CN116300246A - 一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器及振荡方法 - Google Patents

一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器及振荡方法 Download PDF

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Abstract

一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器及振荡方法，包括第一激光器、第一光分束器、第一半导体光放大器、第一光环形器、第一高非线性光纤、第二光环形器、第一可调光延时线、第二光分束器、第一单模光纤、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一偏振合束器、第三光分束器、第一光滤波器、第二激光器、第二半导体光放大器、第三光环形器、第四光环形器、第四光分束器、第一光耦合器、第三激光器。本发明还提供一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器的振荡方法。本发明能全光产生相位相干、频率间隔可调的双波长信号，并使用光电探测器对该双波长信号进行拍频，得到低相噪的微波甚至太赫兹信号，为高质量微波甚至太赫兹信号的发生提供可实用化方案。

Description

一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器及振荡方法
技术领域
本发明涉及微波以及太赫兹信号发生领域，尤其涉及一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器及振荡方法。
背景技术
高质量微波以及太赫兹信号具有低相位噪声特性，能够提升雷达的灵敏度、通信系统的容量，对当代雷达、5G通信以及未来的6G通信具有重要意义。
光电振荡器作为一种电信号发生装置，因其具有结构简单、低噪声等特性，被广泛用于产生低相位噪声的微波信号。但是受限于电光调制器的调制带宽，光电振荡器可产生的信号频率并不高。虽然目前电光调制器的调制带宽能够达到百吉赫兹，但其价格极其昂贵且难以获得，也难以用其产生频率更高的太赫兹信号。近年来发展出的全光振荡器利用半导体光放大器将环路中的光信号调制到环路激光器上，使用光电探测器将产生的光信号转换为电信号，同样能够产生高质量的电信号。全光振荡器的工作原理与光电振荡器相似，利用半导体光放大器的交叉增益调制效应以及较大的调制带宽，具有产生从极低频到极高频的高质量信号的能力。目前，常用的使全光振荡器单模振荡的方法主要有两大类：一类是双环结构，使用两个不等长的光环路，利用游标效应使环路产生单模振荡信号；另一类是光注入锁定，将一个独立的激光信号注入到振荡光环路中，并与振荡光信号耦合后调制到半导体光放大器上。双环结构难以有效地抑制边模以及保证稳定的振荡，特别在产生较高频信号时，由于半导体光放大器的调制效率降低，双环结构的上述问题更为突出。目前的光注入锁定方法需要仔细调节注入光信号的频率，使其频率与振荡光信号的频率在锁定带宽内，不利于工程实现。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器及振荡方法。
本发明的第一个方面提供一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器，包括第一激光器(1)、第一光分束器(2)、第一半导体光放大器(3)、第一光环形器(4)、第一高非线性光纤(5)、第二光环形器(6)、第一可调光延时线(7)、第二光分束器(8)、第一单模光纤(9)、第一偏振控制器(10)、第二偏振控制器(11)、第一偏振合束器(12)、第三光分束器(13)、第一光滤波器(14)、第二激光器(15)、第二半导体光放大器(16)、第三光环形器(17)、第二高非线性光纤(18)、第四光环形器(19)、第二可调光延时线(20)、第四光分束器(21)、第一光耦合器(22)、第三激光器(23)、第二激光器(15)和第三激光器(23)；
所述第一激光器(1)的输出端与第一光分束器(2)的输入端相连，所述第一光分束器(2)的第一输出端(24)与第一半导体光放大器(3)的输入端相连；第一半导体光放大器(3)的输出端与第一光环形器(4)的第二端口(27)相连，第一光环形器(4)的第三端口(28)经第一高非线性光纤(5)与第二光环形器(6)的第二端口(30)相连；由第一激光器(1)发出的可调单频激光信号经第一光分束器(2)分为两路，从第一光分束器(2)的第一输出端(24)输出的激光信号作为载波，注入到第一半导体光放大器(3)的光输入端，经第一半导体光放大器(3)放大后，光信号注入到第一光环形器(4)的第二端口(27)；从第一光环形器(4)的第三端口(28)输出的光信号经第一高非线性光纤(5)传输后，光信号到达第二光环形器(6)的第二端口(30)；
