一种宽调谐光电混合振荡器及微波信号生成方法与流程

本发明涉及一种适用于宽调谐低噪声光电混合振荡的方法及系统。通过利用高非线性光纤中的布里渊散射效应产生的窄带光滤波器，实现光电混合振荡器的选频，属于微波光子学领域。

背景技术：

微波光子学主要研究微波信号与光信号之间的相互作用，与传统的微波系统相比具有体积小、重量轻、成本低、不受电磁干扰、非线性性能好、应用带宽大等优点，在宽带无线通信、雷达系统、电子对抗等领域有深入应用。光电混合振荡技术能够产生极低相位噪声的高频微波信号，是宽带大动态范围微波光子系统中的关键技术之一。

如图1所示为传统的光电混合振荡器的原理图。整个结构由光链路和电链路构成，电光调制器实现将电光调制器驱动端的电信号调制在激光器输出的光载波上，光纤实现大的时延以提高光电混合振荡器的品质因数，光电探测器实现将光信号转换为电信号，电滤波器实现对振荡频率的选择，电放大器保证环路有足够的信号增益。由于电滤波器的中心频率难以实现宽调谐，因而光电混合振荡器的振荡频率无法实现宽调谐。

技术实现要素：

针对现有技术存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种宽调谐光电混合振荡器及微波信号生成方法。本方案适合宽频率调谐低相位噪声微波信号的产生。传统的光电混合振荡器采用电带通滤波器实现振荡频率的选择，难以实现宽调谐。本方案采用相位调制器级连受激布里渊散射效应产生的窄带光滤波器实现振荡模式的选择，通过调节泵浦激光器的波长以及可调光滤波器的带宽可以实现振荡频率的宽范围调谐，调谐范围只受限于光电器件的带宽。利用受激布里渊散射效应的衰减谱进行窄带滤波，没有引入光的自发辐射噪声，同时在整个频率调谐范围内，微波光子滤波器的通带形状不变，带宽在几十MHz量级，可以有效抑制副振荡模式。除此之外，双环结构的引入能有效提高振荡信号的频率稳定性。

本发明的技术方案为：

一种宽调谐光电混合振荡器，其特征在于，包括一信号光源、一泵浦光源、一相位调制器；所述信号光源输出端与所述相位调制器的输入端连接，所述相位调制器的输入端经一非线性光纤与一光环形器的第二端口连接，所述泵浦光源的输出端经一偏振控制器与所述光环 形器的第一端口连接，所述光环形器的第三端口经一光滤波器与一光电转换链路连接，所述光电转换链路一输出端与所述相位调制器的射频驱动端连接，另一输出端作为微波信号输出端；其中，所述泵浦光源的波长大于所述信号光源的波长，且信号光源的频率至少比泵浦光源的频率大f，f为所述非线性光纤的布里渊散射的斯托克斯频移的大小；所述第一端口、第二端口、第三端口为按所述环形器的信号传输方向顺序排列的三个端口；所述光滤波器用于滤除所述非线性光纤中产生的斯托克斯波。

进一步的，所述光电转换链路包括一耦合器，所述光滤波器与所述光耦合器输入端连接，所述光耦合器的两输出端分别经一光电探测器与一第一电耦合器输入端连接，所述第一电耦合器输出端经一噪声放大器和或一功率放大器与一第二电耦合器输入端连接，所述第二电耦合器一输出端与所述相位调制器的射频驱动端连接，另一输出端作为微波信号输出端。

进一步的，所述光耦合器的输出端经一单模光纤与所述光电探测器连接。

进一步的，所述光电转换链路一光电探测器，噪声放大器和功率放大器；所述光滤波器依次经所述光电探测器、一噪声放大器和或一功率放大器与一电耦合器输入端连接，所述电耦合器一输出端与所述相位调制器的射频驱动端连接，另一输出端作为微波信号输出端。

进一步的，所述非线性光纤为高非线性光纤。

进一步的，所述信号光源输出端经一隔离器与所述相位调制器的输入端连接。

一种宽调谐微波信号生成方法，其步骤包括：

1)利用光相位调制器对信号光源输出的光载波进行调制，在光载波附近形成上下对称光边带，对称光边带的幅度相等，相位相差180度；然后将调制之后的光注入到一非线性光纤中；

2)将泵浦激光器输出的偏振保持的连续波激光注入到光环形器的第一端口，经过光环形器的作用之后，泵浦激光从光环形器第二端口输出并相对于信号光源反方向注入到所述非线性光纤中，所述光环形器第三端口经一光滤波器与一光电转换链路连接，所述光电转换链路一输出端与所述相位调制器的射频驱动端连接；

3)调节泵浦光的功率高于所述非线性光纤中受激布里渊散射的阈值，调节所述相位调制器使调制输出光的光边带落在阻带滤波谱的中心，得到一强度调制光；

4)调节泵浦光的波长实现微波信号振荡频率的调节；

其中，所述泵浦光源的波长大于所述信号光源的波长，且信号光源的频率至少比泵浦光源的频率大f，f为所述非线性光纤的受激布里渊散射的斯托克斯频移的大小；所述第一端口、第二端口、第三端口为按所述环形器的信号传输方向顺序排列的三个端口；所述光滤波器用于滤除所述非线性光纤中产生的斯托克斯波。

