CN115441304B - 调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置、方法，所述装置包括第一激光器，第一激光器与第一半导体光放大器、第一光环形器、第一可调谐光衰减器、第二半导体光放大器、第二光环形器、高非线性光纤和第三光环形器依次连接；第三光环形器经分束器分束后分为第一支路和第二支路，其中第一支路经光隔离器至第二光分束器再被分为第三支路和第四支路，第三支路经第二可调谐光衰减器与第二光环形器相连形成短环路，第四支路经单模光纤、第三可调谐光衰减器形成长环路；第二激光器经偏振控制器与第三光环形器相连；从第一光分束器分束出的的第二支路经单行载流子光电二极管输出毫米波信号。

Description

调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置、方法

技术领域

本发明属于毫米波信号发生技术领域，特别涉及一种基于调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置、方法。

背景技术

毫米波为波长为1～10毫米的电磁波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，兼有微波和光波的特点。高频段、低相噪、宽带频率调谐的毫米波源在无线通信、高灵敏度传感、雷达和电子战争等多个领域有着重要的应用前景。随着各个领域应用的发展与要求的提升，对载波信号在频率、功率、相位噪声等方面都提出了更高的要求。

与传统的电学倍频方式相比，光生毫米波方式具有高频率、大带宽等优势，成为了当前科学家们积极探索毫米波源产生的首选方式。通过光电振荡器、双独立激光器、多波长输出激光器、光频梳或者主从激光器注入锁定等方式产生两路不同波长的激光信号，经单行载流子光电探测器光电转换后获得毫米波源。微波光子技术结合微波技术与光技术的优势，能利用简单有效的方法实现传统微波技术较难实现或者不可能实现的信号的产生、传输与处理等功能。针对下一代宽带高速通信、高分辨率雷达对低相位噪声、高频段毫米波源的需求，基于光电振荡器的方式以其输出信号具有高光谱纯度、超低相位噪声、高边模抑制比以及在可调谐性、频率稳定性方面的优势成为十分有前途光生毫米波方式。

典型的光电振荡器系统由激光器、光电调制器、带通滤波器和光电探测器形成反馈回路。其中，光电调制器和带通滤波器为光电振荡器的重要组成部分，决定输出信号特性与质量。通常，在光电振荡器中常采用长光纤增强环路的品质因子，从而降低产生信号的相位噪声。然而长光纤的使用使环路具有极窄的本征模频率间隔，为了保证OEO单模起振，需要在OEO中构建两路长度不等的环路的不对称双环结构，通过游标效应，实现边模抑制。此外，输出微波频率受限于传统光电调制器的光-电调制带宽，难以达到百GHz；基于半导体光放大器的交叉增益调制可以实现带宽高达THz量级的光光调制，有望成为高谐振频率高光电振荡器的调制器。然而在实际应用中，半导体光放放大器的光-光调制的调制效率较低，限制了输出信号的频率。因此，发明一种调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足，提供了一种基于调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置、方法，可实现基于半导体光放大器的全光振荡器的调制效率增强，从而输出高谐振频率、低相位噪声、高边模抑制比、单模振荡的毫米波信号。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：本发明实施例的第一方面提供了一种增强调制效率的全光毫米波振荡器边模抑制装置，所述装置包括第一激光器，第一激光器与第一半导体光放大器、第一光环形器、第一可调谐光衰减器、第二半导体光放大器、第二光环形器、高非线性光纤和第三光环形器依次连接；第三光环形器经分束器分束后分为第一支路和第二支路，其中第一支路经光隔离器至第二光分束器再被分为第三支路和第四支路，第三支路经第二可调谐光衰减器与第二光环形器相连形成短环路，第四支路经单模光纤、第三可调谐光衰减器形成长环路；第二激光器经偏振控制器与第三光环形器相连；从第一光分束器分束出的的第二支路经单行载流子光电二极管输出毫米波信号。

进一步地，所述长环路和短环路通过游标效应实现全光毫米波振荡器的边模抑制和单模振荡。

进一步地，所述第一激光器或第二激光器为C波段可调谐激光器；第一激光器和第二激光器的输出频率差为0~300GHz可调谐，输出功率为大于等于2dBm。

进一步地，所述第一半导体光放大器和第二半导体光放大器作为毫米波振荡器的光-光调制器，第一半导体光放大器和第二半导体光放大器通过交叉增益调制效应以增强光-光调制器的调制效率。