所述第一光分束器(2)的第二输出端(25)与第二光环形器(6)的第一端口(29)相连，从第一光分束器(2)的第二输出端(25)输出的激光信号作为泵浦光信号，注入到第二光环形器(6)的第一端口(29)，并从第二光环形器(6)的第二端口(30)输出；从第二光环形器(6)的第二端口(30)输出的光信号注入到第一高非线性光纤(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二光环形器(6)的第二端口(30)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；
所述第二光环形器(6)的第三端口(31)经第一可调光延时线(7)与第二光分束器(8)输入端相连，光信号被第二光分束器(8)分为两路；第二光分束器(8)的第一光输出端(32)经第一偏振控制器(10)与偏振合束器(12)的第一光输入端(34)相连；第二光分束器(8)的第二光输出端(33)经第一单模光纤(9)、第二偏振控制器(11)与偏振合束器(12)的第二光输入端(35)相连，被第二光分束器(8)分为两路的光信号在偏振合束器(12)中耦合；偏振合束器(12)的输出端与第三光分束器(13)的光输入端相连，第三光分束器(13)的第一光输出端(36)与第一光环形器(4)的第一端口(26)相连；第三光分束器(13)的第二光输出端(37)经第一光滤波器(14)与第一光耦合器(22)的第一光输入端(38)相连；
所述第二激光器(15)的输出端与第二半导体光放大器(16)的输入端相连，第二半导体光放大器(16)的输出端与第三光环形器(17)的第二端口(41)相连；由第二激光器(15)发出的可调单频激光信号作为载波，注入到第二半导体光放大器(16)的光输入端；经第二半导体光放大器(16)放大后，光信号注入到第三光环形器(17)的第二端口(41)，并从第三光环形器(17)的第三端口(42)输出；第三光环形器(17)的第三端口(42)经第二高非线性光纤(18)后与第四光环形器(19)的第二端口(44)相连；从第三光环形器(17)的第三端口(42)输出的光信号经第二高非线性光纤(18)传输后，光信号到达第四光环形器(19)的第二端口(44)，并从第四光环形器(19)的第三端口(45)输出；
所述第三激光器(23)的输出端与第四光环形器(19)的第一端口(43)相连，从第三激光器(23)发出的可调单频激光信号作为泵浦光信号，注入到第四光环形器(19)的第一端口(43)，并从第四光环形器(19)的第二端口(44)输出；从第四光环形器(19)的第二端口(44)输出的光信号注入到第二高非线性光纤(18)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四光环形器(19)的第二端口(44)后与第二激光器(15)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；
所述第四光环形器(19)的第三端口(45)经第二可调光延时线(20)与第四光分束器(21)相连，经第二可调光延时线(20)延时后，光信号被第四光分束器(21)分为两路；第四光分束器(21)的第一光输出端(46)与第一光耦合器(22)的第二光输入端(39)相连，第一光耦合器(22)的光输出端与第三光环形器(17)的第一光输入端(40)相连；从第四光分束器(21)的第一光输出端(46)输出的光信号到达第一光耦合器(22)的第二光输入端(39)；从第一光耦合器(22)的光输出端输出的光信号到达第三光环形器(17)的第一光输入端(40)；
第三光分束器(13)的第二光输出端(37)经第一光滤波器(14)与第一光耦合器(22)的第一光输入端(38)相连，从第三光分束器(13)的第二光输出端(37)输出的光信号经第一光滤波器(14)滤波后注入到第一光耦合器(22)的第一光输入端(38)；第一光耦合器(22)的光输出端与第三光环形器(17)的第一光输入端(40)相连；从第一光耦合器(22)的光输出端输出的光信号到达第三光环形器(17)的第一光输入端(40)；所述第四光分束器(21)的第二光输出端(47)输出的光信号作为系统振荡输出的双波长光信号，经光电探测器转换为低相噪的微波甚至太赫兹信号；
第一激光器(1)、第一光分束器(2)、第一半导体光放大器(3)、第一光环形器(4)、第一高非线性光纤(5)、第二光环形器(6)、第一可调光延时线(7)、第三光分束器(13)、第一单模光纤(9)、第一偏振控制器(10)、第二偏振控制器(11)、第一偏振合束器(12)、第三光分束器(13)构成第一个全光振荡环路；第二激光器(15)、第二半导体光放大器(16)、第三光环形器(17)、第二高非线性光纤(18)、第四光环形器(19)、第二可调光延时线(20)、第四光分束器(21)、第一光耦合器(22)通过光纤顺次相连，构成第二个全光振荡环路。
