一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器及其分频方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器及其分频方法，分频器包括一光电混合振荡器，该光电混合振荡器的光链路中设置有光梳调制器，该光电混合振荡器的电链路中设置有带通滤波器；该光电混合振荡器中注入待分频的毫米波信号，该毫米波信号的中心频率为该带通滤波器中心频率的整数倍，该光电混合振荡器产生的光频梳边带与待变频信号的调制边带拍频输出基频信号，且该基频信号位于该光电混合振荡器的锁定带宽范围内。当在振荡环路中注入超谐波信号并锁定时，可实现该注入毫米波信号的分频功能，此分频器具有宽带、低相位噪声、大分频比的特点。

An Injection Locked Millimeter Wave Frequency Divider Based on Self-Oscillating Optical Frequency Comb and Its Frequency Dividing Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器及其分频方法
本专利技术涉及一种适用于毫米波分频器及其分频方法。它是基于光电混合振荡器结构的自振荡光频梳实现的。该光频梳可通过时钟提取电路产生具有宽带、低相位噪声性能的基频振荡信号，当在振荡环路中注入超谐波信号并锁定时，可实现该注入毫米波信号的分频功能，此分频器具有宽带、低相位噪声、大分频比的特点，属于微波光子学领域。
技术介绍
分频器是微波毫米波电路中的关键器件，其作用是将输入信号的频率实现整数倍或分数倍分频。高频低相位噪声的微波与毫米波分频器在频率综合器、雷达、无线通信等领域中有重要的应用。一般而言，电子学微波毫米波分频器主要采用两大类，一类是数字分频器，另一类是模拟分频器。数字分频器具有工作带宽受限的缺点，通常在GHz量级；模拟分频器很难做大分频系数。随着毫米波应用的快速发展，作为连接低频高稳参考信号和高频毫米波信号的桥梁，毫米波分频器的重要性也日益凸显出来，具有高频、低相位噪声、大分频比的毫米波分频器在各应用系统中显得尤为重要。以下是一些已有的微波毫米波分频器技术：如图1是基于LC振荡器的注入锁定分频器，当输入信号与LC振荡器的谐波成分交调输出位于振荡器的锁定带宽时，即可得到分频输出；英特尔公司申请的中国专利技术专利申请，公开号为CN104012004A，该专利是基于频率计数器的数字分频器，通过计数器实现分频输出；如图2是北京大学基于光电混合振荡器与YIG带通滤波器结构的分频器，由于调制器和光电探测器的非线性效应产生了谐波分量，当注入信号与振荡器的谐波分量交调成分位于振荡器的锁定带宽范围内时，实现了注入信号的分频，属于注入锁定分频器。传统的基于LC振荡器的注入锁定分频器在高频范围较难实现较大分频比的分频器；传统的数字分频器虽然可以实现大的分频比，以及分数分频，但是带宽受限，工作频率通常是几个GHz,难以工作在更高的频率范围；基于光电混合振荡器中电光调制器和光电探测器非线性效应实现的分频器，由于产生高阶非线性效应较为困难，故也难以实现较大分频比的分频器。
技术实现思路
针对现有技术方案中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种基于光学频率梳置于光电混合振荡器结构的毫米波分频器及其分频方法。本方案适合高频、低相位噪声、大分频比的微波毫米波分频器的实现。本结构中的光频梳由于是将铌酸锂相位调制器置于法布里-珀罗腔中，射频驱动信号输入后可对输入的种子光进行多次重复调制，从而产生很宽的光谱，各光谱成分之间的频率间隔由射频驱动信号决定，宽谱是确保分频器能够工作在高频段，并实现大分频比的基础。此外，基于光电混合振荡器的结构产生的基频信号，具有高频低相位噪声的性能，也能对分频器的性能起到提升作用。本专利技术的技术方案为：一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器，其特征在于，包括一光电混合振荡器，该光电混合振荡器的光链路中设置有光梳调制器，该光电混合振荡器的电链路中设置有带通滤波器；该光电混合振荡器中注入待分频的毫米波信号，该毫米波信号的中心频率为该带通滤波器中心频率的整数倍，该光电混合振荡器产生的光频梳边带与待变频信号的调制边带拍频输出基频信号，且该基频信号位于该光电混合振荡器的锁定带宽范围内。进一步的，该光电混合振荡器包括一光梳调制器，其信号输入端与一激光器连接，用于接收该激光器注入的种子光，其信号输出端与一光放大器连接，用于将输出信号输入该光放大器进行放大；该放大器经一光纤耦合器分别与一段长度为L1、一段长度为L2的单模光纤连接，两光电探测器分别用于探测通过两单模光纤的光信号，将光信号转化为电信号并输入到一微波功率合成器的输入端；该微波功率合成器的输出端经一放大器、该带通滤波器与一微波定向耦合器输入端连接，该微波定向耦合器的输出端依次经功率放大器、微波功率合成器、T型偏置器与该光梳调制器的射频驱动端口连接；其中，该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；该微波定向耦合器的另一输出端口作为微波信号输出端口；待分频的毫米波信号通过该微波功率合成器中的一个输入端口向振荡环路注入毫米波信号。进一步的，L1至少为L2的10倍。进一步的，所述光放大器为掺铒光纤放大器。进一步的，所述光纤耦合器为50:50的光纤耦合器。