一种基于调制双光梳分频的微波毫米波信号产生方法

本发明属于光通信，更为具体地讲，涉及一种基于调制双光梳分频的微波毫米波信号产生方法。

背景技术：

1、微波信号源是现代电子系统的关键部件，它们在多个应用场景中发挥着至关重要的作用，如为数字电子设备提供周期性时钟信号以及在雷达和射频通信中生成精确频率。理想情况下，微波信号源应该在单一频率下提供高度纯净的微波信号，然而，在实际应用中，由于组件缺陷和环境因素的影响，微波信号源的频谱纯度往往会受到损害。

2、微波信号源通常采用微波振荡器构建，传统的电学和光学微波振荡器在生成低相位噪声的高频时钟信号方面存在一定的局限性。与此相比，基于布里渊激光的光生微波原理所构建的微波信号源显示出其独特的优势：噪声水平与频率无关。在理想情况下，通过利用超低损耗的光纤来构建具有超高品质因子的光纤环腔，可以激发共腔布里渊激光。结合高效的分频技术，这种方法能够生成具有极低相位噪声和良好相干性的微波信号，同时有效消除其他技术噪声和共模噪声，只留下肖洛-汤斯噪声。鉴于光波在1550nm处的频率约为193thz，ghz级别的频率差异对噪声的影响几乎可以忽略不计。然而，现有产生共腔布里渊激光的方法，体积成本都较高，且存在一定的路径长度变化效应。

3、此外，通过运用光学频率梳(简称光频梳)对连续激光器进行光分频，可以实现信号从太赫兹频段向微波频段的有效下变频。这种方法中的相位噪声比例因子n2显著提升了微波信号的频谱纯度，从而产生具有前所未有的绝对相位噪声水平和频率稳定性的微波信号，然而，相位噪声水平仍有降低的要求。在光频梳的产生技术方面，常见的方法包括基于锁模激光器的光频梳、基于克尔微腔的光频梳。锁模激光器产生的光频梳虽具有高功率和宽带特点，但其梳齿间隔通常难以调谐，且结构较为复杂。基于克尔微腔的光频梳通常具备宽光谱、良好的相干性和易于集成的优点，但其形成机理较为复杂，并且需要精细的频率调谐手段以达到孤子态。同时，由微腔结构限制的梳齿间隔调谐能力也是其局限之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于调制双光梳分频的微波毫米波信号产生方法，以抑制路径长度变化效应，并进一步降低输出微波毫米波信号的相位噪声。

2、为实现上述发明目的，本发明基于调制双光梳分频的微波毫米波信号产生方法，其特征在于，利用光纤环腔激发共腔布里渊激光作为参考信号结合光分频技术产生低相位噪声的微波毫米波信号，包括以下步骤：

3、(1)、产生共腔布里渊激光作为参考信号

4、将可调谐激光器作为泵浦激光源输出泵浦激光源，利用50:50光纤耦合器将泵浦激光分为两路，分别用于上路激发产生布里渊激光和下路稳定布里渊激光频率；

5、1.1)、利用布里渊效应在光纤环腔中激发产生共腔布里渊激光

6、上路的泵浦激光经过第一偏振控制器输出到强度调制器，在第一微波源输出信号驱动下产生以第一微波源输出信号频率为频率间隔的光边带，通过调节第一偏振控制器的偏振态和强度调制器的偏置电压来使产生光边带的功率达到最大；使用可编程滤波器对产生的光边带进行滤波整形，滤出所需频率间隔的两束光边带；将滤出的两束光边带输入进掺铒光纤放大器进行功率放大，以补偿链路当中的功率损耗，使其满足激发布里渊效应的阈值功率；功率放大后的两束光边带经过第二偏振控制器进入光纤环腔，用于产生布里渊激光，第二偏振控制器用来控制两束光边带的偏振态，从而实现光纤环腔产生的布里渊激光的偏振态为te态；产生的布里渊激光从光纤环腔输出端口输出到第三偏振控制器，然后输出到偏振分束器，由偏振分束器分为两束激光，分别由偏振分束器的te端口以及tm端口输出，调节第三偏振控制器使偏振分束器的te端口功率最大，te端口输出的激光作为共腔布里渊激光用于激发产生电光调制双光梳，tm端口输出的激光用于进行pdh锁定从而稳定共腔布里渊激光频率；

