CN116667111B - 一种基于光注入的分频振荡器及振荡方法 - Google Patents

一种基于光注入的分频振荡器及振荡方法 Download PDF

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Abstract

一种基于光注入的分频振荡器，包括第一激光器、第一半导体光放大器、第一光环形器、第一单模光纤环、第一可调光延时线、第一光分束器、第一光耦合器、第二激光器。第一激光器、第一半导体光放大器、第一光环形器、第一单模光纤环、第一可调光延时线、第一光分束器、第一光耦合器通过光纤顺次相连；第二激光器与第一光耦合器通过光纤相连。本发明还提供一种基于光注入的分频振荡器的振荡方法。本发明通过向振荡环路中注入外部单频激光信号，即可实现微波/毫米波信号的高质量发生，且系统结构简单，易于实现。

Description

一种基于光注入的分频振荡器及振荡方法
技术领域
本发明涉及微波/毫米波信号发生领域，一种基于光注入的分频振荡器及振荡方法。
背景技术
高质量的微波/毫米波信号对雷达、通信等应用具有重要意义，不仅可以提升系统的分辨率，还可以提升系统的通信容量。
目前，常用的系统级光电产生微波/毫米波信号的方法主要有三大类：第一类是光外差法，即使用两个不同波长的激光信号进行拍频，获得微波/毫米波信号，该方法通常需要使用光锁相环或者Pound–Drever–Hall(PDH)锁定结构对两个波长的光信号进行锁定，使得系统结构极其复杂；第二类是光电振荡器，光电振荡器作为一种微波信号发生装置，被广泛用于产生低相噪、可调谐的微波/毫米波信号，目前基于该方法的系统结构需要使用电学的或者光学的滤波器进行选模，使得系统的结构复杂且频率调谐性能较差，或者外部注入一个电信号源，在无需使用任何电学或者光学滤波器的情况下产生单模振荡信号，但是该方法对外部注入电信号源的信号质量要求高，增加了系统的实现难度和成本。第三类是全光振荡器，使用光电探测器将振荡产生的光信号转换为电信号，可以获得低相噪的微波/毫米波信号，但是该方法需要在振荡环路中构建微波光子滤波器，使得系统复杂度高。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种基于光注入的分频振荡器及振荡方法。
本发明的第一个方面提供一种基于光注入的分频振荡器，包括第一激光器、第一半导体光放大器、第一光环形器、第一单模光纤环、第一可调光延时线、第一光分束器、第一光耦合器、第二激光器；
所述第一激光器的输出端与第一半导体光放大器的输入端相连，由第一激光器发出的可调单频光信号作为光载波，注入到第一半导体光放大器的光输入端，经第一半导体光放大器放大；
第一半导体光放大器的输出端与第一光环形器的第二端口相连，第一光环形器的第三端口经第一单模光纤环和第一可调光延时线后与第一光分束器的光输入端连接；光信号注入到第一光环形器的第二端口，并从其第三端口输出；从第一光环形器的第三端口输出的光信号经第一单模光纤环以及第一可调光延时线传输后，到达第一光分束器的光输入端，并被第一光分束器分为两路；从第一光分束器的第二光输出端输出的光信号作为环路的振荡信号输出；
第一光分束器的第一光输出端与第一光耦合器的第一光输入端相连，第一光耦合器的第二光输入端与第二激光器的输出端相连；第一光耦合器的光输出端与第一光环形器的第一端口相连；到达第一光耦合器的第一光输入端的光信号与从第二激光器输入到第一光耦合器的第二光输入端的光信号耦合，然后反馈输入到第一光环形器的第一端口。
进一步，采用全光振荡器产生低噪声的双波长光信号。
进一步，由第一激光器、第一半导体光放大器、第一光环形器、第一单模光纤环、第一可调光延时线、第一光分束器、第一光耦合器构成的全光振荡环路无需使用任何电学或者光学滤波器即可实现单模振荡。
进一步，通过调节第一激光器或者第二激光器的频率均能实现振荡信号的频率调谐。
进一步，使用光电探测器将振荡产生的双波长光信号转换为电信号，获得低相噪、频率可调谐的微波信号。
本发明的第二个方面提供一种基于光注入的分频振荡器的分频振荡方法，包括以下步骤：