一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器的分频方法，其特征在于，首先调整光电混合振荡器产生光频梳；然后在该光电混合振荡器中注入待分频的毫米波信号；其中，该光电混合振荡器的光链路中设置有光梳调制器，该光电混合振荡器的电链路中设置有带通滤波器；该毫米波信号的中心频率为该带通滤波器中心频率的整数倍；当光频梳边带与该毫米波信号的调制边带拍频输出基频信号，且该基频信号位于振荡器的锁定带宽范围内时，实现注入锁定分频输出。进一步的，该光放大器经一第一光纤耦合器与所述光纤耦合器连接，该第一光纤耦合器的一输出端与光谱仪连接，用于监测产生的光频梳和分频输出的微波信号。进一步的，该微波定向耦合器作为微波信号输出的端口与一电谱仪连接，用于监测产生的微波信号。与现有技术相比，本专利技术的积极效果为：1.本专利技术中基于光电混合振荡器产生的光频梳具有较宽的光谱，也即是具有多个固定频率间隔的光谱成分，它的相应边带与待变频信号的调制边带拍频输出基频信号，当该信号位于振荡器的锁定带宽范围内时，实现注入锁定分频输出，可得到较大分频系数；2.本专利技术中由于振荡器是基于光电混合振荡器的结构，该结构在高频偏处具有极低相位噪声的性能，且相位噪声性能与频率无关，因此可以改善分频器的相位噪声性能。附图说明图1为基于LC振荡器的注入锁定分频器原理图；图2为基于光电振荡器结构和YIG带通滤波器结构可变分频比的分频器；图3为本专利技术方案的原理图；图4为本专利技术方案实验中，光谱仪测得的光频梳光谱图；图5为本专利技术方案实验中，45GHz注入信号分频输出到7.5GHz的电谱图；图6为本专利技术方案实验中，测量得到的相位噪声对比图，分别是45GHz毫米波信号、光电混合振荡器产生的7.5GHz自由振荡信号，以及45GHz信号注入锁定后的6分频输出微波信号。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的方案进行进一步详细描述。本专利技术的方案原理如图3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，该光梳调制器是是日本公司OptoComb的产品，型号为OptoCombWTEC-01-25，它是将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1，5％的光信号用于监测光谱的形状，95％的光信号输入到50:50的光耦合器2，光耦合器2的的两个输出端分别输入到两段不同长度的光纤，长光纤的长度要求至少是短光纤的10倍，用于抑制副振荡模式的产生，使得自由振荡的信号更为稳定，本例中选取的光纤长度分别为100米和2米。该单模光纤的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，该单模光纤越长品质因数越高，但同时会引入额外的噪声，也会降低注入锁定分频器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器，其特征在于，包括一光电混合振荡器，该光电混合振荡器的光链路中设置有光梳调制器，该光电混合振荡器的电链路中设置有带通滤波器；该光电混合振荡器中注入待分频的毫米波信号，该毫米波信号的中心频率为该带通滤波器中心频率的整数倍，该光电混合振荡器产生的光频梳边带与待变频信号的调制边带拍频输出基频信号，且该基频信号位于该光电混合振荡器的锁定带宽范围内。

【技术特征摘要】
1.一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器，其特征在于，包括一光电混合振荡器，该光电混合振荡器的光链路中设置有光梳调制器，该光电混合振荡器的电链路中设置有带通滤波器；该光电混合振荡器中注入待分频的毫米波信号，该毫米波信号的中心频率为该带通滤波器中心频率的整数倍，该光电混合振荡器产生的光频梳边带与待变频信号的调制边带拍频输出基频信号，且该基频信号位于该光电混合振荡器的锁定带宽范围内。2.如权利要求1所述的注入锁定毫米波分频器，其特征在于，该光电混合振荡器包括一光梳调制器，其信号输入端与一激光器连接，用于接收该激光器注入的种子光，其信号输出端与一光放大器连接，用于将输出信号输入该光放大器进行放大；该放大器经一光纤耦合器分别与一段长度为L1、一段长度为L2的单模光纤连接，两光电探测器分别用于探测通过两单模光纤的光信号，将光信号转化为电信号并输入到一微波功率合成器的输入端；该微波功率合成器的输出端经一放大器、该带通滤波器与一微波定向耦合器输入端连接，该微波定向耦合器的输出端依次经功率放大器、微波功率合成器、T型偏置器与该光梳调制器的射频驱动端口连接；其中，该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；该微波定向耦合器的另一输出端口作为微波信号输出端口；待分频的毫米波信号通过该微波功率合成器中的一个输入端口向振荡环路注入毫米波信号。3.如权利要求2所述的注入锁定毫米波分频器，其特征在于，L1至少为L2的10倍。4.如权利要求2所述的注入锁定毫米波分频器，其特征在于，所述光放大器为掺铒光纤放大器。5.如权利要求3所述的注入锁定毫米波分频器，其特征在于，所述光纤耦合器为50:50的光纤耦合器。6.一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器的分...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐永驰，彭焕发，解晓鹏，郭锐，杜华阳，胡康，陈章渊，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11