一种微波光频梳发生装置的制作方法

1.本实用新型涉及微波光子技术领域，更具体地说，涉及一种微波光频梳发生装置。


背景技术：

2.微波频率源在通信、雷达、导航、精密测量等行业均有应用。目前微波频率源产生大多数通过电子元器件在电子学范围内实现，在频率稳定性、相位噪声等性能方面没有更大的提升空间如毫米波及以上波段等。在光学领域内通过光的大带宽解决低频段的微波段频率问题相对容易，在性能指标上具有很大优势。由光频梳产生微波频率源是一种有效的方法。
3.目前德国menlo公司研制、生产、销售的光频梳设备在世界市场上处于领先地位，但其价格昂贵，极大限制了其应用范围。如专利cn111668690a公开了一种光频梳组件和方法，方法包括为操作光频梳源以产生组成光频梳的激光，将激光引入到公共光路中，并且用来自公共光路的激光播种至少一个分支光路，所述至少一个分支光路包括至少一个光学元件。对于所述至少一个分支光路，确定光频梳组件内的在所述至少一个光学元件上游的参考点处耦合输出的激光和分支光路中提供的在所述至少一个光学元件下游的测量点处耦合输出的激光之间的、所述光频梳的第一频率模式v1的相位差。基于确定的与目标值的相位差的偏差来提供对于来自所述至少一个分支光路的激光的相位校正。该方案中，实施时成本较高，而且技术复杂。采用其它方式产生光频梳，会出现或频梳有限，或频梳不平坦，或频梳噪声较大的问题。


技术实现要素：

4.针对以上现有技术中存在的至少一些问题，本实用新型提供一种微波光频梳发生装置，通过运用微波光子技术，结合基准频率信号的不断叠加、光电隔离产生光频梳，频率相对稳定、噪声相对较小、成本相对较低。
5.一种微波光频梳发生装置，包括：激光光源，用于输出频率为ω0的光载波；基准信号源，用于输出标准射频信号，该射频信号是频率为ω
l
的单音信号，作为产生光频梳的基准频率信号；电光调制器，用于对光载波射频信号进行电光调制，并可输出已调光载波信号；光分路器，用于将输入的光信号分成至少两路的光输出信号；所述激光光源的输出端连接至所述电光调制器的光输入端；所述电光调制器的输出端连接至所述光分路器的输入端；所述光分路器其中至少一路输出端作为反馈光路输出连接至光电转换器的光输入端，至少另一路输出端为光频梳信号输出端；匹配网络单元，所述基准信号源的输出端、光电转换器的输出端通过所述匹配网络单元连接所述电光调制器的射频调制端口。
6.进一步，所述光分路器的光频梳信号输出端通过选频滤波器外接输出。
7.进一步，还包括光学混频器，所述光学混频器的输入端中至少一路接入所述光分路器作为反馈光路的输出端，至少另一路用于接入参考光频梳r-ofc；所述光学混频器的输出端接所述光电转换器的光输入端。
8.进一步，所述的光学混频器为90
°
光学混频器，所述光电转换器为差分光电探测器。
9.进一步，所述基准信号源通过分频器或倍频器电连接匹配网络单元；和/或，所述光电转换器通过分频器或倍频器电连接匹配网络单元。
10.进一步，所述电光调制器和所述光分路器组合形成光频梳发生单元，所述光频梳发生单元包括正系数光频梳发生单元和负系数光频梳发生单元，形成对称结构；所述激光光源通过光分路器连接所述光频梳发生单元。
11.进一步，所述电光调制器和所述光分路器组合形成光频梳发生单元，所述光频梳发生单元包括偏振光频梳发生单元和正交偏振光频梳发生单元，形成偏振正交结构；所述激光光源依次经过偏振控制器、偏振分束器连接所述光频梳发生单元，所述光频梳发生单元中的光分路器输出的反馈光路依次通过偏振控制器、偏振合束器和检偏器与光学混频器连接。
12.进一步，所述光学混频器至少一个信号输入端连接选频滤波器。
13.进一步，所述光电转换器为光电探测器；所述电光调制器和所述光分路器组合形成光频梳发生单元，所述光频梳发生单元包括偏振光频梳发生单元和正交偏振光频梳发生单元，形成偏振正交简化结构；所述激光光源依次经过偏振控制器、偏振分束器连接所述光频梳发生单元，所述光频梳发生单元中的光分路器输出的反馈光路依次连接偏振控制器、偏振合束器和检偏器与光电转换器连接。
