专利摘要

专利摘要

本发明公开了一种低相位噪声光频梳产生方法及系统、微波生成方法及系统。光梳产生方法为：将种子光注入到光梳调制器，光梳调制器的输出光信号进行放大后输入光耦合器，光耦合器的一输出端与用于监测光谱形状的光谱仪连接，另一输出端连接设定长度的单模光纤；光电探测器接收单模光纤输出的光信号，并将其转化为电信号并放大，将放大后的电信号通过带通滤波器的选频、放大后输入一T型偏置器的交流输入端口；T型偏置器的直流偏置端口与直流输入端连接、输出端与光梳调制器的射频驱动端口连接，构成一光电振荡环路；当光电振荡器稳定振荡时，去除该光谱仪输出光频梳。本方案适合高重复频率、低时钟抖动光频梳及低相位噪声微波信号的产生。

权利要求

1.一种低相位噪声光频梳产生方法，其步骤包括：

将种子光注入到光梳调制器，光梳调制器的输出光信号进行放大后输入光耦合器，该光耦合器的一输出端与用于监测光谱形状的光谱仪连接，另一输出端连接一传输时延单元；光电探测器接收该传输时延单元输出的光信号，并将其转化为电信号并放大，然后将放大后的电信号通过带通滤波器的选频、放大后输入一T型偏置器的交流输入端口；该T型偏置器的直流偏置端口与直流输入端连接，该T型偏置器的输出端与光梳调制器的射频驱动端口连接，构成一光电振荡环路；

当光电振荡器稳定振荡时，去除该光谱仪，将与该光谱仪连接的光耦合器输出端作为光频梳输出端。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该带通滤波器的输出端与一微波功率合成器的一输入端连接，该微波功率合成器的另一输入端与一射频信号输入端连接，该微波功率合成器输出信号经放大后输入该T型偏置器；该传输时延单元为一设定长度的单模光纤。

3.一种低相位噪声光频梳产生系统，其特征在于，包括由光链路和电链路构成的光电振荡环路；其中，所述光链路包括一激光器、光梳调制器、光放大器、光耦合器和一传输时延单元，该激光器输出的种子光依次经该光梳调制器调制、该光放大器放大后输入该光耦合器，该光耦合器的一输出端与该传输时延连接；所述电链路包括光电探测器、信号放大器、带通滤波器、功率放大器和T型偏置器，该光电探测器接收该传输时延单元输出的光信号，并将其转化为电信号依次经该信号放大器放大、该带通滤波器滤波、该功率放大器放大后输入该T型偏置器交流输入端口，该T型偏置器的直流偏置端口与直流输入端连接，该T型偏置器的输出端与该光梳调制器的射频驱动端口连接；该光耦合器的另一输出端作为光频梳输出端。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述电链路还包括一微波功率合成器，该微波功率合成器的一输入端与该带通滤波器的输出端连接，该微波功率合成器的另一输入端与一射频信号输入端连接，该微波功率合成器输出端与该功率放大器的输入端连接。

5.如权利要求3或4所述的系统，其特征在于，通过在铌酸锂调制器的两个端面镀高反膜形成该光梳调制器；该传输时延单元为一设定长度的单模光纤。

6.一种微波生成方法，其步骤包括：

将种子光注入到光梳调制器，光梳调制器的输出光信号进行放大后输入光耦合器，该光耦合器的一输出端与用于监测光谱形状的光谱仪连接，另一输出端连接一传输时延单元；光电探测器接收该传输时延单元输出的光信号，并将其转化为电信号并放大，然后将放大后的电信号通过带通滤波器的选频后经一微波定向耦合器输入到功率放大器进行放大，经该功率放大器放大的信号输入一T型偏置器的交流输入端口；该T型偏置器的直流偏置端口与直流输入端连接，该T型偏置器的输出端与光梳调制器的射频驱动端口连接，构成一光电振荡环路；

当光电振荡器稳定振荡时，将该微波定向耦合器的一输出端作为微波信号输出端。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该带通滤波器的输出端与一微波功率合成器的一输入端连接，该微波功率合成器的另一输入端与一射频信号输入端连接，该微波功率合成器的输出端与该微波定向耦合器的输入端连接；该传输时延单元为一设定长度的单模光纤。

