CN114336227B

CN114336227B - 一种基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置

Info

Publication number: CN114336227B
Application number: CN202111610110.6A
Authority: CN
Inventors: 崔雯雯; 耿勇; 周恒�
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2041-12-27
Also published as: CN114336227A

Abstract

本发明公开了一种基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置，采用相干辅助激光加热方案，利用泵浦激光和辅助激光的相干性，结合射频信号发生器极高的调谐精度，产生重复频率在K波段的克尔孤子光梳；然后将产生的克尔孤子光梳经光纤布拉格光栅(FBG)滤除泵浦激光，将滤除泵浦激光的克尔孤子光梳送入快速光电二极管，光电转换后，产生K波段微波信号；最后将快速光电二极管的输出接入相位噪声分析仪，测量微波信号的相位噪声。

Description

一种基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置

技术领域

本发明属于微波光子技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置。

背景技术

无线电和微波信号的合成、分配和处理在我们的信息社会中无处不在，用于雷达、无线网络和卫星通信。随着电信带宽瓶颈的逼近(例如5G和物联网的未来需求)，使用更高频段的载波成为趋势。随着载波频率的增加，生成和数字化电子信号变得越来越困难，使用光子学来处理超宽带信号已被广泛探索。这通常被称为“微波光子学”。微波光子学在滤波器、雷达、模数转换器、光纤无线电、波形生成、亚噪声检测和光通信中的里程碑式演示已经实现了使用传统电子设备无法达到的带宽。

同样，低噪声微波信号的合成在各种现代应用(如时频计量和无线宽带通信)中至关重要，通过使用基于频率梳的光分频的光谱纯度(噪声)，已获得无与伦比的性能。然而，这些技术的未来部署关键取决于通过光子集成组件实现类似的性能增强。在这种情况下，基于集成微谐振器的耗散克尔孤子光梳(“孤子微梳”)是关键的构建模块，作为用于光学和微波合成的多个相干光载波的来源。

在光学微腔中产生的耗散克尔孤子光梳(简称孤子微梳)被认为是一种很有前途的技术，可以将传统复杂、昂贵和大容量的光频梳(OFC)系统变成便携式甚至芯片集成设备，从而将OFC带到更广泛的应用中。孤子微梳的一种可能且非常有用的功能是通过光检测在微腔内循环的孤子脉冲序列的重复率(即微梳线间距)来产生超稳定的微波。在不同的微梳平台上已经产生了低相位噪声的微波信号，其中一些已经可以与最好的电振荡器的规格相媲美。然而，一些众所周知但尚未解决的物理效应，仍然限制了孤子微梳作为微波振荡器的噪声性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置，避免了现有耗散克尔孤子光梳的孤子重复率随机抖动等问题，从而稳定产生微波信号。

为实现上述发明目的，本发明一种基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置，其特征在于，包括：激光模块、泵浦模块、光学微腔模块、辅助模块、输出检测模块和微波信号模块；

所述激光模块包含可调谐激光器和光耦合器，可调谐激光器输出波长可调的连续光，通过光耦合器将连续光分成两束，分别作为泵浦模块和辅助模块的输入信号；

所述泵浦模块和辅助模块的结构及工作原理完全相同，分别包含声光调制器AOM、射频信号发生器、功率放大器EDFA、光纤布拉格光栅FBG、光纤环形器以及偏振控制器PC；

所述光学微腔模块包含光学微腔以及拉锥光纤，其中，拉锥光纤作为微腔耦合器；泵浦激光和辅助激光经过光纤环形器后通过拉锥光纤耦合进入光学微腔；

采用相干辅助激光加热时，先设置声光调制器的驱动频率以及功率放大器的功率：在辅助模块中，通过射频信号发生器设置声光调制器AOM的驱动频率f₁，并保持固定不变，设置功率放大器的输出功率为P₁；在泵浦模块中，通过射频信号发生器设置声光调制器AOM的驱动频率f₂，设置功率放大器的输出功率为P₂，但P₂要小于P₁；

输入的激光信号经过声光调制器AOM移频后，输入至功率放大器EDFA进行放大，再通过光纤环形器送入至光纤布拉格光栅FBG，从而滤除带外的放大器自发辐射噪声，最后通过偏振控制器将偏振调整至与光学微腔的横电波(TE模)一致，再由光纤环形器送入光学微腔模块，其中，由泵浦模块送入光学微腔模块的激光信号记为泵浦激光，由辅助模块送入光学微腔模块的激光信号记为辅助激光；

