一种基于注入锁定光电振荡器的低相噪任意波形产生系统

本发明属于光电信息，具体涉及一种基于注入锁定光电振荡器的低相噪任意波形产生系统。

背景技术：

1、随着现代无线通信系统、雷达系统的不断发展，任意波形产生技术已经成为各个领域中不可或缺的关键技术。传统的任意波形产生基于电学器件实现，受到电学器件的限制，生成的信号往往具有频率低、带宽小、相位噪声高等问题。光子技术凭借其与生俱来的大带宽、低传输损耗、抗电磁干扰等特性，可以有效解决电子瓶颈问题。其中，光电振荡器(optoelectronic oscillator,oeo)作为一种重要的光生微波系统，由于采用长距离、低损耗的光纤作为储能元件，可以产生高频低相噪的微波信号。然而，传统光电振荡器由于模式竞争效应，无法实现稳定的多模振荡，仅能实现单频信号产生。因此，可控调节光电振荡器的振荡模式，实现不同输出模式的稳定振荡，是利用光电振荡器产生任意波形的关键。

2、目前，基于傅里叶域锁模技术、主动锁模技术的光电振荡器可以分别实现线性调频(linear frequency modulated,lfm)信号和脉冲信号的产生。傅里叶域锁模光电振荡器利用快速扫频的微波光子滤波器，通过将滤波器的扫频周期设定为和腔内环形时间一致以实现傅里叶域锁模，使扫频范围内的所有模式同时在腔内稳定振荡，突破了传统oeo模式建立时间的限制，实现线性调频信号的产生。但由于激光器扫频的非线性响应、滤波器扫频周期与环路延时不完全匹配、以及光纤易受温度影响等问题，使得输出信号的线性度差、频率稳定性欠佳。主动锁模光电振荡器通过插入电光调制器引入外部周期信号，实现对光波的主动调制，使得腔内多个纵模之间建立了固定的相位关系，从而产生频谱为等间隔梳状的周期性脉冲串。但输出信号的功率平坦性差，且在谐波锁模时存在超模噪声，影响信号的信噪比和稳定性。

3、为了实现低相位噪声，光电振荡器通常采用长光纤以提高环路q值，导致振荡模式间距小，增加了单模选择的难度，导致边模出现。注入锁定技术被引入到光电振荡器中，以期提高光电振荡器的边模抑制比。当外部射频信号注入时，与注入信号频率接近的纵模就会被锁定到注入信号上。注入信号能量的加入提高了被锁定振荡模式的竞争能力，使光电振荡器最终选择该模式进行振荡，其他模式则被抑制。除单频信号的产生外，目前已有研究者提出利用注入锁定光电振荡器实现线性调频信号的产生[liu m,liu s,zhu n,etal.low phase noise wideband lfm signal generation by injection-locking anoptoelectronic oscillator[c]//optoelectronics and communicationsconference.optica publishing group,2021:js3d.5.]。该方案通过设置注入宽带信号的周期与oeo环路延时一致，调节环路中的移相器实现宽带信号的注入锁定。然而，该方案产生的信号类型单一，难以实现线性调频脉冲信号的产生，且输出信号的频率带宽受限于外部注入信号。

4、综上所述，目前实现低相位噪声、大带宽、高稳定性的任意波形产生技术仍然是一项重大的挑战。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于注入锁定光电振荡器的低相噪任意波形产生系统，能够实现任意波形信号的产生，同时具有低相位噪声、高稳定性的优势。

2、实现本发明的技术方案如下：

3、一种基于注入锁定光电振荡器的低相噪任意波形产生系统，包括注入锁定光电振荡器和光域四倍频；

4、所述注入锁定光电振荡器由激光器(ld)、偏振控制器(pc1和pc2)、双偏振马赫曾德尔调制器(dp-mzm)中的x-mzm、偏振分束器(pbs)、掺铒光纤放大器(edfa1)、非零色散位移光纤(nz-dsf)、光电探测器(pd1)、电移相器、电放大器(ea)、功分器(ec1和ec2)、任意波形发生器(awg)和任意函数发生器(afg)构成。激光器输出的单频光载波通过pc1输入至dp-mzm的光输入接口，dp-mzm包括两个双驱动mzm(x-mzm和y-mzm)，在dp-mzm的输出端，来自两个双驱动mzm的调制光信号是偏振正交的，利用pc2和pbs进行分离。利用afg输出的信号调节x-mzm的偏置电压控制其工作点，调整环路增益。经过x-mzm调制后的光信号经过edfa1放大后通过nz-dsf传输至pd1，完成光电转换。输出的射频信号通过电移相器，经ea放大，通过ec1分成两路，一路输入至y-mzm的射频输入端，另一路通过ec2与awg输出的信号结合，反馈回x-mzm的一个射频输入端，构成oeo环路；

5、所述光域四倍频用于实现微波信号的四倍频输出。

6、进一步地，所述光域四倍频包括激光器(ld)、偏振控制器(pc1和pc2)、双偏振马赫曾德尔调制器(dp-mzm)中的y-mzm、偏振分束器(pbs)、相移布拉格光栅(ps-fbg)、掺铒光纤放大器(edfa2)和光电探测器(pd2)。激光器输出的单频光载波通过pc1输入至dp-mzm的光输入接口，通过ec1分出的一路射频信号输入至y-mzm的射频输入端，调节y-mzm的偏置电压使其工作在最大传输点，从而输出光载波和±2阶边带。通过调节ps-fbg的中心波长，利用其反射谱的notch滤除光载波。保留的±2阶边带经过edfa2放大后通过pd2完成光电转换，实现微波信号的四倍频输出。

7、有益效果：

8、本发明利用双偏振马赫曾德尔调制器同时实现注入锁定光电振荡器和光域四倍频，改变注入信号的类型，可以实现具有高频宽带特性的任意波形信号的产生，且相位噪声性能优于注入信号。

9、本发明通过方波控制调制器的偏置电压，实现对环路增益的调控，不仅可以输出连续信号，还可以实现脉冲信号的产生。

技术特征：

1.一种基于注入锁定光电振荡器的低相噪任意波形产生系统，其特征在于，包括注入锁定光电振荡器和光域四倍频；

2.如权利要求1所述的任意波形产生系统，其特征在于，所述光域四倍频包括激光器、偏振控制器pc1和pc2、双偏振马赫曾德尔调制器dp-mzm中的y-mzm、偏振分束器pbs、相移布拉格光栅ps-fbg、掺铒光纤放大器edfa2和光电探测器pd2；激光器输出的单频光载波通过pc1输入至dp-mzm的光输入接口，通过ec1分出的一路射频信号输入至y-mzm的射频输入端，调节y-mzm的偏置电压使其工作在最大传输点，从而输出光载波和±2阶边带；通过调节ps-fbg的中心波长，利用其反射谱的notch滤除光载波；保留的±2阶边带经过edfa2放大后通过pd2完成光电转换，实现微波信号的四倍频输出。

技术总结
本发明公开了一种基于注入锁定光电振荡器的低相噪任意波形产生系统，利用双偏振马赫曾德尔调制器同时实现注入锁定光电振荡器和光域四倍频，可同时实现微波信号产生和信号倍频，生成信号的频率带宽不受注入信号的限制，实现了超宽带信号的产生。

技术研发人员：王彬,刘亚铭,张伟锋,刘泉华,曾涛,龙腾
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15