8.一种微波生成系统，其特征在于，包括由光链路和电链路构成的光电振荡环路；其中，所述光链路包括一激光器、光梳调制器、光放大器、光耦合器和一传输时延单元，该激光器输出的种子光依次经该光梳调制器调制、该光放大器放大后输入该光耦合器，该光耦合器的一输出端与该传输时延单元连接；所述电链路包括光电探测器、信号放大器、带通滤波器、微波定向耦合器、功率放大器和T型偏置器，该光电探测器接收该传输时延单元输出的光信号，并将其转化为电信号依次经该信号放大器放大、该带通滤波器滤波、该功率放大器放大后输入该T型偏置器交流输入端口，该T型偏置器的直流偏置端口与直流输入端连接，该T型偏置器的输出端与该光梳调制器的射频驱动端口连接；该微波定向耦合器的输入端与该带通滤波器的输出端连接，该微波定向耦合器的一输出端与该功率放大器的输入端连接，该微波定向耦合器的另一输出端作为微波信号输出端。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述电链路还包括一微波功率合成器，该微波定向耦合器经该微波功率合成器与该带通滤波器的输出端连接，该微波功率合成器的一输入端与一射频信号输入端连接，该微波功率合成器输出端与该微波功率合成器的输入端连接。

10.如权利要求8或9所述的系统，其特征在于，通过在铌酸锂调制器的两个端面镀高反膜形成该光梳调制器；该传输时延单元为一设定长度的单模光纤。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于低相位噪声的光频梳产生方法及系统、微波生成方法及系统。通过利用稳定的射频参考源注入光电振荡器，实现低时钟抖动的光频梳，同时产生低相位噪声、高边模抑制比的单频微波信号，属于微波光子学领域。

背景技术

微波光子学主要研究微波信号与光信号之间的相互作用，与传统的微波系统相比，具有体积小、重量轻、成本低、不受电磁干扰、非线性性能好以及应用带宽大等优点，在宽带无线通信、雷达、电子对抗等领域有深入应用。光频梳在光频测量，深空探测，光子模数转换，大容量光纤通信系统等领域有重要的应用，而时钟抖动性能以及重复频率是各应用中必须考虑的关键因素，采用微波光子学的办法可以产生低时钟抖动、高重复频率的光频梳。

以下是一些已有的光频梳产生技术：

如图1是中国科学院物理研究所申请的公开专利，公开号为CN 101846861 A，该方案是基于钛宝石结构产生光频梳。

如图2是华南理工大学申请的公开专利，公开号为CN 203690692 U，该方案是基于光纤锁模激光器结构产生光频梳。

如图3是华中科技大学申请的公开专利，公开号为CN 104977775 A，该方案基于注入种子光的光学微腔产生光频梳。

如图4是中国人民解放军理工大学申请的公开专利，公开号为CN 104092491 A，该方案是基于光电振荡器产生的光学频率梳。

传统的基于钛宝石结构的光学频率梳结构复杂，体积大，成本高；基于光纤锁模激光器结构的光频梳，难以实现高重复频率；基于微谐振腔结构的光频梳难以实现较小频率间隔的调谐，同时相位噪声性能具有局限性；传统的基于光电振荡器结构的光学频率梳，只有单个电光调制器，不能产生宽谱的光频梳，此外长期频率稳定性性能较差。

发明内容

针对现有技术方案中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于光电振荡器的低相位噪声光频梳产生方法及系统、微波生成方法及系统。本方案适合高重复频率、低时钟抖动光频梳及低相位噪声微波信号的产生。

本发明的技术方案为：

一种低相位噪声光频梳产生方法，其步骤包括：

将种子光注入到光梳调制器，光梳调制器的输出光信号进行放大后输入光耦合器，该光耦合器的一输出端与用于监测光谱形状的光谱仪连接，另一输出端连接一传输时延单元；光电探测器接收该传输时延单元输出的光信号，并将其转化为电信号并放大，然后将放大后的电信号通过带通滤波器的选频、放大后输入一T型偏置器的交流输入端口；该T型偏置器的直流偏置端口与直流输入端连接，该T型偏置器的输出端与光梳调制器的射频驱动端口连接，构成一光电振荡环路；

当光电振荡器稳定振荡时，去除该光谱仪，将与该光谱仪连接的光耦合器输出端作为光频梳输出端。

进一步的，该带通滤波器的输出端与一微波功率合成器的一输入端连接，该微波功率合成器的另一输入端与一射频信号输入端连接，该微波功率合成器输出信号经放大后输入该T型偏置器；该传输时延单元为一设定长度的单模光纤。

一种低相位噪声光频梳产生系统，其特征在于，包括由光链路和电链路构成的光电振荡环路；其中，所述光链路包括一激光器、光梳调制器、光放大器、光耦合器和一传输时延单元，该激光器输出的种子光依次经该光梳调制器调制、该光放大器放大后输入该光耦合器，该光耦合器的一输出端与该传输时延连接；所述电链路包括光电探测器、信号放大器、带通滤波器、功率放大器和T型偏置器，该光电探测器接收该传输时延单元输出的光信号，并将其转化为电信号依次经该信号放大器放大、该带通滤波器滤波、该功率放大器放大后输入该T型偏置器交流输入端口，该T型偏置器的直流偏置端口与直流输入端连接，该T型偏置器的输出端与该光梳调制器的射频驱动端口连接；该光耦合器的另一输出端作为光频梳输出端。

