本发明涉及光频梳，具体涉及一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统及锁定方法。
背景技术：
1、超稳微波信号在科学和工业领域有着重要的地位，如定位、导航、光通信网络、激光雷达、基本物理量测量、高性能原子钟等。由于光学频率梳的发明，光生超稳微波的方法得到了验证与应用。微腔光频梳的可集成、低功耗、宽带宽和高重频（一般十几ghz到数thz）优势，引起了越来越多的关注。重频锁定的微腔光频梳已在很多领域成功应用，如超快测距、双梳光谱学、校准天体物理光谱仪等。
2、在微腔光频梳领域，存在两种主要的稳重频方法：主动锁相环技术和被动注入锁定技术。主动锁相环技术通过反馈控制系统将误差信号反馈给泵浦激光器，实现稳频，但此方法受到电学器件的限制，反馈带宽受限且会在锁定重频的相噪中引入额外噪声，同时光电转换的需求不利于光子集成。被动注入锁定技术由于其结构简单和操作易于实现而受到广泛关注，但作为开环注入锁定系统，其锁定重频的稳定性和相噪性能会随时间变差，且无法延长微腔孤子的寿命，不利于增强微腔光频梳系统的鲁棒性和抗干扰能力。这主要是由于泵浦光源的长期随机频率漂移导致的。开环注入锁定方法无法有效抑制这种漂移，限制了其在工程应用中的使用。因此，如何将光生超稳微波推向光子集成化和工程化应用是当前面临的一个关键挑战。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决锁相环方法的闭环反馈带宽受限于电学带宽，且需要大量电学器件不利于集成，以及开环注入锁定性能随时间恶化，系统的鲁棒性和抗干扰能力差等不足之处，而提供一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统及锁定方法。
2、为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
3、一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统，其特殊之处在于：包括泵浦光源、注入频率单元、微梳产生单元、光谱仪、光纤布拉格光栅、功率监测单元、测试单元、控制单元、可编程直流电压源和原子钟；
4、所述泵浦光源的输出端连接有第一光纤分束器，第一光纤分束器的第一输出端连接微梳产生单元的第一输入端，第二输出端通过注入频率单元连接微梳产生单元的第二输入端，微梳产生单元用于产生微腔光频梳；所述微梳产生单元的输出端连接有第二光纤分束器，第二光纤分束器的第一输出端与光谱仪连接，光谱仪用于监测产生的微腔光频梳的光谱，第二光纤分束器的第二输出端与光纤布拉格光栅连接，光纤布拉格光栅的输出端通过第三光纤分束器分别连接功率监测单元和测试单元，光纤布拉格光栅用于滤掉泵浦光和辅助光，所述功率监测单元用于滤出泵浦光左侧第一根梳齿，并监测泵浦光左侧第一根梳齿的功率，所述测试单元用于测试微腔光频梳的重频的相位噪声和稳定度；
5、所述控制单元的输入端分别连接功率监测单元和测试单元，输出端分别连接注入频率单元和可编程直流电压源，用于闭环注入锁定微腔光频梳的重频（下文简称“闭环注入锁定重频”）；
6、所述可编程直流电压源的输出端连接泵浦光源的输入端，用于调节泵浦光源的工作波长；
7、所述原子钟的输出端分别连接注入频率单元的输入端和测试单元的输入端，用于提供参考频率基准；所述注入频率单元用于将驱动频率加载到泵浦光源上。
8、进一步地，所述注入频率单元包括输出输入依次连接的第一微波源和强度电光调制器；所述第一微波源连接控制单元的第一输出端，输入端连接原子钟；所述第一光纤分束器的第二输出端通过强度电光调制器连接微梳产生单元的输入端。
9、进一步地，所述测试单元包括高速光电探测器、相噪分析仪、混频器、第二微波源和频率计数器；
10、所述光纤布拉格光栅的输出端通过第三光纤分束器的输出端连接高速光电探测器的输入端，高速光电探测器的第一输出端连接相噪分析仪的输入端，高速光电探测器的第二输出端连接混频器的第一输入端，高速光电探测器用于探测微腔光频梳的重频；
11、所述相噪分析仪的输出端连接控制单元的第一输入端，相噪分析仪用于获得微腔光频梳的重频，并测量微腔光频梳的重频的相位噪声；
12、所述第二微波源的参考频率输入端连接原子钟，输出端连接混频器的第二输入端，混频器的输出端连接频率计数器的输入端，混频器用于将高速光电探测器输出的重频信号与第二微波源提供的稳定微波信号下混频，以降低测量频率；所述频率计数器用于精确测量下混频信号的频率稳定度，进而评估微腔光频梳的重频的频率稳定性。
13、进一步地，所述功率监测单元包括输出输入依次连接的光学带通滤波器和光功率计；所述光纤布拉格光栅的输出端通过第三光纤分束器的一个输出端连接光学带通滤波器的输入端；所述光功率计的输出端连接控制单元的第二输入端。
14、进一步地，所述第一光纤分束器、第二光纤分束器和第三光纤分束器分别采用50:50光纤分束器、90:10光纤分束器和50:50光纤分束器，所述第二光纤分束器的10端口与光谱仪连接，90端口与光纤布拉格光栅连接。
15、进一步地，所述泵浦光源为窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器。
16、同时，本发明还提供一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频锁定方法，采用上述程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统实现，其特殊之处在于，包括以下步骤：
17、步骤1、搭建上述程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统；
18、步骤2、设置泵浦光源的工作波长，并调节微梳产生单元，产生微腔光频梳；
19、步骤3、根据测试单元实时探测的微腔光频梳的自由运转重频，由控制单元调整注入频率单元的驱动频率和调制深度，直到开环注入锁定微腔光频梳的重频（下文简称“开环注入锁定重频”）；