7、1.2)、利用pdh(pound-drever-hall)锁定技术稳定共腔布里渊激光频率

8、将下路的泵浦激光输入进第一相位调制器，第一相位调制器由第二微波源产生的射频信号驱动，通过调节射频信号频率使第一混频器输出的误差信号的相位呈现色散型谱线；第一相位调制器将相位调制后的泵浦激光输出到第四偏振控制器，将偏振态调为tm态后输出到光隔离器，并经过光隔离器输出到光纤环腔，使用光隔离器隔离上路泵浦激光经过光纤环腔对下路泵浦激光的反射影响；

9、偏振分束器tm端口输出的激光经过90:10光纤耦合器分为两路，10％的激光输入进功率计用于监测下路泵浦激光进入光纤环腔后的光功率，以确保下路的泵浦激光频率与光纤环腔共振；90％的激光输入进光第一电探测器进行光电转换；利用第一混频器将第一电探测器光电转换后的信号与第二微波源产生的射频信号进行混频鉴相，第一混频器输出信号作为误差信号经过低通滤波器输入进第一伺服控制器，通过第一示波器观察误差信号波形，调节第一伺服控制器的pid参数与增益大小，第一伺服控制器的输出反馈给泵浦激光源即可调谐激光器，从而实现共腔布里渊激光频率稳定；

10、(2)、产生电光调制双光梳

11、利用功分器将压控振荡器输出的射频信号分成两路，一路使用射频放大器进行放大，以弥补功率分路后带来的功率损失，以满足激发电光调制光频梳的功率要求，放大后的射频信号作为第二相位调制器的射频驱动信号，使得后续产生的光梳频率间隔与压控振荡器的输出频率一致，另一路作为产生的微波毫米波信号输出；

12、将产生的共腔布里渊激光经过第五偏振控制器输入进第二相位调制器，使第二相位调制器激发产生电光调制双光梳即两个电光调制光频梳，并输出到光带通滤波器，同时用第一光谱分析仪观察产生的电光调制双光梳，调节第五偏振控制器，使第二相位调制器激发出的电光调制双光梳功率达到最高；

13、(3)、利用电光调制双光梳实现光分频

14、使用光带通滤波器滤出电光调制双光梳中两个光频梳之间中心位置紧邻的两个梳齿即两束光边带，从而实现将原本两束光边带频率间隔为太赫兹量级的共腔布里渊激光下变频到两束光边带频率间隔为微波毫米波量级的激光，使用第二光电探测器对光带通滤波器滤出的具有两束光边带的激光进行光电转换，得到微波毫米波量级的电信号；

15、(4)、产生微波毫米波信号；

16、使用第三微波源作为外部频率参考，与第二光电探测器输出的电信号在第二混频器中进行混频鉴相，第二混频器输出信号作为误差信号输入到第二伺服控制器，通过示波器观察误差信号确定第二伺服控制器的锁定位置，调节第二伺服控制器的pid参数与增益，第二伺服控制器的输出信号反馈到压控振荡器上，使压控振荡器输出信号即产生的微波毫米波信号。

17、本发明的发明目的是这样实现的：

18、本发明基于调制双光梳分频的微波毫米波信号产生方法，利用光纤环腔激发布里渊效应产生两束频率间隔为太赫兹量级的共腔布里渊激光，并分别以共腔布里渊激光作为泵浦光激发产生电光调制双光梳即两个电光调制光频梳，将两个电光调制光频梳的频率间隔相近的梳齿滤出实现光分频，完成从太赫兹频率下变频到微波毫米波频率，产生微波毫米波信号。本发明使用光纤环腔作为布里渊增益介质，体积小、成本低，并且利用同一个光纤环腔激发共腔布里渊激光，使两束布里渊激光共享相同的光纤路径，有效抑制了路径长度变化效应；同时通过光学分频，系统输出的微波毫米波信号相对于共腔布里渊激光参考信号有较大的相位噪声降低。

19、此外，本发明基于调制双光梳分频的微波毫米波信号产生技术还具有以下

20、有益效果：

21、(1)、本发明通过参数选择，可调整和扩展更高的分频系数，实现不同频率、噪声水平的微波毫米波信号产生；

22、(2)、相比于基于克尔光梳分频的微波毫米波信号产生技术，本发明不需要稳定的克尔光频梳产生以及复杂的两点锁定链路；

23、(3)、本发明通过电光调制的方法产生双光梳即两个电光调制光频梳，降低了传统技术对高度线性光电探测器的需求。电光调制光频梳的梳齿间隔可调，具有较高的梳齿功率，产生方式简单，能够实现光波到微波的转换。