进一步的，所述光电转换链路包括一耦合器，所述光滤波器与所述光耦合器输入端连接，所述光耦合器的两输出端分别经一光电探测器与一第一电耦合器输入端连接，所述第一电耦合器输出端经一噪声放大器和或一功率放大器与一第二电耦合器输入端连接，所述第二电耦合器一输出端与所述相位调制器的驱动端连接，另一输出端作为微波信号输出端。

进一步的，所述非线性光纤为高非线性光纤。

进一步的，所述信号光源输出端经一隔离器与所述相位调制器的输入端连接。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1.通过调节泵浦激光器的波长和可调滤波器的带宽即可实现振荡频率的调谐，调谐范围只受到电光调制器、光电探测器以及电放大器带宽的限制；

2.调谐步进取决于泵浦激光器频率的调谐步进，以现有可调谐激光器的技术，可以达到MHz量级的频率调谐步进；

3.通过双环结构的配置，使得基于受激布里渊散射的光电混合振荡器的频率稳定性得到提高。

附图说明

图1为传统的光电混合振荡器的原理图；

图2为本发明方案原理图；

图3为本发明方案各节点光谱示意图；其中，

(a)信号激光器输出单一频率连续光的光谱，即A点光谱；

(b)经相位调制器小信号调制之后的光谱，即B点光谱；

(c)相位调制器输出光谱的上边带落在衰减谱中心时的光谱，即C点光谱；

(d)滤除斯托克斯光波之后的光谱，即D点光谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方案进行进一步详细描述。

本发明的方案原理如图2所示。信号激光器的输出单一频率的光经过隔离器并被相位调制器调制之后，在光载波附近形成上下对称光边带，对称光边带的幅度相等，相位相差180度。相位调制之后的光注入到高非线性光纤中。泵浦激光器通过偏振控制器输出偏振保持的连续波激光注入到环形器的1端口。经过环形器的作用之后，泵浦激光从2端口输出并相对于信号激光器反方向注入到高非线性光纤中。反向注入的泵浦光的波长大于信号激光器的波 长，且信号激光器输出光的频率至少比泵浦光的频率大高非线性光纤的斯托克斯频移的频率值。泵浦光的功率高于高非线性光纤中受激布里渊散射的阈值之后，将会在高非线性光纤中发生受激布里渊散射。受激布里渊散射导致斯托克斯光和一个几十MHz带宽的阻带滤波谱的产生。斯托克斯光的频率比泵浦光的频率小，阻带滤波谱的中心频率比泵浦光的频率大。当环路没有形成振荡时，相位调制器的驱动端只存在宽频带的噪声。宽带噪声对信号激光器输出的连续光相位调制之后将会行成围绕在信号光频率附近的宽频带光边带，只有相位调制输出光的光边带落在阻带滤波谱的中心时，将会行成一个强度调制光。强度调制光将在光电探测器中拍出微波电信号通过光环形器的3端口输出。强度调制光经过一个耦合器之后分成两路，一路经过光滤波器将斯托克斯波滤除，另一路送入光谱仪进行观测。滤除斯托克斯波之后的光进入一个耦合器分成两束，两束光分别进入由单模光纤和光电探测器构成的两条链路中。两个光电探测器输出的电信号通过电耦合器合波之后被低噪声放大器和功率放大器放大。放大之后的电信号被反馈回相位调制器的射频驱动端口构成振荡器的闭合回路。调整低噪声放大器和功率放大器的增益使得开环链路(定向耦合器处断开)电信号增益大于1时，闭合环路中将会有信号起振。起振信号的频率等于信号光的频率与衰减谱中心频率之差。通过改变泵浦光的波长，可以实现振荡频率的调谐。振荡频率的调谐范围只受限于环路器件的带宽，理论上可以实现频率的宽调谐。由于环路中不引入额外的自发辐射噪声，从而可以实现振荡信号的低相位噪声。此外，本方案中的宽调谐只需要单环路光纤即可实现，使用双环结构的目的是可以大大改善频率的稳定性。

结构图2中各点的光谱示意图如图3所示。信号激光器输出单一频率连续光的光谱如图3(a)所示。经过相位调制器小信号调制之后的光谱如图3(b)所示，光谱具有上下对称边带，且上下对称边带的相位差为180°。反向泵浦光在高非线性光纤中将产生以泵浦光频率为中心对称的增益谱和衰减谱，当相位调制器输出光谱的上边带落在衰减谱中心时，上边带会发生功率的衰减。此时上下边带在幅度上发生了明显的不对称，如图3(c)所示。为了只保留载波和上下边带，需要一个光滤波器滤除斯托克斯波。滤除斯托克斯光波之后的光谱如图3(d)所示。