S1：设第一激光器、第二激光器的光频率分别为ω1、ω2，ω1＜ω2，并且ω2-ω1＝Δω；在全光振荡环路中，第一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；
S2：当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；同时，得益于第一半导体光放大器的高增益特性，环路中的振荡模式的功率被放大；
S3：假设振荡光信号的频率为ωosc，由于第一半导体光放大器的交叉增益调制效应，振荡光信号与第二激光器输出的激光信号之间的差频信号被调制到第一激光器上；同时，振荡光信号与第一激光器输出的激光信号之间的差频信号也被调制到第一激光器上；为了构成稳定振荡，振荡光信号、第二激光器输出的激光信号、第一激光器输出的激光信号的频率满足如下关系：
|ω2-ωosc|＝|ωosc-ω1|(1)
将上式两边去掉绝对值后，得到：
ωosc＝(ω1+ω2)/2(2)
即稳定振荡产生的光信号频率位于两个激光器的频率的中间位置，并且其与第一激光器的频率之间的间隔等于两个激光器的频率间隔的一半。
进一步，第一半导体光放大器的反向反射光信号较弱，并且只有位于两个激光器的频率的中间位置并且满足相位条件的振荡光信号模式实现单模振荡，从第一光分束器的第二光输出端输出的光信号为双波长光信号。
进一步，基于另一种形式光注入的分频振荡器，将第一半导体光放大器替换为电光调制器，并使用第一光电探测器将第一光耦合器的输出端输出的光信号转换为电信号，使用第一电放大器对转换得到的电信号的功率进行放大；
所述的第一激光器的输出端与第一电光调制器的光输入端相连，第一电光调制器的输出端经过第一单模光纤环、第一可调光延时线后与第一光分束器的输入端相连；第一光分束器的第一光输出端与第一光耦合器的第一光输入端相连，第一光分束器的第二光输出端输出振荡产生的双波长光信号；
第二激光器的输出端与第一光耦合器的第二光输入端相连；第一光耦合器的光输出端与第一光电探测器的光输入端相连；第一光电探测器的电输出端与第一电放大器的电输入端相连；第一电放大器的电输出端与第一电光调制器的电输入端相连。
进一步，在由第一激光器、第一电光调制器、第一单模光纤环、第一可调光延时线、第一光分束器、第一光耦合器、第一光电探测器、第一电放大器构成的光电振荡环路中，通过光注入，无需任何电学或者光学滤波器即可实现单模信号振荡。
进一步，基于另一种形式光注入的分频振荡器的分频振荡方法，包括以下步骤：
S1：设第一激光器、第二激光器的光频率分别为ω1、ω2，ω1＜ω2，并且ω2-ω1＝Δω；在振荡环路中，第一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；
S2：当全光振荡环路处于闭合状态时，环路产生振荡模式；同时，得益于第一电放大器的功率放大作用，环路中振荡模式的功率被放大；
S3：假设振荡电信号的频率为ωosc-e，由于第一电光调制器的电光调制作用，振荡电信号被调制到第一激光器上；考虑调制信号的一阶边带，上下一阶调制边带的光信号频率分别为ω1+ωosc-e、ω1-ωosc-e；为了构成稳定振荡，调制边带光信号、第二激光器输出的激光信号、第一激光器输出的激光信号的频率满足如下关系：
|ω2-(ω1+ωosc-e)|＝ωosc-e(3)
将上式两边去掉绝对值后，得到：
ωosc-e＝(ω2-ω1)/2(4)
即稳定振荡产生的电信号频率等于第一激光器和第二激光器输出的激光信号频率间隔的一半。
本发明的有益效果是：采用全光振荡环路或者光电振荡环路，利用光注入技术，无需使用任何电学或者光学滤波器，能够振荡产生低相噪、频率可调谐的微波/毫米波信号。此外，全光振荡环路的方法可以振荡产生高相干的双波长光信号，将其用于光通信系统可以提升通信信号质量和通信容量。该发明具有低成本、易实现等特点，能够推动微波/毫米波技术以及光通信技术的发展。
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)输出的信号的光谱示意图；
图3是从第二激光器(8)输出的信号的光谱示意图；
图4是从第一光耦合器(7)的输出端输出的信号的光谱示意图；
图5是本发明实施例3的结构示意图。
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