通过上述设置后，先把辅助激光耦合进入光学微腔，然后调整可调激光器的输出波长，使辅助激光保持在谐振峰的蓝失谐区，从而在克尔光梳的产生过程中维持腔内热平衡；接着，将泵浦激光从与辅助激光相反的方向耦合进入光学微腔，保持辅助激光波长和输出功率P₁不变，缓慢减小泵浦模块中射频信号发生器的频率，使得泵浦激光进入谐振峰蓝失谐区，接着继续减小射频信号发生器的频率，直至泵浦激光稳定于谐振峰红失谐区，从而产生孤子重复频率为v_rep的克尔光梳；

所述输出检测模块包含多个光纤环形器、光耦合器、功率计PM以及光纤布拉格光栅FBG、光谱仪OSA；

泵浦激光经过光纤环形器后输入至光学微腔模块，同时，提取来自光学微腔模块的辅助激光给功率计，用于监控辅助激光的光功率；同样，辅助激光经过光纤环形器后到光学微腔模块，同时，提取来自光学微腔模块的泵浦激光和耗散克尔孤子光梳，然后由光耦合器分为两路，一路送入光谱仪，通过光谱仪观察输出的耗散克尔孤子光梳光谱，当耗散克尔孤子光梳光谱具有平滑包络时，则完成孤子锁模；另一路送入光纤环形器通过光纤布拉格光栅滤除耗散克尔孤子光梳外的干扰，得到的耗散克尔孤子光梳经耦合器分成两路，一路送入功率计进行耗散克尔孤子光梳的功率测量，另一路送入微波信号模块，进行微波信号的产生和测量；其中，经光纤环形器和光纤布拉格光栅滤除干扰后的耗散克尔孤子光梳反弹回来送入功率计，用于监控泵浦激光的光功率；

微波信号模块包含快速光电二极管和相位噪声分析仪；将克尔光梳送入快速光电二极管进行光电转换，从而产生微波信号，最后再将产生的微波信号送入相位噪声分析仪，用于测量相位噪声。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置，采用相干辅助激光加热方案，利用泵浦激光和辅助激光的相干性，结合射频信号发生器极高的调谐精度，产生重复频率在K波段的克尔孤子光梳；然后将产生的克尔孤子光梳经光纤布拉格光栅(FBG)滤除泵浦激光，将滤除泵浦激光的克尔孤子光梳送入快速光电二极管，光电转换后，产生K波段微波信号；最后将快速光电二极管的输出接入相位噪声分析仪，测量微波信号的相位噪声。

同时，本发明基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置还具有以下有益效果：

(1)、本发明采用相干辅助激光加热方案，辅助激光加热使得微腔保持自热锁定，稳定了泵浦失谐，抑制泵浦激光频率随机漂移引起的孤子脉冲宽度的变化。

(2)、辅助激光器和泵浦激光器来自同一个激光器模块，它们的频率间隔非常稳定，由图中AOM的驱动信号决定，这种配置可以通过辅助和泵浦激光之间的热和克尔交叉相位调制的组合效应进一步稳定泵浦失谐。

(3)、本发明所用的微棒腔，其品质因子Q＝0.73×10⁹，高Q值使得我们可以用低泵浦功率来产生耗散克尔孤子光梳，并且产生的耗散克尔孤子光梳有相对小的频谱带宽(20dB带宽6.88nm)，对应的时域脉冲宽度较宽，因此几乎没有拉曼自频移。

(4)、本发明所用的微棒腔有大的等效模场面积，并且通过控制微腔的几何尺寸，以及拉锥光纤与微腔的耦合状态，使得微棒腔表现为稀疏模式分布，因此在耗散克尔孤子光梳的整个频谱范围内，没有明现的由于模式竞争导致的色散跳变。

附图说明

图1是本发明基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置一种具体实施方式架构图；

图2是微棒腔示意图；

图3是微棒腔一个FSR内的扫描透射谱图；

图4是具有平滑包络的耗散克尔孤子光梳光谱图；

图5是微波信号的相位噪声。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置一种具体实施方式架构图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置，包括：激光模块1、泵浦模块2、光学微腔模块3、辅助模块4、输出检测模块5和微波信号模块6；

激光模块1包含可调谐激光器101和光耦合器102，可调谐激光器101输出波长可调的连续光，通过光耦合器102将连续光分成两束，分别作为泵浦模块2和辅助模块4的输入信号；

在本实施例中，可调谐激光器101选择稳定性极高的NKT Basik E15激光器，其波长为1550nm，且具有小于100Hz的线宽，能够增强产生的单孤子克尔光梳的稳定性。

泵浦模块2和辅助模块4的结构及工作原理完全相同，分别包含声光调制器AOM201、401、功率放大器EDFA 202、402、光纤布拉格光栅FBG 204、404和光纤环形器203、403、偏振控制器PC 205、405和射频信号发生器206、406；

光学微腔模块3包含光学微腔301以及拉锥光纤302，其中，拉锥光纤302作为微腔耦合器；泵浦激光和辅助激光经过对应的光纤环形器501、502后通过拉锥光纤302耦合进入光学微腔301；

