本發(fā)明涉及微波光子學(xué)領(lǐng)域，具體為一種基于電光梳的超低相位噪聲微波信號(hào)產(chǎn)生方法及系統(tǒng)。本發(fā)明利用電光梳作為分頻器將高相干雙波長激光器的超低相對相位噪聲轉(zhuǎn)移至微波信號(hào)。本方法產(chǎn)生的超低相位噪聲微波信號(hào)適用于時(shí)間計(jì)量、射電天文學(xué)、雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：：1、超低相位噪聲微波廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。在基礎(chǔ)科學(xué)研究中，超低相位噪聲微波有望替代目前噴泉原子鐘系統(tǒng)中的本振信號(hào)，促進(jìn)時(shí)頻科學(xué)發(fā)展。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，多普勒雷達(dá)系統(tǒng)中微波的相位噪聲將直接決定系統(tǒng)的定位精度，超低相位噪聲微波可滿足多譜勒雷達(dá)系統(tǒng)對“低慢小”目標(biāo)的探測要求。傳統(tǒng)純電學(xué)辦法產(chǎn)生的微波信號(hào)由低頻率的晶振倍頻產(chǎn)生，而倍頻過程必然使得相位噪聲功率譜密度變差。壓低晶振相位噪聲的空間已非常有限，進(jìn)一步由傳統(tǒng)倍頻方案產(chǎn)生超低相位噪聲微波信號(hào)的挑戰(zhàn)非常大。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，諸多低噪聲光生微波方案被提出和發(fā)展。常見的光生微波方案包括光電混合振蕩器和光分頻技術(shù)。2、光電混合振蕩器由于1/f噪聲及l(fā)eeson效應(yīng)的限制，近載波頻偏相位噪聲通常以1/f?3的斜率下降，因此近載波頻偏(1hz)相位噪聲往往較差[參考文獻(xiàn)：d.eliyahu,etal.,“phase?noise?of?a?high?performance?oeo?and?an?ultra-low?noise?floorcross-correlation?microwave?photonic?homodyne?system,”in?proceedings?of2002ieee?international?frequency?control?symposium(2008),pp.811–814.]。光分頻技術(shù)使用光學(xué)頻率梳作為大系數(shù)分頻器將低噪聲的激光器分頻至微波，產(chǎn)生的微波信號(hào)可以同時(shí)在近載波頻偏(1hz)和遠(yuǎn)載波頻偏(10khz)擁有超低相位噪聲。傳統(tǒng)的光分頻方案利用光纖光頻梳將單波長激光器分頻至微波，2017年,法國巴黎天文臺(tái)與德國menlo公司合作實(shí)現(xiàn)了紀(jì)錄性超低相位噪聲12ghz微波，單邊帶相位噪聲優(yōu)于-107dbc/hz@1hz,-173dbc/hz@10khz[參考文獻(xiàn)：xie,xiaopeng,et?al."photonic?microwave?signals?withzeptosecond-level?absolute?timing?noise."nature?photonics?11.1(2017):44-47.]。然而傳統(tǒng)的光分頻方案要求光頻梳覆蓋倍頻程，同時(shí)需要高非線性光電探測器，且光頻梳頻率不可調(diào)?；陔姽馐岬膬牲c(diǎn)分頻法能夠克服以上困難，2014年，美國加州理工大學(xué)與美國國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究院合作，利用電光梳將雙波長布里淵激光器分頻至微波，實(shí)現(xiàn)低相位噪聲微波[參考文獻(xiàn):j.li,et?al.,“electro-optical?frequency?division?and?stablemicrowave?synthesis,”science?345(2014):309–313.]。后來，這一方案被美國hqphotonics公司研發(fā)為產(chǎn)品，2017年在國際頻率控制論壇會(huì)議上報(bào)道了該產(chǎn)品產(chǎn)生的30ghz微波信號(hào)其相噪達(dá)到-87dbc/hz@10hz,-151dbc/hz@10khz，但受限于布里淵激光器，其近載波頻偏(1hz)相位噪聲較差。技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路1、基于電光梳的兩點(diǎn)分頻法能夠克服傳統(tǒng)光分頻方案的局限性，但需要低相對相位噪聲的雙波長激光器。