进一步，采用全光振荡环路产生双波长光信号。
进一步，采用两个级联的全光振荡环路，并将第一个振荡环路产生的振荡信号注入到第二个全光振荡环路中，通过注入锁定，使第二个振荡环路产生单模振荡光信号。
进一步，第一激光器(1)在第一个全光振荡环路中产生的受激布里渊散射信号的中心频率与第三激光器(23)在第二个全光振荡环路中产生的受激布里渊散射信号的中心频率相同。
进一步，通过调节第二激光器(15)或者同步调节第一激光器(1)和第三激光器(23)的频率实现双波长光信号的频率调谐。
进一步，使用光电探测器将产生的双波长光信号拍频后，得到频率可调谐的、低相噪的微波甚至太赫兹信号。
进一步，采用第五光分束器(50)代替第三激光器(23)，将第五光分束器(50)设置在第一光分束器(2)的第二输出端(25)与第二光环形器(6)的第一端口(29)之间；
即第一光分束器(2)的第二输出端(25)与第五光分束器(50)的输入端相连，第五光分束器(50)的第一光输出端(48)与第二光环形器(6)的第一端口(29)相连；第五光分束器(50)的第二光输出端(49)与第四光环形器(19)的第一端口(43)相连。
本发明的第二个方面提供一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器的振荡方法，包括以下步骤：
S1，设第一激光器、第二激光器、第三激光器的光频率分别为ω1、ω2、ω3，ω1≈ω3＞ω2，并且ω1-ω2＝Δω；在第一个全光振荡环路中，第一激光器既作为振荡环路的激光载波信号，为环路振荡提供能量；也作为泵浦光源，在环路中激发红移频率为vB、带宽为BWSBS的受激布里渊散射信号；在第二个全光振荡环路中，第二激光器作为振荡环路的激光载波信号，为环路振荡提供能量；第三激光器作为泵浦光源，在环路中激发红移频率为vB、带宽为BWSBS的受激布里渊散射信号；
S2，当第一个全光振荡环路处于闭合状态时，得益于第一半导体光放大器3的交叉增益调制效应，振荡环路在光域产生信号调制，并产生振荡模式；受激布里渊散射信号从一系列振荡模式中选择位于受激布里渊散射信号带宽内的模式并进行放大；由布里渊散射信号选频后，根据Vernier效应，由第二光分束器、第一单模光纤、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一偏振合束器构成的双环结构保证选择的位于受激布里渊散射信号带宽内的模式能够单模振荡；
S3，当第二个全光振荡环路处于闭合状态时，得益于第二半导体光放大器的交叉增益调制效应，振荡环路在光域产生信号调制，并产生振荡模式；受激布里渊散射信号从一系列振荡模式中选择位于受激布里渊散射信号带宽内的模式并进行放大；由布里渊散射信号选频后，由于第一激光器在第一个全光振荡环路中产生的受激布里渊散射信号的中心频率与第三激光器在第二个全光振荡环路中产生的受激布里渊散射信号的中心频率相同，从第一光耦合器注入频率为ω1-vB+δυ0的光信号与第二个全光振荡环路中被选择的振荡模式处于锁定带宽内；从而，从第一光耦合器注入频率为ω1-vB+δυ0的光信号对第二个全光振荡环路实现光注入锁定；锁定后，第二个全光振荡环路实现单模振荡，输出相干的双波长光信号。
进一步，所述步骤S2中，第一个全光振荡环路实现单模起振后，由于受激布里渊散射只对第一半导体光放大器3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，从第三光分束器13输出的光信号是包含频率为ω1、ω1-vB+δυ0的单边带调制信号，其中δυ0表示选择的位于受激布里渊散射信号带宽内的模式频率与受激布里渊散射中心频率之间的频率偏差；经第一光滤波器14滤波后，只有频率为ω1-vB+δυ0的光信号从第一光滤波器14输出。
进一步，将第一个全光振荡环路以及第二个全光振荡环路产生的振荡信号都输出，可以得到两个具有不同频率间隔的双波长光信号。
本发明的有益效果是：本发明基于光注入锁定原理，采用两个级联的全光振荡环路产生双波长光信号，并且产生的双波长光信号的频率间隔可调。由于理论上全光振荡器产生的太赫兹信号相噪性能与信号频率无关，因此使用全光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。该全光振荡器的第一个全光振荡环路采用双环结构，产生频率间隔约等于受激布里渊散射频移(约10GHz)的双波长光信号。接着第一个全光振荡环路产生的振荡光信号被滤出，注入到第二个全光振荡环路中，产生频率间隔更大的双波长光信号。由于两个全光振荡环路使用中心频率相同的受激布里渊散射信号进行选频，第一个全光振荡环路产生的振荡光信号能够容易地对第二个全光振荡环路进行锁定，从而保证基于光光信号调制的振荡器能够在较高频时容易实现单模振荡，简化了基于光光信号调制的振荡器的实现难度。
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)和第三激光器(23)输出的信号的光谱示意图；
