振荡器，其特征在于：第二滤波器为中心频率为fn的带通滤波器，该频率与光电振荡环路的腔基频f0满足fn＝Nf0。
7.根据权利要求1所述的自再生锁模光电振荡器，其特征在于：通过调节第一滤波器的中心频率fc，所述自再生调制信号环路输出信号为中心频率在fc、重复频率为fn的微波脉冲信号。
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| CN202111579600.4A Active CN114498259B (zh) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | 一种自再生锁模光电振荡器 |
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2021
- 2021-12-22 CN CN202111579600.4A patent/CN114498259B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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