為了提升基于電光梳的兩點(diǎn)分頻法產(chǎn)生的微波的性能，本發(fā)明提供一種基于電光梳的超低相位噪聲微波信號(hào)產(chǎn)生方法及系統(tǒng)。本發(fā)明使用pound-drever-hall技術(shù)將兩臺(tái)半導(dǎo)體激光器鎖定到同一fabry–pérot腔實(shí)現(xiàn)雙波長激光器。使用殘余幅度調(diào)制噪聲控制技術(shù)將雙波長激光器的相對相位噪聲壓低至量子噪聲極限。將雙波長激光器的輸出激光(中心頻率分別為ν1和ν2)送入由若干個(gè)相位調(diào)制器組成的電光梳發(fā)生器得到兩套電光梳，雙波長激光器中心頻率ν1和ν2之間間隔n根電光梳梳齒(如n＝21)。用光學(xué)濾波器濾出重疊梳齒送入光纖光電探測器得到差頻信號(hào)，其頻率大小為雙波長激光器頻率差減去n倍電光梳重復(fù)頻率。檢測差頻信號(hào)頻率大小后，設(shè)置參考源頻率與之相同。將差頻信號(hào)與同頻率的參考信號(hào)鑒相得到誤差信號(hào)反饋至電光梳驅(qū)動(dòng)源形成鎖相環(huán)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)源的相位噪聲為雙波長激光器相對相位噪聲減去20*log(n)，即實(shí)現(xiàn)超低相位噪聲微波信號(hào)產(chǎn)生。2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：3、一種基于電光梳的超低相位噪聲微波信號(hào)產(chǎn)生方法，其步驟包括：4、1)將兩臺(tái)獨(dú)立的波長連續(xù)可調(diào)諧的激光器通過兩路調(diào)制頻率不同的pound-drever-hall鏈路鎖定在同一個(gè)fabry–pérot腔中實(shí)現(xiàn)頻率間隔為(v2-v1)雙波長激光器，兩路鏈路各由一個(gè)雙通道射頻信號(hào)源驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器且調(diào)制頻率不同；5、2)使用殘余幅度調(diào)制噪聲控制技術(shù)控制相位調(diào)制器將兩路pound-drever-hall鏈路電子噪聲壓低至量子噪聲極限；6、3)將所述雙波長激光器的輸出耦合為一路輸入電光頻率梳發(fā)生器產(chǎn)生兩套電光頻率梳且光譜存在重疊部分，否則無法得到差頻信號(hào)；其中電光頻率梳發(fā)生器由頻率為fr的射頻源驅(qū)動(dòng)，電光頻率梳發(fā)生器的射頻驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)足夠大以保證兩套電光梳能夠存在重疊梳齒。7、4)使用可調(diào)光學(xué)濾波器濾出重疊部分的一對電光頻率梳梳齒，將光學(xué)濾波器的輸出送入光纖光電探測器中，得到拍頻信號(hào)；其中n為兩臺(tái)獨(dú)立激光器的中心波長之間的梳齒總數(shù)；8、5)將光纖光電探測器輸出的拍頻信號(hào)與來自于參考信號(hào)源的參考信號(hào)接入鑒相器中鑒相；鑒相器輸出信號(hào)送入比例-積分-微分控制電路；拍頻信號(hào)理論上與參考信號(hào)的頻率相同，均為(ν2-ν1-nfr)；9、6)將比例-積分-微分控制電路的輸出反饋到電光頻率梳發(fā)生器的射頻源控制器實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)控制射頻源相位噪聲，得到頻率為fr的超低相噪微波信號(hào)。10、進(jìn)一步的，所述波長連續(xù)可調(diào)諧的激光器工作波長在1550nm附近，fabry–pérot腔的中心波長也在1550nm附近。11、進(jìn)一步的，所述pound-drever-hall鏈路光學(xué)部分包括雙通道射頻信號(hào)源、相位調(diào)制器、準(zhǔn)直器、半波片、偏振分光棱鏡、四分之一波片、空間光光電探測器；激光通過由雙通道射頻信號(hào)源的一路輸出驅(qū)動(dòng)的相位調(diào)制器后產(chǎn)生一對相位相反的邊帶。激光通過相位調(diào)制器后，相位調(diào)制器連接至準(zhǔn)直器，通過準(zhǔn)直器光纖光轉(zhuǎn)換為自由空間光，通過半波片將該自由空間光的偏振態(tài)調(diào)節(jié)為p光輸入偏振分光棱鏡，經(jīng)偏振分光棱鏡透射輸出的光通過四分之一波片，入射至fabry–pérot腔。光束被fabry–pérot腔反射后的反射光將攜帶頻率偏移信息；反射光再次通過四分之一波片偏振態(tài)為s光，被偏振分光棱鏡反射至空間光光電探測器接收。