图3是从第二激光器(15)输出的信号的光谱示意图；
图4(a)和(b)分别是从第三光分束器(13)输出的光信号、从第一光滤波器(14)输出的光信号的光谱示意图。
图5是本发明实施例3的结构示意图。
附图标记说明：1、第一激光器；2、第一光分束器；3、第一半导体光放大器；4、第一光环形器；5、第一高非线性光纤；6、第二光环形器；7、第一可调光延时线；8、第二光分束器；9、第一单模光纤；10、第一偏振控制器；11、第二偏振控制器；12、第一偏振合束器；13、第三光分束器；14、第一光滤波器；15、第二激光器；16、第二半导体光放大器；17、第三光环形器；18、第二高非线性光纤；19、第四光环形器；20、第二可调光延时线；21、第四光分束器；22、第一光耦合器；23、第三激光器；24、第一光分束器的第一输出端；25、第一光分束器的第二输出端；26、第一光环形器的第一端口；27、第一光环形器的第二端口；28、第一光环形器的第三端口；29、第二光环形器的第一端口；30、第二光环形器的第二端口；31、第二光环形器的第三端口；32、第二光分束器的第一光输出端；33、第二光分束器的第二光输出端；34、偏振合束器的第一光输入端；35、偏振合束器的第二光输入端；36、第三光分束器的第一光输出端；37、第三光分束器的第二光输出端；38、第一光耦合器的第一光输入端；39、第一光耦合器的第二光输入端；40、第三光环形器的第一光输入端；41、第三光环形器的第二端口；42、第三光环形器第三端口；43、第四光环形器的第一端口；44、第四光环形器的第二端口；45、第四光环形器的第三端口；46、第四光分束器的第一光输出端；47、第四光分束器的第二光输出端；48、第五光分束器的第一光输出端；49、第五光分束器的第二光输出端；50、第五光分束器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1-4，一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器，包括第一激光器1、第一光分束器2、第一半导体光放大器3、第一光环形器4、第一高非线性光纤5、第二光环形器6、第一可调光延时线7、第二光分束器8、第一单模光纤9、第一偏振控制器10、第二偏振控制器11、第一偏振合束器12、第三光分束器13、第一光滤波器14、第二激光器15、第二半导体光放大器16、第三光环形器17、第二高非线性光纤18、第四光环形器19、第二可调光延时线20、第四光分束器21、第一光耦合器22、第三激光器23、第二激光器15和第三激光器23；
所述第一激光器1的输出端与第一光分束器2的输入端相连，所述第一光分束器2的第一输出端24与第一半导体光放大器3的输入端相连；第一半导体光放大器3的输出端与第一光环形器4的第二端口27相连，第一光环形器4的第三端口28经第一高非线性光纤5与第二光环形器6的第二端口30相连；由第一激光器1发出的可调单频激光信号经第一光分束器2分为两路，从第一光分束器2的第一输出端24输出的激光信号作为载波，注入到第一半导体光放大器3的光输入端，经第一半导体光放大器3放大后，光信号注入到第一光环形器4的第二端口27；从第一光环形器4的第三端口28输出的光信号经第一高非线性光纤5传输后，光信号到达第二光环形器6的第二端口30；
所述第一光分束器2的第二输出端25与第二光环形器6的第一端口29相连，从第一光分束器2的第二输出端25输出的激光信号作为泵浦光信号，注入到第二光环形器6的第一端口29，并从第二光环形器6的第二端口30输出；从第二光环形器6的第二端口30输出的光信号注入到第一高非线性光纤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二光环形器6的第二端口30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；
所述第二光环形器6的第三端口31经第一可调光延时线7与第二光分束器8输入端相连，光信号被第二光分束器8分为两路；第二光分束器8的第一光输出端32经第一偏振控制器10与偏振合束器12的第一光输入端34相连；第二光分束器8的第二光输出端33经第一单模光纤9、第二偏振控制器11与偏振合束器12的第二光输入端35相连，被第二光分束器8分为两路的光信号在偏振合束器12中耦合；偏振合束器12的输出端与第三光分束器13的光输入端相连，第三光分束器13的第一光输出端36与第一光环形器4的第一端口26相连；第三光分束器13的第二光输出端37经第一光滤波器14与第一光耦合器22的第一光输入端38相连；
所述第二激光器15的输出端与第二半导体光放大器16的输入端相连，第二半导体光放大器16的输出端与第三光环形器17的第二端口41相连；由第二激光器15发出的可调单频激光信号作为载波，注入到第二半导体光放大器16的光输入端；经第二半导体光放大器16放大后，光信号注入到第三光环形器17的第二端口41，并从第三光环形器17的第三端口42输出；第三光环形器17的第三端口42经第二高非线性光纤18后与第四光环形器19的第二端口44相连；从第三光环形器17的第三端口42输出的光信号经第二高非线性光纤18传输后，光信号到达第四光环形器19的第二端口44，并从第四光环形器19的第三端口45输出；