如图1所示，一种基于光注入的分频振荡器，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、第一单模光纤环4、第一可调光延时线5、第一光分束器6、第一光耦合器7、第二激光器8；
所述第一激光器1的输出端与第一半导体光放大器2的输入端相连，由第一激光器1发出的可调单频光信号作为光载波，注入到第一半导体光放大器2的光输入端，经第一半导体光放大器2放大；
第一半导体光放大器2的输出端与第一光环形器3的第二端口10相连，第一光环形器3的第三端口11经第一单模光纤环4和第一可调光延时线5后与第一光分束器6的光输入端连接；光信号注入到第一光环形器3的第二端口10，并从其第三端口11输出；从第一光环形器3的第三端口11输出的光信号经第一单模光纤环4以及第一可调光延时线5传输后，到达第一光分束器6的光输入端，并被第一光分束器6分为两路；从第一光分束器6的第二光输出端13输出的光信号作为环路的振荡信号输出；
第一光分束器6的第一光输出端12与第一光耦合器7的第一光输入端14相连，第一光耦合器7的第二光输入端15与第二激光器8的输出端相连；第一光耦合器7的光输出端与第一光环形器3的第一端口9相连；到达第一光耦合器7的第一光输入端14的光信号与从第二激光器8输入到第一光耦合器7的第二光输入端15的光信号耦合，然后反馈输入到第一光环形器3的第一端口9。
实施例2
基于实施例1提供的一种基于光注入的分频振荡器的振荡方法，包括以下步骤：
S1：设第一激光器、第二激光器的光频率分别为ω1、ω2，ω1＜ω2，并且ω2-ω1＝Δω；在全光振荡环路中，第一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。
S2：当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2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；同时，得益于第一半导体光放大器2的高增益特性，环路中的振荡模式的功率被放大。
S3：假设振荡光信号的频率为ωosc，由于第一半导体光放大器2的交叉增益调制效应，振荡光信号与第二激光器8输出的激光信号之间的差频信号被调制到第一激光器1上；同时，振荡光信号与第一激光器1输出的激光信号之间的差频信号也被调制到第一激光器1上。为了构成稳定振荡，振荡光信号、第二激光器8输出的激光信号、第一激光器1输出的激光信号的频率满足如下关系：
|ω2-ωosc|＝|ωosc-ω1|(1)
将上式两边去掉绝对值后，得到：
ωosc＝(ω1+ω2)/2(2)
即稳定振荡产生的光信号频率位于两个激光器的频率的中间位置，并且其与第一激光器1的频率之间的间隔等于两个激光器的频率间隔的一半。
实施例3
作为本发明的另一个实施例，如图5所示，与实施例1的不同之处在于：将第一半导体光放大器2替换为电光调制器16，并使用第一光电探测器17将第一光耦合器7的输出端输出的光信号转换为电信号，使用第一电放大器18对转换得到的电信号的功率进行放大；
即：第一激光器1的输出端与第一电光调制器16的光输入端相连，第一电光调制器16的输出端经过第一单模光纤环4、第一可调光延时线5后与第一光分束器6的输入端相连；第一光分束器6的第一光输出端12与第一光耦合器7的第一光输入端14相连，第一光分束器6的第二光输出端13输出振荡产生的双波长光信号；
第二激光器8的输出端与第一光耦合器7的第二光输入端15相连；第一光耦合器7的光输出端与第一光电探测器17的光输入端相连；第一光电探测器17的电输出端与第一电放大器18的电输入端相连；第一电放大器18的电输出端与第一电光调制器16的电输入端相连。
实施例4
基于实施例3提供的一种基于光注入的分频振荡器的振荡方法，包括以下步骤：
S1：设第一激光器、第二激光器的光频率分别为ω1、ω2，ω1＜ω2，并且ω2-ω1＝Δω；在振荡环路中，第一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。
S2：当全光振荡环路处于闭合状态时，环路产生振荡模式；同时，得益于第一电放大器18的功率放大作用，环路中振荡模式的功率被放大；