12、進(jìn)一步的，所述pound-drever-hall鏈路電學(xué)部分包括鑒相器件、比例-積分-微分控制電路；空間光光電探測器輸出攜帶了頻率偏移信息，與雙通道射頻信號(hào)源的另一路輸出通過鑒相器鑒相產(chǎn)生誤差信號(hào)，輸入比例-積分-微分控制電路，比例-積分-微分控制電路的輸出反饋至激光器實(shí)現(xiàn)鎖定。13、進(jìn)一步的，所述電光頻率梳發(fā)生器的性能應(yīng)達(dá)到能夠讓雙波長激光器產(chǎn)生的兩套電光頻率梳光譜存在重疊部分，即電光頻率梳單邊帶寬應(yīng)達(dá)到(v2-v1)/2；所述電光頻率梳發(fā)生器包括若干個(gè)級(jí)聯(lián)的相位調(diào)制器，均由外部頻率為fr的射頻信號(hào)源驅(qū)動(dòng)；所述用于組成電光頻率梳發(fā)生器的若干個(gè)級(jí)聯(lián)的相位調(diào)制器用于對激光器輸出的種子光進(jìn)行擴(kuò)譜得到多梳齒電光光頻梳。14、進(jìn)一步的，所述可調(diào)光學(xué)濾波器應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)帶寬為fr的光學(xué)濾波。15、進(jìn)一步的，所述與光纖光電探測器輸出信號(hào)同頻的參考信號(hào)應(yīng)具有低相位噪聲的特性。16、進(jìn)一步的，所述鑒相器、比例-積分-微分電路應(yīng)具有低附加相位噪聲的特性。17、一種基于電光梳的超低相噪微波信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器、雙通道射頻信號(hào)源、相位調(diào)制器、光纖耦合器、準(zhǔn)直器、半波片、偏振分光棱鏡、四分之一波片、fabry–pérot腔、空間光光電探測器、鑒相器、比例-積分-微分控制電路、電光頻率梳發(fā)生器、光纖光電探測器、參考信號(hào)源、射頻源；其中18、所述激光器，用于產(chǎn)生種子光源；19、所述雙通道射頻信號(hào)源一路輸出用于驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器、一路輸出用于光纖光電探測器輸出的鑒相；所述調(diào)制器與雙通道射頻信號(hào)源的一路輸出連接，用于對輸入的所述種子光源進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生一對相位相反的邊帶；其中，兩個(gè)鏈路的調(diào)制頻率不同；20、所述光纖耦合器用于兩臺(tái)激光器輸出的耦合；所述準(zhǔn)直器用于將光纖光轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂煽臻g光；所述準(zhǔn)直器、半波片、偏振分光棱鏡、四分之一波片用于實(shí)現(xiàn)pound-drever-hall技術(shù)；21、所述電光頻率梳發(fā)生器，用于將雙波長激光轉(zhuǎn)變?yōu)閮商纂姽忸l率梳；所述可調(diào)光學(xué)濾波器用于濾出交叉梳齒；所述光纖光電探測器用于探測交叉梳齒的頻率信息；所述參考信號(hào)源用于提供頻率參考；22、所述鑒相器、比例-積分-微分電路用于兩個(gè)pound-drever-hall鏈路的鑒相、光纖光電探測器輸出與參考源的鑒相位；23、所述射頻源的輸出分作兩部分，一部分作為電光頻率梳發(fā)生器驅(qū)動(dòng)源，一部分作為超低相噪微波信號(hào)輸出。24、本發(fā)明使用pound-drever-hall技術(shù)將兩臺(tái)半導(dǎo)體激光器鎖定在同一個(gè)fabry–pérot腔中實(shí)現(xiàn)雙波長激光器；使用殘余幅度調(diào)制噪聲控制技術(shù)將兩路pound-drever-hall鏈路電子噪聲壓低至量子噪聲極限；雙波長激光器的輸出通過由若干個(gè)相位調(diào)制器組成的電光梳發(fā)生器得到兩套電光梳，且兩套電光梳存在交錯(cuò)部分；使用光學(xué)濾波器濾出其中一對梳齒拍頻后與參考源鑒相，得到誤差信號(hào)后反饋到射頻驅(qū)動(dòng)源形成鎖相環(huán)，實(shí)現(xiàn)對射頻驅(qū)動(dòng)源的相位壓縮。25、本發(fā)明的有益效果是：26、本發(fā)明提供了便捷的、魯棒的超低相位噪聲微波產(chǎn)生方法，適用于時(shí)間頻率計(jì)量、射電天文學(xué)、雷達(dá)、導(dǎo)航等應(yīng)用中，用于支撐更精準(zhǔn)、更精確、更精密的探測。當(dāng)前第1頁12當(dāng)前第1頁12