14.本实用新型提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：其通过运用微波光子技术，结合基准频率信号的不断叠加可产生的光频梳，频率相对稳定、噪声相对较小、成本较低，而且产生的光频梳梳齿平坦；其中对称结构进一步抑制系统共模噪声；在反馈回路中光电隔离，噪声无积累；结构简单、紧凑，具有广泛的应用价值。
附图说明
15.图1为本实用新型原理示意图；
16.图2为本实用新型中参考频梳原理示意图；
17.图3为本实用新型连接分频器或倍频器原理示意图；
18.图4为本实用新型一种对称结构连接示意图；
19.图5为本实用新型一种偏振正交结构连接示意图；
20.图6为本实用新型一种偏振正交简化结构连接示意图。
21.示意图中的标号说明：
22.1、激光光源；
23.2、电光调制器；
24.21、第一电光调制器；22、第二电光调制器；
25.3、光分路器；
26.31、第一光环行器；32、第二光环行器；33、第三光环行器
27.4、光学混频器；5、光电转换器；6、基准信号源；7、匹配网络单元。
具体实施方式
28.为进一步了解本实用新型的内容，结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。
29.如图1，一种实施例中，提供一种微波光频梳发生装置，包括激光光源1、基准信号源6、电光调制器2、光分路器3，激光光源1输出频率为ω0的光载波，例如常采用窄带激光器，如波长为1550nm，具有稳频效果。基准信号源6用于输出标准射频信号，该射频信号是频率为ω
l
的单音信号，作为产生光频梳的基准频率信号，一般采用高稳定度基准频率源，如具有射频端口的原子钟或晶体振荡器等，保证频率稳定度。电光调制器2用于对光载波射频信号进行电光调制，在标准射频信号及其高阶射频信号电调制下输出已调光载波信号。匹配网络单元7，基于电桥实现其功能，用于电光调制器2偏置工作点的配置以及稳定电路，并将基准信号源6输出的电信号和光电转换器5输出的电信号进行接入、相移、组合和电驱动输出至电光调制器2。
30.本实施例中，激光光源1的输出端连接至电光调制器2的光输入端，电光调制器2的输出端连接至光分路器3的输入端，光分路器3将电光调制器2输出的已调光载波信号分成两路，其中一路输出端作为反馈光路输出连接至光电转换器5的光输入端，另一路为本实施例微波光频梳信号输出端，输出光频梳信号，其频率为ω0±
niω
l
(ni＝1、2、3...k)。基准信号源6的输出端、光电转换器5的输出端通过匹配网络单元7连接电光调制器2的射频调制端口。
31.如图2，另一种实施例中，微波光频梳发生装置还包括其中光学混频器4，光学混频器4的输入端中一路接入光分路器3作为反馈光路的输出端，另一路用于接入参考光频梳r-ofc；光学混频器4的输出端接光电转换器5的光输入端。参考光频梳r-ofc来自本装置内的另一基阶光频梳或者外部接入，外部接入时，外部接入元器件所用的光源必须采用与激光光源1的同一光源，参考光频梳的光频率可以为ω0、ω0+ω
l
或ω
0-ω
l
。当参考光频梳的光频率为ω0时，该微波光频梳发生装置可作为滤波器使用。本实施例中，以参考光频梳r-ofc频率为ω
0-ω
l
为例。其工作过程中第一轮电光调制器2输出频率为ω0+ω
l
，一路经光分路器3作为反馈光路输出至光学混频器4。光学混频器4与光电转换器5组合，其混频、差频产生新的电频率分量2ω
l
，电频率分量2ω
l
再经电光调制器2电光调制输出频率为ω0+2ω
l
光频梳。如此类推形成光频梳并由光分路器3的光频梳输出端输出。
32.在循环过程中，参考光频梳r-ofc固定参与混频，其作用使产生的频梳有序，频梳频率稳定和相位稳定，而且每轮循环均经历光电转换环节，光路噪声及电路噪声被隔断，减少了噪声积累，进一步提高了系统信噪比。
33.如图3，在另一些实施例中，电路中还连接分频器或倍频器，分频器或倍频器连接在基准信号源6与匹配网络单元7之间；或者分频器或倍频器连接在光电转换器5与匹配网络单元7之间；或者基准信号源6与匹配网络单元7之间以及光电转换器5与匹配网络单元7之间均连接分频器或倍频器。当连接分频器时，输出的光频梳的频梳间隔减少；当连接倍频器时，输出的光频梳的频梳间隔增加，因此可是输出的光频梳梳齿不再固定。分频或倍频时，在某些场合下时本装置可以作为分频器或倍频器使用。