所述第三激光器23的输出端与第四光环形器19的第一端口43相连，从第三激光器23发出的可调单频激光信号作为泵浦光信号，注入到第四光环形器19的第一端口43，并从第四光环形器19的第二端口44输出；从第四光环形器19的第二端口44输出的光信号注入到第二高非线性光纤18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四光环形器19的第二端口44后与第二激光器15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；
所述第四光环形器19的第三端口45经第二可调光延时线20与第四光分束器21相连，经第二可调光延时线20延时后，光信号被第四光分束器21分为两路；第四光分束器21的第一光输出端46与第一光耦合器22的第二光输入端39相连，第一光耦合器22的光输出端与第三光环形器17的第一光输入端40相连；从第四光分束器21的第一光输出端46输出的光信号到达第一光耦合器22的第二光输入端39；从第一光耦合器22的光输出端输出的光信号到达第三光环形器17的第一光输入端40；
第三光分束器13的第二光输出端37经第一光滤波器14与第一光耦合器22的第一光输入端38相连，从第三光分束器13的第二光输出端37输出的光信号经第一光滤波器14滤波后注入到第一光耦合器22的第一光输入端38；第一光耦合器22的光输出端与第三光环形器17的第一光输入端40相连；从第一光耦合器22的光输出端输出的光信号到达第三光环形器17的第一光输入端40；所述第四光分束器21的第二光输出端47输出的光信号作为系统振荡输出的双波长光信号，经光电探测器转换为低相噪的微波甚至太赫兹信号；
第一激光器1、第一光分束器2、第一半导体光放大器3、第一光环形器4、第一高非线性光纤5、第二光环形器6、第一可调光延时线7、第三光分束器13、第一单模光纤9、第一偏振控制器10、第二偏振控制器11、第一偏振合束器12、第三光分束器13构成第一个全光振荡环路；第二激光器15、第二半导体光放大器16、第三光环形器17、第二高非线性光纤18、第四光环形器19、第二可调光延时线20、第四光分束器21、第一光耦合器22通过光纤顺次相连，构成第二个全光振荡环路。
实施例2
本实施例提供一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器的振荡方法，包括以下步骤：
S1，假设第一激光器1、第二激光器15、第三激光器23的光频率分别为ω1、ω2、ω3，ω1≈ω3＞ω2，并且ω1-ω2＝Δω，它们输出光信号的光谱示意图分别如图2、图3所示。在第一个全光振荡环路中，第一激光器1既作为振荡环路的激光载波信号，为环路振荡提供能量；也作为泵浦光源，在环路中激发红移频率为vB、带宽为BWSBS的受激布里渊散射信号。
S2，当第一个全光振荡环路处于闭合状态时，得益于第一半导体光放大器3的交叉增益调制效应，振荡环路在光域产生信号调制，并产生振荡模式。受激布里渊散射信号从一系列振荡模式中选择位于受激布里渊散射信号带宽内的模式并进行放大。由布里渊散射信号选频后，根据Vernier效应，由第二光分束器、第一单模光纤、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一偏振合束器构成的双环结构保证选择的位于受激布里渊散射信号带宽内的模式能够单模振荡。如上所述的第一个全光振荡环路实现单模起振后，由于受激布里渊散射只对第一半导体光放大器3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，从第三光分束器13输出的光信号是包含频率为ω1、ω1-vB+δυ0的单边带调制信号，其光谱示意图如图4(a)所示，其中δυ0表示选择的位于受激布里渊散射信号带宽内的模式频率与受激布里渊散射中心频率之间的频率偏差。经第一光滤波器14滤波后，只有频率为ω1-vB+δv0的光信号从第一光滤波器14输出，其光谱示意图如图4(b)所示。
在第二个全光振荡环路中，第二激光器15作为振荡环路的激光载波信号，为环路振荡提供能量；第三激光器23作为泵浦光源，在环路中激发红移频率为vB、带宽为BWSBS的受激布里渊散射信号。
S3，当第二个全光振荡环路处于闭合状态时，得益于第二半导体光放大器16的交叉增益调制效应，振荡环路在光域产生信号调制，并产生振荡模式。受激布里渊散射信号从一系列振荡模式中选择位于受激布里渊散射信号带宽内的模式并进行放大。由布里渊散射信号选频后，由于第一激光器1在第一个全光振荡环路中产生的受激布里渊散射信号的中心频率与第三激光器23在第二个全光振荡环路中产生的受激布里渊散射信号的中心频率相同，从第一光耦合器22注入频率为ω1-vB+δυ0的光信号与第二个全光振荡环路中被选择的振荡模式处于锁定带宽内。从而，从第一光耦合器22注入频率为ω1-νB+δv0的光信号对第二个全光振荡环路实现光注入锁定。锁定后，第二个全光振荡环路实现单模振荡，输出相干的双波长光信号。