采用相干辅助激光加热时，先设置声光调制器的驱动频率以及功率放大器的功率：在辅助模块3中，通过射频信号发生器406设置声光调制器AOM 401的驱动频率为100MHz，并保持固定不变；输入的激光信号经过声光调制器AOM401移频后，输入至功率放大器EDFA402进行放大，并设置EDFA 402的输出功率为21dBm，然后通过光纤环形器403送入光纤布拉格光栅FBG 404滤除带外的ASE噪声(放大器自发辐射噪声即AmplifierSpontaneousemission Noise，简称ASE噪声)，再通过偏振控制器PC 405将偏振调整至与光学微腔301的TE模一致；在泵浦模块2中，通过射频信号发生器206设置声光调制器AOM 201的驱动频率为105MHz；输入的激光信号经过声光调制器AOM 201移频后，输入至功率放大器EDFA 202进行放大，并设置EDFA 202的输出功率为18dBm，然后通过光纤环形器203送入光纤布拉格光栅FBG 204滤除带外的ASE噪声，再通过偏振控制器PC 205将偏振调整至与光学微腔301的TE模一致；

在本实施例中，采用相干辅助激光加热即使泵浦激光器以进入孤子状态进入红色失谐状态，辅助激光加热的方法也让微腔保持自热锁定，这实际上稳定了泵浦失谐，抑制泵浦激光频率随机漂移引起的孤子脉冲宽度的变化。事实上，在我们的设置中，辅助激光器和泵浦激光器来自同一个激光器模块，它们的频率间隔非常稳定(由图1中AOM的驱动信号决定)。这种配置可以通过辅助和泵浦激光之间的热和克尔交叉相位调制的组合效应进一步稳定泵浦失谐。通过引入相干辅助激光补偿腔内热效应，可以使泵浦激光波长扫描过程中微腔内总功率维持相对稳定，腔内光功率处于有效蓝失谐状态，整个微腔可以保持在热稳定状态。

在本实施例中，由泵浦模块送入光学微腔模块的激光信号记为泵浦激光，由辅助模块送入光学微腔模块的激光信号记为辅助激光；

通过上述设置后，先把辅助激光耦合进入光学微腔301，然后调整可调激光器101的输出波长，使辅助激光保持在谐振峰的蓝失谐区，从而在克尔光梳的产生过程中维持腔内热平衡；接着，将泵浦激光从与辅助激光相反的方向耦合进入光学微腔301，保持辅助激光波长和输出功率100MHz不变，缓慢减小泵浦模块中射频信号发生器206的频率，使得泵浦激光进入谐振峰蓝失谐区，接着继续减小射频信号发生器206的频率，直至泵浦激光稳定于谐振峰红失谐区，从而产生孤子重复频率为v_rep的耗散克尔孤子光梳；

本实施例中，以10kHz/s的速度降低泵浦光路AOM的调制频率，观察光谱仪中微腔输出光光谱，如图4所示，出现平滑包络后，停止频率扫描，此时实现了耗散克尔孤子光梳的孤子锁模。

在本实施例中，光学微腔为二氧化硅回音壁模式微棒腔，微棒腔的示意图如图2所示，其特性参数为：自由光谱宽度FSR＝21.5GHz，品质因子Q＝0.73×10⁹，等效模场面积A_eff＝85μm²，非线性系数γ～10^-3W^-1m^-1，折射率系数n₀＝1.45，非线性折射率系数n₂＝3×10^- ²⁰m²/W。通过控制微腔的几何尺寸，以及拉锥光纤与微腔的耦合状态，使得微棒腔表现为稀疏模式分布，如图3所示，因此在耗散克尔孤子光梳的整个频谱范围内，没有明现的由于模式竞争导致的色散跳变。相比于其他光生微波方案，本发明产生的耗散克尔孤子光梳光谱非常平滑，没有任何相当大的色散波或由于避免模式交叉而抑制的梳状线。该特征源于二氧化硅WGM微腔的小模式密度，以及生成的孤子微梳的相对较小的频谱带宽(20dB带宽6.88nm，sech²拟合)。如此小的孤子带宽是由于二氧化硅WGM微棒腔的大模式面积和伴随的小非线性系数(γ～10^-3)引起的。因此，对于我们的耗散克尔孤子光梳，色散波引起的反冲可以忽略不计。

输出检测模块包含光纤环形器501、502、503、光耦合器504、505、功率计PM 508、509、510以及光纤布拉格光栅FBG 506、光谱仪OSA 507；