34.结合微波光频梳发生装置工作原理，通过具体结构对本实用新型作进一步的解释。
35.某些实施例中，结合图2中的结构，光学混频器4为90
°
光学混频器，光电转换器5为
差分光电探测器。光分路器3输出光频梳信号时，其光频梳信号输出端通过选频滤波器外接输出。本实施例中，电光调制器2和光分路器3组合形成光频梳发生单元，光频梳发生单元包括正系数光频梳发生单元和负系统光频梳发生单元，形成对称结构；激光光源1通过光分路器连接光频梳发生单元。
36.如图4，本实施例中，该对称结构中包括两组光频梳发生单元，分别为正系数光频梳发生单元和负系统光频梳发生单元。具体地，电光调制器2包括第一电光调制器21和第二电光调制器22，光分路器3包括第一光环行器31和第二光环行器32。
37.激光光源1通过光分路器cp分别连接第一电光调制器21和第二电光调制器22，第一电光调制器21连接第一光环行器31，第一光环行器31的光频梳信号输出端连接选频滤波器fit-1，经选频滤波器fit-1滤波选择所需频率的正系数目标光频梳ω0+niω
l
(ni＝k),图4中ωc＝niω
l
。其中，第一电光调制器21、第一光环行器31和滤波器fit-1组成第一光频梳输出支路，即正系数光频梳发生单元的输出支路。
38.第二电光调制器22连接第二光环行器32，第二光环行器32的光频梳信号输出端连接选频滤波器fit-2，经选频滤波器fit-2滤波选择所需频率的负系数目标光频梳ω
0-niω
l
(ni＝k),图4中ωc＝niω
l
。其中，第二电光调制器22、第二光环行器32和滤波器fit-2组成第二光频梳输出支路，即负系统光频梳发生单元的输出支路。第一光频梳输出支路和第二光频梳输出支路所用器件参数相同，并且两条支路均经光分路器cp共用相干激光光源1。
39.第一光环行器31和第二光环行器32另一路输出的反馈光路均依次连接光学混频器4、差分光电探测器、匹配网络单元7；匹配网络单元7连接至第一电光调制器21和第二电光调制器22。
40.本实施例中，在第二光频梳输出支路中，第二光环行器32反馈光路的输出端与光学混频器4之间连接选频滤波器fit-3，经选频滤波器fit-3滤波输出参考光频梳r-ofc，如频率为ω
0-ω
l
的参考光频梳，并接入光学混频器4中。该实施例中，参考光频梳r-ofc由本装置内部产生。
41.由于本实施例对称结构的电路，使用同一相干光源以及选用差分光电探测，更进一步的抑制系统的共模噪声。
42.某些情况下，第一光频梳输出支路和第二光频梳输出支路分别生成的目标光频梳，经光电探测器pd拍频产生2niω
l
微波信号，图4中ωc＝niω
l
，与光载波频率ω0无关。在实际应用中可以根据需要的微波频率反推，来选取上述支路的目标光频梳。
43.以一些实施例中，结合图2中的结构，光学混频器4为90
°
光学混频器，光电转换器5为差分光电探测器。光分路器3输出光频梳信号时，其光频梳信号输出端通过选频滤波器外接输出。本实施例中，电光调制器2和光分路器3组合形成光频梳发生单元，光频梳发生单元包括偏振光频梳发生单元和正交偏振光频梳发生单元，形成偏振正交结构；激光光源1依次经过偏振控制器、偏振分束器连接光频梳发生单元，光频梳发生单元中的光分路器3输出的反馈光路依次通过偏振控制器、偏振合束器和检偏器与光学混频器4连接。
44.如图5，本实施例中，该偏振正交结构包括两组光频梳发生单元，分别为偏振光频梳发生单元和正交偏振光频梳发生单元。同样地，电光调制器2包括第一电光调制器21和第二电光调制器22，光分路器3包括第一光环行器31和第二光环行器32。
45.激光光源1依次经过偏振控制器、偏振分束器，偏振控制器控制偏振向以45
°
角耦
合进偏振分束器pbs(与x光轴或y光轴45
°
角)，形成两路偏振正交光路，两路偏振正交光路分别连接第一电光调制器21和第二电光调制器22。第一电光调制器21连接第一光环行器31，第一光环行器31的光频梳信号输出端连接选频滤波器fit-1，经选频滤波器fit-1滤波选择所需正系数目标光频梳ω0+niω
l
(ni＝k)，图5中ωc＝niω
l
。其中，第一电光调制器21、第一光环行器31和选频滤波器fit-1组成第一偏振光频梳输出支路，即偏振光频梳发生单元的输出支路。