通过调节第二激光器15或者同步调节第一激光器1和第三激光器23的频率可以实现双波长光信号的频率调谐。当使用光电探测器或者单行载流子光电二极管对双波长光信号进行光电转换后，即可得到频谱纯净的微波甚至太赫兹信号。
实施例3
参照图5，一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器，本实施例2与图1所示实施例1的工作原理相同，区别在于使用第五光分束器50将第一激光器1输出的激光信号引入到第二个全光振荡环路中，并激发受激布里渊散射信号，无需使用第三个激光器，精简了系统结构，节省了系统成本，也使得该系统更易于实现。
一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器，包括第一激光器1、第一光分束器2、第二光分束器3、第一半导体光放大器3、第一光环形器4、第一高非线性光纤5、第二光环形器6、第一可调光延时线7、第三光分束器13、第一单模光纤9、第一偏振控制器10、第二偏振控制器11、第一偏振合束器12、第四光分束器21、第一光滤波器14、第二激光器15、第二半导体光放大器16、第三光环形器17、第二高非线性光纤18、第四光环形器19、第二可调光延时线20、第四光分束器21、第一光耦合器22；
第一激光器1、第一光分束器2、第一半导体光放大器3、第一光环形器4、第一高非线性光纤5、第二光环形器6、第一可调光延时线7、第三光分束器13、第一单模光纤9、第一偏振控制器10、第二偏振控制器11、第一偏振合束器12、第四光分束器21通过光纤顺次相连，构成第一个全光振荡环路；第一激光器1、第一光分束器2、第二光分束器3、第二光环形器7通过光纤顺次相连，为第一个全光振荡环路提供激发受激布里渊散射所需的泵浦光信号；第二激光器15、第二半导体光放大器16、第三光环形器17、第二高非线性光纤18、第四光环形器19、第二可调光延时线20、第四光分束器21、第一光耦合器22通过光纤顺次相连，构成第二个全光振荡环路；第一激光器1、第一光分束器2、第二光分束器8、第四光环形器19通过光纤相连，为第二个全光振荡环路提供激发受激布里渊散射所需的泵浦光信号；第三光分束器13、第一光滤波器14、第一光耦合器22通过光纤顺次相连，将第一个全光振荡环路产生的振荡光信号注入到第二个全光振荡环路中。
本发明基于光注入锁定的级联式全光振荡技术，使用两个级联的全光振荡环路，并且将第一个全光振荡环路产生的振荡光信号注入到第二个全光振荡环路。由于两个全光振荡环路使用中心频率相同的受激布里渊散射信号进行选频，第一个全光振荡环路产生的振荡光信号能够容易地对第二个全光振荡环路进行锁定，从而保证基于光光信号调制的振荡器能够在较高频时容易实现单模振荡，并且产生的双波长光信号的频率间隔可调，简化了基于光光信号调制的振荡器的实现难度。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器，其特征在于：包括第一激光器(1)、第一光分束器(2)、第一半导体光放大器(3)、第一光环形器(4)、第一高非线性光纤(5)、第二光环形器(6)、第一可调光延时线(7)、第二光分束器(8)、第一单模光纤(9)、第一偏振控制器(10)、第二偏振控制器(11)、第一偏振合束器(12)、第三光分束器(13)、第一光滤波器(14)、第二激光器(15)、第二半导体光放大器(16)、第三光环形器(17)、第二高非线性光纤(18)、第四光环形器(19)、第二可调光延时线(20)、第四光分束器(21)、第一光耦合器(22)、第三激光器(23)、第二激光器(15)和第三激光器(23)；
所述第一激光器(1)的输出端与第一光分束器(2)的输入端相连，所述第一光分束器(2)的第一输出端(24)与第一半导体光放大器(3)的输入端相连；第一半导体光放大器(3)的输出端与第一光环形器(4)的第二端口(27)相连，第一光环形器(4)的第三端口(28)经第一高非线性光纤(5)与第二光环形器(6)的第二端口(30)相连；由第一激光器(1)发出的可调单频激光信号经第一光分束器(2)分为两路，从第一光分束器(2)的第一输出端(24)输出的激光信号作为载波，注入到第一半导体光放大器(3)的光输入端，经第一半导体光放大器(3)放大后，光信号注入到第一光环形器(4)的第二端口(27)；从第一光环形器(4)的第三端口(28)输出的光信号经第一高非线性光纤(5)传输后，光信号到达第二光环形器(6)的第二端口(30)；
