一种基于光注入锁定的级联式全光振荡器及振荡方法与流程

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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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)；

3、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)；

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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)；

9、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；

10、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。

11、进一步，采用全光振荡环路产生双波长光信号。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、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；

17、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。

18、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：

19、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；

20、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；

21、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。

22、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。

23、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。

24、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。