46.第二电光调制器22连接第二光环行器32，第二光环行器32的光频梳信号输出端连接选频滤波器fit-2，经选频滤波器fit-2滤波选择所需负系数目标光频梳ω
0-niω
l
(ni＝k),图5中ωc＝niω
l
。其中，第二电光调制器22、第二光环行器32和选频滤波器fit-2组成第二正交偏振光频梳输出支路，即正交偏振光频梳发生单元输出支路。第一偏振光频梳输出支路和第二正交偏振光频梳输出支路输出的光频梳偏振正交，所用器件参数相同，并且两条支路均通过偏振分束器和偏振控制器共用所述相干激光光源1。
47.第一光环行器31和第二光环行器32输出的反馈光路，分别经偏振控制器正交控制耦合进偏振合束器pbc。偏振合束器pbc合路输出后，经检偏器、第三光环行器33的两路输出分别接入光学混频器4，光学混频器4输出经差分光电探测器、匹配网络单元7分别接入第一电光调制器21和第二电光调制器22。
48.本实施例中，在第二正交偏振光频梳输出支路中，反馈回路中，第三环路器33一个输出端与光学混频器4之间连接选频滤波器fit-4，经选频滤波器fit-4滤波输出参考光频梳，如频率为ω
0-ω
l
的参考光频梳，并接入光学混频器4中。该实施例中，参考光频梳r-ofc由本装置内部产生。
49.与上述对称结构的电路不同的是，第一偏振光频梳输出支路和第二正交偏振光频梳输出支路输出的光频梳偏振正交，可以直接产生频率为2niω
l
微波信号，图5中ωc＝niω
l
；也可以直接用于偏振调制。
50.另一些实施例中，结合图1中的结构，光电转换器5为光电探测器，省去光学混频器4为。光分路器3输出光频梳信号时，其光频梳信号输出端通过选频滤波器外接输出。本实施例中，电光调制器2和光分路器3组合形成光频梳发生单元，光频梳发生单元包括偏振光频梳发生单元和正交偏振光频梳发生单元，形成偏振正交简化结构；激光光源1依次经过偏振控制器、偏振分束器连接光频梳发生单元，光频梳发生单元中的光分路器3输出的反馈光路依次连接偏振控制器、偏振合束器和检偏器与光电转换器5连接。
51.如图6，本实施例中，该偏振正交简化结构包括两组光频梳发生单元，分别为偏振光频梳发生单元和正交偏振光频梳发生单元。本实施例中由于省去光学混频器4，用光电探测器pd替代90
°
光学混频器和差分光电探测器，具有混频、差频功能，具有低成本优势。电光调制器2包括第一电光调制器21和第二电光调制器22，光环行器3包括第一光环行器31和第二光环行器32。
52.该偏振正交简化结构的电路偏振正交结构的电路类似，激光光源1输出的偏振光经偏振控制器cp控制偏振向以45
°
角耦合进偏振分束器pbs(与x光轴或y光轴45
°
角)，形成两路偏振正交光路，两路偏振正交光路分别连接第一电光调制器21和第二电光调制器22，第一电光调制器21连接第一光环行器31，第一电光调制器21连接第一光环行器31，第一光环行器31的光频梳信号输出端连接选频滤波器fit-1，经选频滤波器fit-1滤波选择所需正
系数目标光频梳ω0+niω
l
(ni＝k),图6中ωc＝niω
l
。其中，第一电光调制器21、第一光环行器31和滤波器fit-1组成第一偏振光频梳输出支路，即偏振光频梳发生单元的输出支路。
53.第二电光调制器22连接第二光环行器32，第二光环行器32的光频梳信号输出端连接选频滤波器fit-2，经选频滤波器fit-2滤波选择所需负系数目标光频梳ω
0-niω
l
(ni＝k),图6中ωc＝niω
l
。其中，第二电光调制器22、第二光环行器32和选频滤波器fit-2组成第二正交偏振光频梳输出支路，即正交偏振光频梳发生单元输出支路。
54.第一光环行器31和第二光环行器32另一输出的反馈光路，分别经偏振控制器正交控制耦合进偏振合束器pbc。偏振合束器pbc合路输出后，经检偏器、匹配网络单元7分别接入第一电光调制器21和第二电光调制器22。
55.同样，第一偏振光频梳输出支路和第二正交偏振光频梳输出支路输出的光频梳偏振正交，通过附加检偏器、光电探测器直接产生频率为2niω
l
微波信号,图6中ωc＝niω
l
。
56.以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。