一种可调谐的八倍频注入锁定光电振荡器

本发明属于微波光子信号产生领域，具体涉及一种可调谐的八倍频注入锁定光电振荡器。

背景技术：

1、微波技术是当代社会通信领域的关键技术，对社会的发展和进步具有深远影响。微波光子学是光学、微波、电子工程交叉的技术，它将传统的微波技术与光学结合，具有大带宽、低损耗和抗电磁干扰等优点。光电振荡器是一种基于微波光子技术将光信号转化为微波信号的正反馈环路，通过在反馈环路中使用长光纤，可以提高光电振荡器的能量存储能力。因此，与其他微波源相比，光电振荡器具有相位噪声低、频率稳定性好等优点。

2、光电振荡器使用长光纤可有效降低相位噪声，但会引起环路输出信号模式间隔过小的问题，进而导致振荡模式容易随机发生改变。在光电振荡器中引入注入锁定，可以提高光电振荡器的频率稳定性，以保证单模振荡。通过在光电振荡器中注入微波信号，当该信号的频率与某一个振荡模式频率接近时，可以提高该模式的竞争能力，其他振荡模式会受到有效抑制，实现频率的注入锁定。

3、传统的注入锁定可以利用微波源生成基频信号直接与光电振荡器自由振荡输出信号耦合并注入调制器。主从式注入锁定将一个环路的微波信号注入到另一个环路中实现单方向注入锁定。互注入锁定利用两个环路互注入以提高输出信号的频率稳定。在这些结构中，环路中滤波采用电学滤波器，会降低输出信号的可调谐性能。当采用主从式注入锁定和互注入锁定提升频率稳定时，需要引入新的环路，结构复杂。另外，以上方案均是利用基频信号进行注入锁定，因而注入频率受到限制，无法利用倍频注入锁定更高频率的微波信号。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对背景技术存在的问题，提出了一种可调谐的八倍频注入锁定光电振荡器。本发明的光电振荡器可解决光电振荡器仅限于基频注入的问题，实现低频信号对更高频率微波信号的注入锁定；同时，环路中微波光子滤波器的使用增强了系统的可调谐性能。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种可调谐的八倍频注入锁定光电振荡器，包括连续波激光器、第一偏振控制器、1×3光耦合器、第一微波信号源、第一90°混合耦合器、第一双平行马赫曾德尔调制器、第二微波信号源、第二90°混合耦合器、第二双平行马赫曾德尔调制器、相位调制器、偏振旋转器、偏振合束器、第二偏振控制器、起偏器、光隔离器、高非线性光纤、环行器、光电探测器、掺铒光纤放大器、电放大器和电功分器；

4、所述连续波激光器的输出端口与第一偏振控制器的输入端口相连，第一偏振控制器的输出端口与1×3光耦合器的输入端口相连，1×3光耦合器的输出端口分别与第一双平行马赫曾德尔调制器、第二双平行马赫曾德尔调制器和相位调制器的光信号输入端口相连；第一双平行马赫曾德尔调制器的输出端口与偏振合束器的输入端口相连，相位调制器的输出端口与偏振旋转器的输入端口相连，偏振旋转器的输出端口与偏振合束器的另一个输入端口相连，偏振合束器的输出端口与第二偏振控制器的输入端口相连，第二偏振控制器的输出端口与起偏器的输入端口相连，起偏器的输出端口与光隔离器的输入端口相连，光隔离器的输出端口与高非线性光纤相连，高非线性光纤的输出端口与环行器ⅱ端口相连，环形器的ⅲ端口与光电探测器的输入端口相连，光电探测器的输出端口与电放大器的输入端口相连，电放大器的输出端口与电功分器的输入端口相连，电功分器的一个输出端口与相位调制器的电信号输入端口相连、另一个输出端口作为振荡器的微波信号输出；第一微波信号源输出端口与第一90°混合耦合器输入端口相连，第一90°混合耦合器移相为0°输出端口与第一双平行马赫曾德尔调制器中的第一从调制器射频输入端口相连，移相为90°输出端口与第一双平行马赫曾德尔调制器中的第二从调制器射频输入端口相连；第二微波信号源输出端口与第二90°混合耦合器输入端口相连，第二90°混合耦合器移相为0°输出端口与第二双平行马赫曾德尔调制器中的第三从调制器射频输入端口相连，移相为90°输出端口与第二双平行马赫曾德尔调制器中的第四从调制器射频输入端口相连；第二双平行马赫曾德尔调制器的输出端口与掺铒光纤放大器的输入端口相连，掺铒光纤放大器的输出端口与环形器ⅰ端口相连。

5、其中，所述第一双平行马赫曾德尔调制器由第一主调制器、第一从调制器和第二从调制器组成，第二双平行马赫曾德尔调制器由第二主调制器、第三从调制器和第四从调制器组成。

6、本发明提供的光电振荡器实现可调谐低频信号注入锁定高频信号的过程为：

7、连续波激光器产生中心频率为ωc的光信号作为载波输入第一偏振控制器得到偏振光载波信号后，输入至1×3光耦合器，经1×3光耦合器均分为三路后，分别输入第一双平行马赫曾德尔调制器、第二双平行马赫曾德尔调制器和相位调制器；