进一步的，所述电链路还包括一微波功率合成器，该微波功率合成器的一输入端与该带通滤波器的输出端连接，该微波功率合成器的另一输入端与一射频信号输入端连接，该微波功率合成器输出端与该功率放大器的输入端连接。

进一步的，通过在铌酸锂调制器的两个端面镀高反膜形成该光梳调制器；该传输时延单元为一设定长度的单模光纤。

一种微波生成方法，其步骤包括：

将种子光注入到光梳调制器，光梳调制器的输出光信号进行放大后输入光耦合器，该光耦合器的一输出端与用于监测光谱形状的光谱仪连接，另一输出端连接一传输时延单元；光电探测器接收该传输时延单元输出的光信号，并将其转化为电信号并放大，然后将放大后的电信号通过带通滤波器的选频后经一微波定向耦合器输入到功率放大器进行放大，经该功率放大器放大的信号输入一T型偏置器的交流输入端口；该T型偏置器的直流偏置端口与直流输入端连接，该T型偏置器的输出端与光梳调制器的射频驱动端口连接，构成一光电振荡环路；

当光电振荡器稳定振荡时，将该微波定向耦合器的一输出端作为微波信号输出端。

进一步的，该带通滤波器的输出端与一微波功率合成器的一输入端连接，该微波功率合成器的另一输入端与一射频信号输入端连接，该微波功率合成器的输出端与该微波定向耦合器的输入端连接；该传输时延单元为一设定长度的单模光纤。

一种微波生成系统，其特征在于，包括由光链路和电链路构成的光电振荡环路；其中，所述光链路包括一激光器、光梳调制器、光放大器、光耦合器和一传输时延单元，该激光器输出的种子光依次经该光梳调制器调制、该光放大器放大后输入该光耦合器，该光耦合器的一输出端与该传输时延单元连接；所述电链路包括光电探测器、信号放大器、带通滤波器、微波定向耦合器、功率放大器和T型偏置器，该光电探测器接收该传输时延单元输出的光信号，并将其转化为电信号依次经该信号放大器放大、该带通滤波器滤波、该功率放大器放大后输入该T型偏置器交流输入端口，该T型偏置器的直流偏置端口与直流输入端连接，该T型偏置器的输出端与该光梳调制器的射频驱动端口连接；该微波定向耦合器的输入端与该带通滤波器的输出端连接，该微波定向耦合器的一输出端与该功率放大器的输入端连接，该微波定向耦合器的另一输出端作为微波信号输出端。

进一步的，所述电链路还包括一微波功率合成器，该微波定向耦合器经该微波功率合成器与该带通滤波器的输出端连接，该微波功率合成器的一输入端与一射频信号输入端连接，该微波功率合成器输出端与该微波功率合成器的输入端连接。

进一步的，通过在铌酸锂调制器的两个端面镀高反膜形成该光梳调制器；该传输时延单元为一设定长度的单模光纤。

本方案是基于光电振荡器实现光学频率梳的方法与装置，同时通过微波功率合成器注入稳定的射频参考源，可以实现低时钟抖动的光脉冲及低相位噪声的微波信号产生，边模抑制比较自由振荡的光电混合振荡器有显著的降低。通过将稳定的射频参考源注入光电振荡环路，能有效提高光学频率梳及微波信号的长期频率稳定性。除此之外，系统结构简单，成本低、具备集成的潜能。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1.与光纤锁模激光器相比，本方案能实现百GHz的高重复频率，突破了光纤锁模激光器实现高重复频率的限制。

2.与主动锁模激光器相比，本方案不需要外置射频源驱动，克服了主动锁模激光器中外部射频源相位噪声的限制。本方案采用光电混合振荡器的基本结构，大大提高了用于驱动光梳调制器射频信号的相位噪声性能，并且相位噪声随重复频率提高基本不变。

3.本方案采用外部射频源注入锁定光电混合振荡器的基本结构，克服了光电混合振荡器由于长光纤引入的长期稳定性的恶化。由于射频源具有较好的长期频率稳定性，能够大幅提升所产生的光频梳的长期频率稳定性性能。

4.通过调节电滤波器的中心频率，可以实现光频梳梳齿间隔的调节、该间隔仅受限于光梳调制器自由频程。

附图说明

图1为中国科学院物理研究所申请的光频梳结构图；

图2为华南理工大学申请的光频梳结构图；

其中，1-激光泵浦源，2-集成光器件，3-高增益光纤，4-偏振旋转光纤；

图3为华中科技大学申请的光频梳结构图；

图4为中国人民解放军理工大学申请的光频梳结构图；

图5为本发明光频梳结构原理图；

图6为本发明方案实验所得光谱图；

(a)为测试频率范围8nm时的光谱形状，(b)为测试频率范围为3nm时的光谱形状；

图7为本发明方案实验所得电谱图；

(a)为未注入参考源信号时输出的振荡信号，(b)为注入参考源信号时输出的振荡信号；

图8为本发明方案实验所得相位噪声图；

(a)为参考源对应的相位噪声图；

(b)为未注入参考源时环路的振荡输出信号对应的相位噪声；

(c)为注入参考源信号时环路的振荡输出信号对应的相位噪声。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方案进行进一步详细描述。