所述第一光分束器(2)的第二输出端(25)与第二光环形器(6)的第一端口(29)相连，从第一光分束器(2)的第二输出端(25)输出的激光信号作为泵浦光信号，注入到第二光环形器(6)的第一端口(29)，并从第二光环形器(6)的第二端口(30)输出；从第二光环形器(6)的第二端口(30)输出的光信号注入到第一高非线性光纤(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二光环形器(6)的第二端口(30)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；
所述第二光环形器(6)的第三端口(31)经第一可调光延时线(7)与第二光分束器(8)输入端相连，光信号被第二光分束器(8)分为两路；第二光分束器(8)的第一光输出端(32)经第一偏振控制器(10)与偏振合束器(12)的第一光输入端(34)相连；第二光分束器(8)的第二光输出端(33)经第一单模光纤(9)、第二偏振控制器(11)与偏振合束器(12)的第二光输入端(35)相连，被第二光分束器(8)分为两路的光信号在偏振合束器(12)中耦合；偏振合束器(12)的输出端与第三光分束器(13)的光输入端相连，第三光分束器(13)的第一光输出端(36)与第一光环形器(4)的第一端口(26)相连；第三光分束器(13)的第二光输出端(37)经第一光滤波器(14)与第一光耦合器(22)的第一光输入端(38)相连；
所述第二激光器(15)的输出端与第二半导体光放大器(16)的输入端相连，第二半导体光放大器(16)的输出端与第三光环形器(17)的第二端口(41)相连；由第二激光器(15)发出的可调单频激光信号作为载波，注入到第二半导体光放大器(16)的光输入端；经第二半导体光放大器(16)放大后，光信号注入到第三光环形器(17)的第二端口(41)，并从第三光环形器(17)的第三端口(42)输出；第三光环形器(17)的第三端口(42)经第二高非线性光纤(18)后与第四光环形器(19)的第二端口(44)相连；从第三光环形器(17)的第三端口(42)输出的光信号经第二高非线性光纤(18)传输后，光信号到达第四光环形器(19)的第二端口(44)，并从第四光环形器(19)的第三端口(45)输出；
所述第三激光器(23)的输出端与第四光环形器(19)的第一端口(43)相连，从第三激光器(23)发出的可调单频激光信号作为泵浦光信号，注入到第四光环形器(19)的第一端口(43)，并从第四光环形器(19)的第二端口(44)输出；从第四光环形器(19)的第二端口(44)输出的光信号注入到第二高非线性光纤(18)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四光环形器(19)的第二端口(44)后与第二激光器(15)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；
所述第四光环形器(19)的第三端口(45)经第二可调光延时线(20)与第四光分束器(21)相连，经第二可调光延时线(20)延时后，光信号被第四光分束器(21)分为两路；第四光分束器(21)的第一光输出端(46)与第一光耦合器(22)的第二光输入端(39)相连，第一光耦合器(22)的光输出端与第三光环形器(17)的第一光输入端(40)相连；从第四光分束器(21)的第一光输出端(46)输出的光信号到达第一光耦合器(22)的第二光输入端(39)；从第一光耦合器(22)的光输出端输出的光信号到达第三光环形器(17)的第一光输入端(40)；
第三光分束器(13)的第二光输出端(37)经第一光滤波器(14)与第一光耦合器(22)的第一光输入端(38)相连，从第三光分束器(13)的第二光输出端(37)输出的光信号经第一光滤波器(14)滤波后注入到第一光耦合器(22)的第一光输入端(38)；第一光耦合器(22)的光输出端与第三光环形器(17)的第一光输入端(40)相连；从第一光耦合器(22)的光输出端输出的光信号到达第三光环形器(17)的第一光输入端(40)；所述第四光分束器(21)的第二光输出端(47)输出的光信号作为系统振荡输出的双波长光信号，经光电探测器转换为低相噪的微波甚至太赫兹信号；
第一激光器(1)、第一光分束器(2)、第一半导体光放大器(3)、第一光环形器(4)、第一高非线性光纤(5)、第二光环形器(6)、第一可调光延时线(7)、第三光分束器(13)、第一单模光纤(9)、第一偏振控制器(10)、第二偏振控制器(11)、第一偏振合束器(12)、第三光分束器(13)构成第一个全光振荡环路；第二激光器(15)、第二半导体光放大器(16)、第三光环形器(17)、第二高非线性光纤(18)、第四光环形器(19)、第二可调光延时线(20)、第四光分束器(21)、第一光耦合器(22)通过光纤顺次相连，构成第二个全光振荡环路。
2.如权利要求1所述的一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器，其特征在于：采用全光振荡环路产生双波长光信号。