进一步地，所述第一半导体光放大器和第二半导体光放大器工作在增益饱和工作区，以降低全光毫米波振荡器边模抑制装置的强度噪声以及引起的相位噪声。

进一步地，所述第一半导体光放大器和第二半导体光放大器工作在增益饱和工作区的调整过程包括：调节第一半导体光放大器和第二半导体光放大器的工作电流、第一激光器和第二激光器的输出功率、第一可调谐光衰减器和第二可调谐光衰减器的衰减程度，使得第一半导体光放大器和第二半导体光放大器工作在增益饱和工作区。

进一步地，所述偏振控制器用于控制第二激光器输出的泵浦激光进入高非线性光纤的偏振状态，从而调节布里渊散射增益。

进一步地，所述第一光分束器置于第三光环形器后端，使得保证满足环路的Q值的同时，提高输出光功率，从而提高单行载流子光电二极管输出的毫米波信号强度。

本发明实施例的第二方面提供了一种调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制方法，应用于上述的全光毫米波振荡器边模抑制装置，所述方法包括：由第一激光器出射信号光，入射到第一半导体光放大器放大后进入到第一光环形器的第二端口，从第一光环形器的第三端口输出的信号光经过第一可调谐光衰减器经第二半导体光放大器中放大后进入到第二光环形器的第二端口，从第二光环形器的第三端口输出的信号光经过高非线性光纤进入第三光环形器的第二端口，第二激光器发射泵浦激光经过偏振控制器、第三光环形器的第一端口和第二端口进入高非线性光纤，产生反向传输的布里渊激光，再与信号光一起进入第三光环形器的第二端口并从第三端口输出，然后经过第一光分束器分成第一支路和第二支路，其中第一支路经过光隔离器进入第二光分束器再分为第三支路和第四支路，第三支路进入第二可调谐光衰减器返回至第二光环形器的第一端口形成短环路；第四支路通过单模光纤、第三可调谐光衰减器返回至第一光环形器的第一端口形成长环路；长环路和短环路通过游标效应实现全光毫米波振荡器的边模抑制和单模振荡；从第一光分束器输出的第二支路激光进入单行载流子光电二极管进行光电转换，输出毫米波信号。

本发明的有益效果是：本发明提供一种基于调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置及其方法。通过半导体光放大器耦合双环（长环路和短环路）的方式通过游标效应提高了光电振荡器的调制效率以及功率和频率稳定性，且实现全光毫米波振荡器的边模抑制和单模振荡；基于受激布里渊散射的微波光子滤波器使光电振荡器输出信号频率可调谐、提高边模抑制比并降低相位噪声。此外该发明具有偏振敏感性低、成本低、输出功率高、易实现等特点，对毫米波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是本发明从单行载流子光电二极管输出的频谱图。

附图标记： 1-第一激光器，2-第一半导体光放大器，3-第一光环形器，4-第一可调谐光衰减器，5-第二半导体光放大器，6-第二光环形器，7-高非线性光纤，8-第二激光器，9-偏振控制器，10-第三光环形器，11-第一光分束器，12-光隔离器，13-第二光分束器，14-第二可调谐光衰减器，15-单模光纤，16-第三可调谐光衰减器，17-单行载流子光电二极管。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

下面结合附图和具体实施方式对本发明提出的基于调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置及方法进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

本发明提出了一种用于增强调制效率的全光毫米波振荡器边模抑制装置，基于全光振荡器的方式产生毫米波信号，如图1所示，包括第一激光器1、第一半导体光放大器2、第一光环形器3、第一可调谐光衰减器4、第二半导体光放大器5、第二光环形器6、高非线性光纤7、第二激光器8、偏振控制器9、第三光环形器10、第一光分束器11、光隔离器12、第二光分束器13、第二可调谐光衰减器14、单模光纤15、第三可调谐光衰减器16和单行载流子光电二极管17。

各器件之间通过光纤连接；其中，第一激光器1经第一半导体光放大器2与第一光环形器3的第二端口相连，第一光环形器3的第三端口与第一可调谐光衰减器4、第二半导体光放大器5、第二光环形器6的第二端口依次相连，第二光环形器6的第三端口经高非线性光纤7与第三光环形器10的第二端口依次相连，第二激光器8经偏振控制器9与第三光环形器10的第一端口依次相连，第三光环形器10的第三端口连接至第一光分束器11被分成两路（第一支路和第二支路），其中第一支路经过光隔离器12连接至第二光分束器13后再被分为两路（第三支路和第四支路），第三支路经过第二可调谐光衰减器14连接至至第二光环形器6的第一端口，第四支路经过单模光纤15、第三可调谐光衰减器16连接至至第一光环形器3的第一端口；从第一光分束器11输出的第二支路连接至单行载流子光电二极管17进行光电转换，输出毫米波信号。