本发明的方案原理如图5所示。整个结构由光链路和电链路构成，形成一个闭合的环路。稳定的高功率激光器输出连续的种子光，注入到光梳调制器，该光梳调制器是由铌酸锂相位调制器置于法布里-珀罗腔当中构成，法布里-珀罗腔是通过在铌酸锂调制器的两个端面镀高反膜实现。由于光梳调制器的插损较大，其输出光信号经过掺饵光纤放大器进行放大，放大后的光信号送入5:95的光耦合器，5％的光信号用于监测光谱的形状，95％的光信号输入到一定长度的单模光纤，该单模光纤功能是增大信号的传输时延，用于提高整个光电振荡环路的品质因数，随着光纤的环长越长品质因素越高，但同时会引入额外的噪声，具体的长度需要优化，才能更好地降低微波信号的相位噪声。光电探测器用于探测通过光纤的光信号，将光信号转化为电信号。光电探测器输出的电信号，经过低噪声电放大器的放大，低噪声放大器可以降低热噪声对信号的影响，确保足够的电信号功率。经过低噪声放大器放大后的电信号，通过电带通滤波器的选频，选取与其中心频率对应的电信号，本例选取的滤波器中心频率为10GHz。经过电带通滤波器选频的电信号依次经过微波功率合成器，微波定向耦合器(10:90)，功率放大器，T型偏置器，光梳调制器的射频驱动端口，从而构成一个完整的振荡环路。其中，功率放大器作为末级放大，用于增大信号的幅度，提供足够的环路增益；T型偏置器的两个输入端口分别为交流输入端口和直流偏置端口，直流偏置端口与直流输入端连接，其输出端与光梳调制器的射频驱动端口连接。微波定向耦合器用于连接环路的同时，它10％输出端口连接电谱仪，用于对产生的微波信号的监测。对于微波功率合成器，参考源通过其中的一个输入端口向环路注入射频信号，该射频信号由商用射频源产生，其近端相位噪声优于光电振荡器，频率选取在滤波器的中心频率附近，功率在-10dBm到0dBm之间，用于对振荡信号的频率牵引和边模抑制，该参考源具备长期稳定性，可以提高整个系统的长期频率稳定性性能。

当光电振荡器稳定振荡时，光耦合器的5％输出端口，微波定向耦合器10％的输出端口，可分别观测到低相位噪声的光频梳和微波信号。

结构图5中光谱仪监测到的光谱如图6所示。光谱关于种子激光器的中心波长具有对称边带，梳齿间的频率间隔为10GHz，与电滤波器的中心频率一致，根据需要，可以选择不同中心频率的电带通滤波器实现梳齿间隔的调整。图6(a)所示为测试频率范围8nm时的光谱形状，为了更清晰地展示光谱形状，图6(b)所示为测试频率范围为3nm时的光谱形状。

结构图4中电谱仪监测到的电谱如图7所示，设置频谱仪的测试频率范围为1MHz,分辨率带宽9.1kHz时，观测到未注入参考源信号时输出的振荡信号如图7(a)所示，注入参考源信号时输出的振荡信号如图7(b)所示，两图对比可知，采用本发明中的注入结构可以显著地降低振荡信号的边模，即副震荡模式。

通过信号源分析仪可以测试电信号的单边带相位噪声，结构图5中参考源对应的相位噪声图如图8(a)所示，未注入参考源时环路的振荡输出信号对应的相位噪声如图8(b)所示，注入参考源信号时环路的振荡输出信号对应的相位噪声如图8(c)所示。通过图8(c)可知，注入参考源后，振荡输出信号的低频偏和高频偏处相位噪声均得到改善，低频偏处受益于参考源的近端噪声较低(商用射频源在低频偏处的相位噪声优于光电混合振荡器产生的射频信号的相位噪声)，高频偏处的相位噪声性能受益于光电振荡环路极高品质因子，因此有效地实现了产生射频信号的低频偏和高频偏处的相位噪声性能，降低了所产生的光脉冲的时钟抖动性能。此外，由于注入参考源的长期频率稳定性性能好，也对本发明结构产生的光频梳和电信号的长期频率稳定性性能起到积极的作用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

一种低相位噪声光频梳产生方法及系统、微波生成方法及系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。