8、在相位调制器中，电功分器输出的频率为ω0的射频信号对1×3光耦合器注入的频率为ωc的光载波进行调制，得到频率为ωc-ω0和ωc+ω0的调制信号，调制信号经偏振旋转器旋转90°后输入至偏振合束器，偏振合束器将旋转后的光信号和第一双平行马赫曾德尔调制器输出的光信号合为一路输入至第二偏振控制器，经第二偏振控制器偏振、起偏器起偏、光隔离器后输入至高非线性光纤，在高非线性光纤中进行滤波，得到的信号经环形器ii端口输入至光电探测器，在光电探测器中拍频形成的频率为ω0的射频信号经过电放大器放大、电功分器功分后的一路信号作为相位调制器的射频信号输入，形成完整的振荡环路；

9、第二微波信号源注入频率为ω0-vb的微波信号，经第二90°混合耦合器分为两路后，一路不经过移相直接注入偏置在最小传输点的第三从调制器的射频端口上，输出奇数阶边带信号；另一路经90°移相后注入偏置在最小传输点的第四从调制器的射频端口上，输出奇数阶边带信号；第四从调制器输出的奇数阶边带信号注入第二主调制器中，将第二主调制器偏置在正交偏置点上，实现载波抑制单边带调制，输出频率为ωc-ω0+vb的调制信号；调制信号经掺铒光纤放大器放大后功率被增强，功率增强后的调制信号经环形器输入至高非线性光纤，当信号功率达到高非线性光纤的布里渊散射阈值时，产生布里渊散射，布里渊散射增益谱中心频率为ωc-ω0，经过相位调制器调制后输入高非线性光纤的调制信号中频率为ωc-ω0的边带的幅值被受激布里渊散射增益谱增强，实现滤波；其中，vb为受激布里渊散射频移；

10、第一微波信号源注入频率为ω1的微波信号，经第一90°混合耦合器分为两路后，一路不经过移相直接注入偏置在最大传输点的第一从调制器的射频端口上，输出偶数阶边带信号；另一路经90°移相后注入偏置在最大传输点的第二从调制器的射频端口上，输出偶数阶边带信号；第二从调制器输出的偶数阶边带信号注入第一主调制器中，将第一主调制器偏置在最大传输点，得到频率为ωc-4ω1、ωc+4ω1的边带信号；该边带信号在偏振合束器中与偏振旋转器输出的信号合为一路后，经第二偏振控制器、起偏器、光隔离器、高非线性光纤后进入光电探测器，在光电探测器中拍频形成8ω1的微波信号，微波信号经电放大器、电功分器后，回到相位调制器中；

11、当拍频得到的微波信号频率8ω1与电功分器输出的频率ω0满足以下条件时，实现注入锁定：

12、

13、其中，einj为拍频得到的8ω1倍频微波信号电压，ffsr为振荡环路的自由光谱范围，eosc为振荡环路的振荡模式电压。

14、进一步的，通过调节第一微波信号源输出微波信号的频率以δω的步进增加/减小，同时第二微波信号源输出微波信号的频率以8δω的步进增加/减小时，可以实现系统可调谐微波信号输出。

15、本发明提供的一种可调谐的八倍频注入锁定光电振荡器，采用不同的调制器分别注入实现信号倍频调制和振荡信号基频调制，进而在光电振荡器中实现低频微波信号注入锁定高频微波信号；同时，引入微波光子滤波器进行频率调谐，增强环路可调谐性。本发明光电振荡器包括三个模块，分别为光电振荡环路模块、注入信号倍频模块和微波光子滤波器模块。

16、其中，光电振荡环路模块由连续波激光器、第一偏振控制器、1×3光耦合器、相位调制器、偏振旋转器、偏振合束器、第二偏振控制器、起偏器、光隔离器、高非线性光纤、环形器、光电探测器、电放大器和电功分器组成。当该环路增益大于损耗时，可以实现持续振荡，得到稳定输出的微波信号。

17、注入信号倍频模块由连续波激光器、第一偏振控制器、1×3光耦合器、偏振合束器、第二偏振控制器、起偏器、光隔离器、高非线性光纤、环形器、光电探测器、第一微波信号源、第一90°混合耦合器和第一双平行马赫曾德尔调制器组成。该模块利用第一双平行马赫曾德尔调制器实现注入微波信号对光信号载波的调制，输出的光信号在光电探测器拍频可得到八倍频微波信号。当该八倍频微波信号与光电振荡环路模块中的振荡信号频率接近时即可实现注入锁定。

18、微波光子滤波器模块由连续波激光器、第一偏振控制器、1×3光耦合器、相位调制器、偏振旋转器、偏振合束器、第二偏振控制器、起偏器、光隔离器、高非线性光纤、环形器、光电探测器、第二微波信号源、第二90°混合耦合器、第二双平行马赫曾德尔调制器和掺铒光纤放大器组成。该模块中，第二微波信号源输出的微波信号在第二双平行马赫曾德尔调制器中实现载波抑制单边带调制；调制后的光信号作为泵浦光放大后通过环形器进入高非线性光纤，当该信号功率达到高非线性光纤受激布里渊散射阈值时，可以对进入光纤的相位调制器调制后光信号的一个边带进行幅度放大；打破幅度平衡后的光信号通过环形器后进入光电探测器得到拍频信号，实现微波光子滤波器的功能。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

20、本发明基于光电振荡器结构产生低相位噪声，高频率稳定性的微波信号输出。通过对第一双平行马赫曾德尔调制器内部调制器的偏压和输入射频信号的调节，可以实现低频微波信号注入锁定八倍频微波信号，在保证振荡输出微波信号低相位噪声和高边模抑制比的同时，提高注入锁定的频率范围。同时，通过调节第一、第二微波信号源输出信号的频率，可以实现系统微波信号调谐输出。