S3：假设振荡电信号的频率为ωosc-e，由于第一电光调制器16的电光调制作用，振荡电信号被调制到第一激光器1上。不失一般性，此处仅考虑调制信号的一阶边带，上下一阶调制边带的光信号频率分别为ω1+ωosc-e、ω1-ωosc-e。为了构成稳定振荡，调制边带光信号、第二激光器8输出的激光信号、第一激光器1输出的激光信号的频率满足如下关系：
|ω2-(ω1+ωosc-e)|＝ωosc-e(3)
将上式两边去掉绝对值后，得到：
ωosc-e＝(ω2-ω1)/2(4)
即稳定振荡产生的电信号频率等于第一激光器1和第二激光器8输出的激光信号频率间隔的一半。
实施例3、4与图1所示实施例1、2的工作原理相同，区别在于将第一半导体光放大器2替换为电光调制器16，并使用第一光电探测器17将第一光耦合器7的输出端输出的光信号转换为电信号，使用第一电放大器18对转换得到的电信号的功率进行放大，将第二激光器输出的激光信号注入到光电振荡环路中，利用光电振荡环路产生频率等于两个激光器频率间隔一半的电信号。
本发明不需要使用任何电学或者光学滤波器，能够振荡产生相干的双波长光信号，并且使用光电探测器将产生的双波长光信号转换为电信号，可以获得低相噪、频率可调谐的微波信号。本发明使用全光振荡环路或者光电振荡环路，振荡产生的双波长光信号之间的频率间隔等于第一激光器和第二激光器输出激光信号频率间隔的一半；本发明结构简单，具有低成本、易实现等特点，可以为通信、雷达等应用提供高质量的微波/毫米波信号，以及为光通信应用提供高相干、低噪声的双波长信号发生方案。本发明采用全光振荡环路或者光电振荡环路，利用光注入技术，无需使用任何电学或者光学滤波器，能够振荡产生低相噪、频率可调谐的微波/毫米波信号。该发明具有低成本、易实现等特点，简化了基于振荡环路系统产生高质量微波/毫米波信号的结构和实现难度。
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 (9)

1.一种基于光注入的分频振荡器，其特征在于：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）、第一单模光纤环（4）、第一可调光延时线（5）、第一光分束器（6）、第一光耦合器（7）、第二激光器（8）；
所述第一激光器（1）的输出端与第一半导体光放大器（2）的输入端相连，由第一激光器（1）发出的可调单频光信号作为光载波，注入到第一半导体光放大器（2）的光输入端，经第一半导体光放大器（2）放大；
第一半导体光放大器（2）的输出端与第一光环形器（3）的第二端口（10）相连，第一光环形器（3）的第三端口（11）经第一单模光纤环（4）和第一可调光延时线（5）后与第一光分束器（6）的光输入端连接；光信号注入到第一光环形器（3）的第二端口（10），并从其第三端口（11）输出；从第一光环形器（3）的第三端口（11）输出的光信号经第一单模光纤环（4）以及第一可调光延时线（5）传输后，到达第一光分束器（6）的光输入端，并被第一光分束器（6）分为两路；从第一光分束器（6）的第二光输出端（13）输出的光信号作为环路的振荡信号输出；
第一光分束器（6）的第一光输出端（12）与第一光耦合器（7）的第一光输入端（14）相连，第一光耦合器（7）的第二光输入端（15）与第二激光器（8）的输出端相连；第一光耦合器（7）的光输出端与第一光环形器（3）的第一端口（9）相连；到达第一光耦合器（7）的第一光输入端（14）的光信号与从第二激光器（8）输入到第一光耦合器（7）的第二光输入端（15）的光信号耦合，然后反馈输入到第一光环形器（3）的第一端口（9）。
2.如权利要求1所述的一种基于光注入的分频振荡器，其特征在于：该分频振荡器产生低噪声的双波长光信号，双波长光信号由第一激光器（1）发出的可调单频光信号和稳定振荡产生的光信号组成。
3.如权利要求1所述的一种基于光注入的分频振荡器，其特征在于：由第一激光器、第一半导体光放大器、第一光环形器、第一单模光纤环、第一可调光延时线、第一光分束器、第一光耦合器构成的全光振荡环路无需使用任何电学或者光学滤波器即可实现单模振荡。