其中，所述第二半导体光放大器5、第二光环形器6、高非线性光纤7、第三光环形器10、第一光分束器11、光隔离器12、第二光分束器13、第二可调谐光衰减器14形成谐振腔的短环路；第一半导体光放大器2、第一光环形器3、第一可调谐光衰减器4、第二半导体光放大器5、第二光环形器6、高非线性光纤7、第三光环形器10、第一光分束器11、光隔离器12、第二光分束器13、单模光纤15、第三可调谐光衰减器16形成谐振腔的长环路；耦合双环结构通过游标效应实现全光毫米波振荡器的边模抑制和单模振荡。

进一步地，所述第一激光器1或第二激光器8为C波段可调谐激光器，输出功率为大于等于2dBm，通过调节任意激光器中输出激光频率，可以实现输出毫米波信号的大范围调谐。并且第一激光器1和第二激光器8的输出频率差为0~300GHz可调谐。

进一步地，所述的第一半导体光放大器2和第二半导体光放大器5作为毫米波振荡器的光-光调制器，第一半导体光放大器2和第二半导体光放大器5通过交叉增益调制效应用于增加调制器的调制效率。

进一步地，所述的第一半导体光放大器2和第二半导体光放大器5工作在增益饱和工作区，用来降低系统的强度噪声以及起引起的相位噪声；具体方式为调节第一半导体光放大器2和第二半导体光放大器5的工作电流、第一激光器1和第二激光器8的输出功率、第一可调谐光衰减器4和第二可调谐光衰减器14的衰减程度。

进一步地，所述的偏振控制器9用于控制第二激光器8输出泵浦激光进入高非线性光纤7的偏振状态，从而调节布里渊散射增益。

进一步地，所述的第一光分束器11置于第三光环形器10后端，可以保证满足环路的Q值（即品质因子）的同时，提高输出光功率，从而提高单行载流子光电二极管17输出的毫米波信号强度。

本发明提出了一种基于调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制的方法，采用上述的基于调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制的装置，具体方法如下：由第一激光器1发出的光信号作为信号光，入射到第一半导体光放大器2放大后进入到第一光环形器3的第二端口，从第一光环形器3的第三端口输出的信号光经过第一可调谐光衰减器4进入到第二半导体光放大器5中放大后进入到第二光环形器6的第二端口，从第二光环形器6的第三端口输出信号激光经过高非线性光纤7进入第三光环形器10的第二端口，第二激光器8发射泵浦激光经过偏振控制器9、第三光环形器10的第一端口、第二端口进入高非线性光纤7，产生反向传输的布里渊激光，与信号光一起进入第三光环形器10的第二端口并从第三端口输出，然后经过第一光分束器11分成第一支路和第二支路，其中第一支路经过光隔离器12进入第二光分束器13再分为第三支路和第四支路，第三支路进入第二可调谐光衰减器14返回至第二光环形器6的第一端口形成短环路；第四支路光通过单模光纤15、第三可调谐光衰减器16返回至第一光环形器3的第一端口形成长环路；长环路和短环路通过游标效应实现谐振腔的边模抑制和单模振荡；从第一光分束器11输出的第二支路激光进入单行载流子光电二极管17进行光电转换，输出毫米波信号。

通过频谱仪测试单行载流子光电二极管17输出信号的频谱图，如图2所示。可见，该装置可以实现谐振频率为7.5GHz~27.5GHz范围内毫米波的单纵模、可调谐、稳定输出，边模抑制比大于50dB。