3.如权利要求1所述的一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器，其特征在于：采用两个级联的全光振荡环路，并将第一个振荡环路产生的振荡信号注入到第二个全光振荡环路中，通过注入锁定，使第二个振荡环路产生单模振荡光信号。
4.如权利要求1所述的一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器，其特征在于：第一激光器(1)在第一个全光振荡环路中产生的受激布里渊散射信号的中心频率与第三激光器(23)在第二个全光振荡环路中产生的受激布里渊散射信号的中心频率相同。
5.如权利要求1所述的一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器，其特征在于：通过调节第二激光器(15)或者同步调节第一激光器(1)和第三激光器(23)的频率实现双波长光信号的频率调谐。
6.如权利要求1所述的一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器，其特征在于：使用光电探测器将产生的双波长光信号拍频后，得到频率可调谐的、低相噪的微波甚至太赫兹信号。
7.如权利要求1所述的一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器，其特征在于：采用第五光分束器(50)代替第三激光器(23)，将第五光分束器(50)设置在第一光分束器(2)的第二输出端(25)与第二光环形器(6)的第一端口(29)之间；
即第一光分束器(2)的第二输出端(25)与第五光分束器(50)的输入端相连，第五光分束器(50)的第一光输出端(48)与第二光环形器(6)的第一端口(29)相连；第五光分束器(50)的第二光输出端(49)与第四光环形器(19)的第一端口(43)相连。
8.基于权利要求1-6任意一项所述的一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器的振荡方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，设第一激光器、第二激光器、第三激光器的光频率分别为ω1、ω2、ω3，ω1≈ω3＞ω2，并且ω1-ω2＝Δω；在第一个全光振荡环路中，第一激光器既作为振荡环路的激光载波信号，为环路振荡提供能量；也作为泵浦光源，在环路中激发红移频率为νB、带宽为BWSBS的受激布里渊散射信号；在第二个全光振荡环路中，第二激光器作为振荡环路的激光载波信号，为环路振荡提供能量；第三激光器作为泵浦光源，在环路中激发红移频率为νB、带宽为BWSBS的受激布里渊散射信号；
S2，当第一个全光振荡环路处于闭合状态时，得益于第一半导体光放大器3的交叉增益调制效应，振荡环路在光域产生信号调制，并产生振荡模式；受激布里渊散射信号从一系列振荡模式中选择位于受激布里渊散射信号带宽内的模式并进行放大；由布里渊散射信号选频后，根据Vernier效应，由第二光分束器、第一单模光纤、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一偏振合束器构成的双环结构保证选择的位于受激布里渊散射信号带宽内的模式能够单模振荡；
S3，当第二个全光振荡环路处于闭合状态时，得益于第二半导体光放大器的交叉增益调制效应，振荡环路在光域产生信号调制，并产生振荡模式；受激布里渊散射信号从一系列振荡模式中选择位于受激布里渊散射信号带宽内的模式并进行放大；由布里渊散射信号选频后，由于第一激光器在第一个全光振荡环路中产生的受激布里渊散射信号的中心频率与第三激光器在第二个全光振荡环路中产生的受激布里渊散射信号的中心频率相同，从第一光耦合器注入频率为ω1-vB+δυ0的光信号与第二个全光振荡环路中被选择的振荡模式处于锁定带宽内；从而，从第一光耦合器注入频率为ω1-vB+δυ0的光信号对第二个全光振荡环路实现光注入锁定；锁定后，第二个全光振荡环路实现单模振荡，输出相干的双波长光信号。
9.如权利要求8所述的振荡方法，其特征在于：所述步骤S2中，第一个全光振荡环路实现单模起振后，由于受激布里渊散射只对第一半导体光放大器3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，从第三光分束器13输出的光信号是包含频率为ω1、ω1-vB+δυ0的单边带调制信号，其中δυ0表示选择的位于受激布里渊散射信号带宽内的模式频率与受激布里渊散射中心频率之间的频率偏差；经第一光滤波器14滤波后，只有频率为ω1-νB+δv0的光信号从第一光滤波器14输出。
10.如权利要求8所述的振荡方法，其特征在于：将第一个全光振荡环路以及第二个全光振荡环路产生的振荡信号都输出，可以得到两个具有不同频率间隔的双波长光信号。
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