4.如权利要求1所述的一种基于光注入的分频振荡器，其特征在于：通过调节第一激光器（1）或者第二激光器（8）的频率均能实现振荡信号的频率调谐。
5.基于权利要求2-4中任意一项所述的一种基于光注入的分频振荡器的分频振荡方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设第一激光器、第二激光器的光频率分别为、/>，/>，并且；在全光振荡环路中，第一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；
S2：当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；同时，得益于第一半导体光放大器的高增益特性，环路中的振荡模式的功率被放大；
S3：假设振荡光信号的频率为，由于第一半导体光放大器的交叉增益调制效应，振荡光信号与第二激光器输出的激光信号之间的差频信号被调制到第一激光器上；同时，振荡光信号与第一激光器输出的激光信号之间的差频信号也被调制到第一激光器上；为了构成稳定振荡，振荡光信号、第二激光器输出的激光信号、第一激光器输出的激光信号的频率满足如下关系：
（1）
将上式两边去掉绝对值后，得到：
（2）
即稳定振荡产生的光信号频率位于两个激光器的频率的中间位置，并且其与第一激光器的频率之间的间隔等于两个激光器的频率间隔的一半。
6.如权利要求5所述的振荡方法，其特征在于：第一半导体光放大器的反向反射光信号较弱，并且只有位于两个激光器的频率的中间位置并且满足相位条件的振荡光信号模式实现单模振荡，从第一光分束器的第二光输出端输出的光信号为由第一激光器（1）发出的可调单频光信号和振荡产生的频率位于两个激光器的频率的中间位置的光信号组成的双波长光信号。
7.如权利要求1所述的一种基于光注入的分频振荡器，其特征在于：将第一半导体光放大器（2）替换为电光调制器（16），并使用第一光电探测器（17）将第一光耦合器（7）的输出端输出的光信号转换为电信号，使用第一电放大器（18）对转换得到的电信号的功率进行放大；
即：第一激光器（1）的输出端与第一电光调制器（16）的光输入端相连，第一电光调制器（16）的输出端经过第一单模光纤环（4）、第一可调光延时线（5）后与第一光分束器（6）的输入端相连；第一光分束器（6）的第一光输出端（12）与第一光耦合器（7）的第一光输入端（14）相连，第一光分束器（6）的第二光输出端（13）输出振荡产生的双波长光信号；
第二激光器（8）的输出端与第一光耦合器（7）的第二光输入端（15）相连；第一光耦合器（7）的光输出端与第一光电探测器（17）的光输入端相连；第一光电探测器（17）的电输出端与第一电放大器（18）的电输入端相连；第一电放大器（18）的电输出端与第一电光调制器（16）的电输入端相连。
8.如权利要求7所述的一种基于光注入的分频振荡器，其特征在于：在由第一激光器、第一电光调制器、第一单模光纤环、第一可调光延时线、第一光分束器、第一光耦合器、第一光电探测器、第一电放大器构成的光电振荡环路中，通过光注入，无需任何电学或者光学滤波器即可实现单模信号振荡。
9.基于权利要求7所述的一种基于光注入的分频振荡器的分频振荡方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设第一激光器、第二激光器的光频率分别为、/>，/>，并且；在振荡环路中，第一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；
S2：当全光振荡环路处于闭合状态时，环路产生振荡模式；同时，得益于第一电放大器的功率放大作用，环路中振荡模式的功率被放大；
S3：假设振荡电信号的频率为，由于第一电光调制器的电光调制作用，振荡电信号被调制到第一激光器上；考虑调制信号的一阶边带，上下一阶调制边带的光信号频率分别为/>、/>；为了构成稳定振荡，调制边带光信号、第二激光器输出的激光信号、第一激光器输出的激光信号的频率满足如下关系：
（3）
将上式两边去掉绝对值后，得到：
（4）
即稳定振荡产生的电信号频率等于第一激光器和第二激光器输出的激光信号频率间隔的一半。
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