综上所述，本发明提出的一种增强调制效率的全光毫米波振荡器边模抑制装置、方法，通过半导体光放大器耦合双环（长环路和短环路）的方式通过游标效应提高了光电振荡器的调制效率以及功率和频率稳定性，且实现全光毫米波振荡器的边模抑制和单模振荡；受激布里渊散射效应作为可调谐窄带滤波器使光电振荡器输出信号频率可调谐、提高边模抑制比并降低相位噪声。此外该发明具有偏振敏感性低、成本低、输出功率高、易实现等特点。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置，其特征在于，所述装置包括第一激光器（1），第一激光器（1）与第一半导体光放大器（2）、第一光环形器（3）、第一可调谐光衰减器（4）、第二半导体光放大器（5）、第二光环形器（6）、高非线性光纤（7）和第三光环形器（10）依次连接；第三光环形器（10）经第一光分束器（11）分束后分为第一支路和第二支路，其中第一支路经光隔离器（12）至第二光分束器（13）再被分为第三支路和第四支路，第三支路经第二可调谐光衰减器（14）与第二光环形器（6）相连形成短环路，第四支路经单模光纤（15）、第三可调谐光衰减器（16）形成长环路；第二激光器（8）经偏振控制器（9）与第三光环形器（10）相连；从第一光分束器（11）分束出的第二支路经单行载流子光电二极管（17）输出毫米波信号。

2.根据权利要求1所述的调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置，其特征在于，所述长环路和短环路通过游标效应实现全光毫米波振荡器的边模抑制和单模振荡。

3.根据权利要求1所述的调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置，其特征在于，所述第一激光器（1）或第二激光器（8）为C波段可调谐激光器；第一激光器（1）和第二激光器（8）的输出频率差为0~300GHz可调谐，输出功率为大于等于2dBm。

4.根据权利要求1所述的调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置，其特征在于，所述第一半导体光放大器（2）和第二半导体光放大器（5）作为毫米波振荡器的光-光调制器，第一半导体光放大器（2）和第二半导体光放大器（5）通过交叉增益调制效应以增强光-光调制器的调制效率。

5.根据权利要求1或3所述的调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置，其特征在于，所述第一半导体光放大器（2）和第二半导体光放大器（5）工作在增益饱和工作区，以降低全光毫米波振荡器边模抑制装置的强度噪声以及引起的相位噪声。

6.根据权利要求5所述的调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置，其特征在于，所述第一半导体光放大器（2）和第二半导体光放大器（5）工作在增益饱和工作区的调整过程包括：调节第一半导体光放大器（2）和第二半导体光放大器（5）的工作电流、第一激光器（1）和第二激光器（8）的输出功率、第一可调谐光衰减器（4）和第二可调谐光衰减器（14）的衰减程度，使得第一半导体光放大器（2）和第二半导体光放大器（5）工作在增益饱和工作区。

7.根据权利要求1所述的调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置，其特征在于，所述偏振控制器（9）用于控制第二激光器（8）输出的泵浦激光进入高非线性光纤（7）的偏振状态，从而调节布里渊散射增益。

8.根据权利要求1所述的调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置，其特征在于，所述第一光分束器（11）置于第三光环形器（10）后端，使得保证满足环路的Q值的同时，提高输出光功率，从而提高单行载流子光电二极管（17）输出的毫米波信号强度。

9.一种调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制方法，应用于权利要求1-8任一项所述的调制效率增强的全光毫米波振荡器边模抑制装置，其特征在于，所述方法包括：由第一激光器（1）出射信号光，入射到第一半导体光放大器（2）放大后进入到第一光环形器（3）的第二端口，从第一光环形器（3）的第三端口输出的信号光经过第一可调谐光衰减器（4）经第二半导体光放大器（5）中放大后进入到第二光环形器（6）的第二端口，从第二光环形器（6）的第三端口输出的信号光经过高非线性光纤（7）进入第三光环形器（10）的第二端口，第二激光器（8）发射泵浦激光经过偏振控制器（9）、第三光环形器（10）的第一端口和第二端口进入高非线性光纤（7），产生反向传输的布里渊激光，再与信号光一起进入第三光环形器（10）的第二端口并从第三端口输出，然后经过第一光分束器（11）分成第一支路和第二支路，其中第一支路经过光隔离器（12）进入第二光分束器（13）再分为第三支路和第四支路，第三支路进入第二可调谐光衰减器（14）返回至第二光环形器（6）的第一端口形成短环路；第四支路通过单模光纤（15）、第三可调谐光衰减器（16）返回至第一光环形器（3）的第一端口形成长环路；长环路和短环路通过游标效应实现全光毫米波振荡器的边模抑制和单模振荡；从第一光分束器（11）输出的第二支路激光进入单行载流子光电二极管（17）进行光电转换，输出毫米波信号。

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