20、步骤4、设置光学带通滤波器的中心频率和带宽，将滤出的泵浦光左侧第一根梳齿送入光功率计，通过光功率计监测泵浦光左侧第一根梳齿的功率变化；
21、步骤5、判断泵浦光左侧第一根梳齿的功率是否大于第一阈值，若是，则执行步骤6，否则重复执行步骤5，确保锁定重频的相位噪声和稳定度始终维持在最佳水平，实现程控闭环注入锁定微腔光频梳重频锁定；
22、步骤6、通过控制单元调节可编程直流电压源加载在泵浦光源上的电压，直至泵浦光左侧第一根梳齿的功率小于第二阈值，返回步骤5。
23、进一步地，所述步骤6具体为：
24、通过控制单元调节可编程直流电压源加载在泵浦光源上的电压，先将电压增大40mv，对应泵浦光左侧第一根梳齿的功率变化大于60nw，然后判断泵浦光左侧第一根梳齿的功率是否小于第二阈值，若是，则执行步骤5，否则先将电压减小40mv，再以2mv为步进逐渐降低电压，直到泵浦光左侧第一根梳齿的功率小于第二阈值为止，返回步骤5。
25、进一步地，步骤5中，所述第一阈值为100nw；步骤6中，所述第二阈值为40nw。
26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
27、（1）本发明一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统，包括泵浦光源、注入频率单元、微梳产生单元、光谱仪、光纤布拉格光栅、功率监测单元、测试单元、控制单元、可编程直流电压源和原子钟，本发明具有结构简单、操作容易、成本低廉、易于推广的优点，因此具有很强的实用价值。
28、（2）本发明一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统，所提供的闭环反馈部分只需光学带通滤波器、光功率计和控制单元，没有伺服系统和大量的电学器件，不会引入电学噪声，可以产生更优异的超低相噪信号。
29、（3）本发明一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统，所提供的闭环反馈部分采用光学解决方案，有利于闭环锁定部分（光学带通滤波器、光功率计）与微腔光频梳产生部分（泵浦光源、注入频率单元、微梳产生单元）的光子集成。
30、（4）本发明一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频锁定方法，可以实现锁定的微腔光频梳重频始终维持在最佳锁定状态和微腔孤子的长期稳定存活，可以增强本发明的系统鲁棒性及对环境的抗干扰能力，有利于现实应用。
31、（5）本发明一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频锁定方法，采用程控方案实现，能够满足工程化的需要，有效减轻了对专业技术人员的依赖，促进光生超稳微波在工程应用等领域的发展。
1.一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统，其特征在于：包括泵浦光源(1)、注入频率单元(2)、微梳产生单元(3)、光谱仪(4)、光纤布拉格光栅(5)、功率监测单元(6)、测试单元(7)、控制单元(8)、可编程直流电压源(9)和原子钟(10)；
2.根据权利要求1所述的一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统，其特征在于：所述注入频率单元(2)包括输出输入依次连接的第一微波源(22)和强度电光调制器(21)；所述第一微波源(22)连接控制单元(8)的第一输出端，输入端连接原子钟(10)；所述第一光纤分束器(110)的第二输出端通过强度电光调制器(21)连接微梳产生单元(3)的输入端。
3.根据权利要求1所述的一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统，其特征在于：所述测试单元(7)包括高速光电探测器(71)、相噪分析仪(72)、混频器(73)、第二微波源(74)和频率计数器(75)；
4.根据权利要求3所述的一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统，其特征在于：所述功率监测单元(6)包括输出输入依次连接的光学带通滤波器(61)和光功率计(62)；所述光纤布拉格光栅(5)的输出端通过第三光纤分束器(112)的一个输出端连接光学带通滤波器(61)的输入端；所述光功率计(62)的输出端连接控制单元(8)的第二输入端。
5.根据权利要求1至4任一所述的一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统，其特征在于：所述第一光纤分束器(110)、第二光纤分束器(111)和第三光纤分束器(112)分别采用50:50光纤分束器、90:10光纤分束器和50:50光纤分束器，所述第二光纤分束器(111)的10端口与光谱仪(4)连接，90端口与光纤布拉格光栅(5)连接。
6.根据权利要求5所述的一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统，其特征在于：所述泵浦光源(1)为窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器。
7.一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频锁定方法，采用权利要求1所述的一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频系统实现，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频锁定方法，其特征在于，所述步骤6具体为：
9.根据权利要求7或8所述的一种程控闭环注入锁定微腔光频梳重频锁定方法，其特征在于：步骤5中，所述第一阈值为100nw；步骤6中，所述第二阈值为40nw。