泵浦模块2产生的泵浦激光经过光纤环形器501后到光学微腔模块3，同时，提取来自光学微腔模块3的辅助激光，给功率计PM 508，用于监控辅助激光的光功率；同样，辅助模块4产生的辅助激光经过光纤环形器502后到光学微腔模块3，同时，提取来自光学微腔模块3的泵浦激光和耗散克尔孤子光梳，然后光耦合器504分为两路，一路送入光谱仪OSA 507，通过光谱仪观察输出的克尔光梳光谱，当克尔光梳光谱具有平滑包络时，则完成孤子锁模；另一路送入光纤环形器503通过光纤布拉格光栅FBG 506滤除耗散克尔孤子光梳外的干扰，得到的克尔光梳经耦合器505分成两路，一路送入功率计PM 510进行耗散克尔孤子光梳的功率测量，另一路送入微波信号模块6，进行微波信号的产生和测量；其中，经光纤环形器503和光纤布拉格光栅FBG 506滤除干扰后的克尔光梳反弹回来送入功率计PM 509，用于监控泵浦激光的光功率。

微波信号模块6包含快速光电二极管601，相位噪声分析仪602。将克尔光梳送入快速光电二极管601进行光电转换，从而产生微波信号，然后将产生的微波信号送入相位噪声分析仪602，用于测量相位噪声，测得相位噪声如图5所示。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置，其特征在于，包括：激光模块、泵浦模块、光学微腔模块、辅助模块、输出检测模块和微波信号模块；

采用辅助激光加热时，先设置声光调制器AOM的驱动频率以及功率放大器EDFA的功率：在辅助模块中，通过射频信号发生器设置声光调制器AOM的驱动频率f₁，并保持固定不变，设置功率放大器EDFA的输出功率为P₁；在泵浦模块中，通过射频信号发生器设置声光调制器AOM的驱动频率f₂，设置功率放大器EDFA的输出功率为P₂，但P₂要小于P₁；

输入的激光信号经过声光调制器AOM移频后，输入至功率放大器EDFA进行放大，再通过光纤环形器送入至光纤布拉格光栅FBG，从而滤除带外的放大器自发辐射噪声，最后通过偏振控制器PC将偏振调整至与光学微腔的TE模一致，再由光纤环形器送入光学微腔模块，其中，由泵浦模块送入光学微腔模块的激光信号记为泵浦激光，由辅助模块送入光学微腔模块的激光信号记为辅助激光；

泵浦激光经过光纤环形器后输入至光学微腔模块，同时，提取来自光学微腔模块的辅助激光给功率计PM，用于监控辅助激光的光功率；同样，辅助激光经过光纤环形器后到光学微腔模块，同时，提取来自光学微腔模块的泵浦激光和耗散克尔孤子光梳，然后由光耦合器分为两路，一路送入光谱仪OSA，通过光谱仪OSA观察输出的耗散克尔孤子光梳光谱，当耗散克尔孤子光梳光谱具有平滑包络时，则完成孤子锁模；另一路送入光纤环形器通过光纤布拉格光栅FBG滤除耗散克尔孤子光梳外的干扰，得到的耗散克尔孤子光梳经耦合器分成两路，一路送入功率计PM进行耗散克尔孤子光梳的功率测量，另一路送入微波信号模块，进行微波信号的产生和测量；其中，经光纤环形器和光纤布拉格光栅FBG滤除干扰后的耗散克尔孤子光梳反弹回来送入功率计PM，用于监控泵浦激光的光功率；

2.根据权利要求1所述的基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置，其特征在于，所述的光学微腔为二氧化硅回音壁模式微棒腔，其特性参数为：自由光谱宽度FSR＝21.5GHz，品质因子Q＝0.73×10⁹，等效模场面积A_eff＝85μm²，非线性系数γ～10^-3W^-1m^-1，折射率系数n₀＝1.45，非线性折射率系数n₂＝3×10^-20m²/W，微棒腔表现为稀疏模式分布。

3.根据权利要求1所述的基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置，其特征在于，所述的可调谐激光器选择稳定性极高的NKT Basik E15激光器，其波长为1550nm，且具有小于100Hz的线宽。

4.根据权利要求1所述的基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置，其特征在于，所述孤子重复频率v_rep的计算公式为：

其中，D₁是自由光谱范围，D₂是微棒腔的色散系数，Ω_Raman是拉曼诱导孤子的自频移量，Ω_Recoil是耗散克尔孤子光梳光谱的色散波诱导频率反冲，Δv_pp表示由于泵浦激光强度噪声引起的孤子重复率的变化，Δv_Q表示量子限制孤子时间抖动。

5.根据权利要求4所述的基于低畸变耗散克尔孤子的微波信号产生装置，其特征在于，所述拉曼自频移量Ω_Raman的计算公式为：

其中，Q为微棒腔的品质因子，τ_R为微棒腔的拉曼时间常数，ω₀为泵浦激光的角频率，τ_s为孤子的脉冲宽度。