CN104577648A - 全光宽带微波频率梳发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光宽带微波频率梳发生器，涉及光波导与光电元件的耦合装置技术领域。所述发生器包括频率梳种子源发生模块、调节控制模块、频谱拓展模块，所述频率梳种子源发生模块包括第一半导体激光器、第一非球面透镜、第一分束器、第二分束器、第一法拉第旋转器、第二法拉第旋转器、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述调节控制模块包括计算机和压电陶瓷，所述频谱拓展模块包括可调衰减器、光隔离器、第二非球面透镜以及第二半导体激光器。所述发生器避免了电子瓶颈的限制，梳距调节灵活，可进一步获得带宽较宽的微波频率梳信号，并可在一定程度上均衡各梳线的功率。

Description

全光宽带微波频率梳发生器
技术领域
本发明涉及光波导与光电元件的耦合装置技术领域，尤其涉及一种全光宽带微波频率梳发生器。
背景技术
微波频率梳应用非常广泛，已经在雷达探测、电磁兼容性(EMC)测试以及宽带无线通信等相关领域展现出巨大的应用前景。
通常，现有的微波频率梳获取方案可以分为电学和光学两种。电学方案是以电容或电阻的非线性电路为基础的一种传统微波频率梳产生方案。利用电学方式产生的微波频率梳，虽然带宽可达几个GHz甚至十几个GHz，但是由于梳距不能灵活调节而使其应用受到极大地限制。另外，随着微波频率梳带宽的进一步提升，必将导致电子电路的设计和加工更加复杂，由此带来系统的成本高昂。此外，由于电子瓶颈的限制，基于电子电路产生的频率梳的带宽将难以向更高带宽扩展。
在利用光学方案产生微波频率梳方面，目前主要包括利用扫描隧道显微镜隧道结的非线性效应和利用光电探测器(PD)转换光学频率梳两种方式。采用前一种方式可以在实验上获得了谐波达GHz水平的微波频率梳信号，但所获得的微波频率梳还存在梳线功率不均衡、含有较多的非谐波毛刺等问题；而后一种方式—光学频率梳经PD转换而获得微波频率梳，随着近年来光学频率梳产生技术的日臻完善而愈发受到关注。然而，利用这种方式产生的微波频率梳在实际应用中还存在一些关键问题需要解决：(1)如何使获得的光学频率梳的梳距稳定且可调、梳线细锐。(2)如何使获得的微波频率梳满足功率均衡。由于这种获取方式的物理机制是利用光学频率梳中所有梳线在PD中进行拍频而获得微波频率梳，因此即便是功率均衡的光学频率梳经过PD转换后也难以保证所获得的微波频率梳各梳线之间能达到功率均衡。为了获得功率均衡的微波频率梳，通常还需要引入复杂的谱色散管理，因而导致基于光学频率梳获得微波频率梳的系统比较复杂，系统造价也比较昂贵。此外，基于光纤中的非线性效应也可以产生微波频率梳，且该方案所获得的微波频率梳的中心波长以及梳线间隔均可调，但梳线功率从频率梳的中心往外急剧下降从而导致频率梳的带宽较小。可见，基于以上提及的各方案目前还难以获取梳距可调、梳线细锐且功率均衡的超宽带微波频率梳，因此需要探索一些优质微波频率梳获取的新技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种全光宽带微波频率梳发生器，所述发生器避免了电子瓶颈的限制，梳距调节灵活，可进一步获得带宽较宽的微波频率梳信号，并可在一定程度上均衡各梳线的功率。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种全光宽带微波频率梳发生器，其特征在于：所述发生器包括频率梳种子源发生模块、调节控制模块、频谱拓展模块，所述频率梳种子源发生模块用于产生梳距可调的微波频率梳种子源信号，所述频率梳种子源发生模块包括第一半导体激光器、第一非球面透镜、第一分束器、第二分束器、第一法拉第旋转器、第二法拉第旋转器、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述调节控制模块包括计算机和压电陶瓷，所述压电陶瓷固定在所述第一平面反射镜和第二平面反射镜上，所述频谱拓展模块包括可调衰减器、光隔离器、第二非球面透镜和第二半导体激光器，第一半导体激光器发射出的光束经第一非球面透镜后通过第一分束器分为两部分，第一部分经第一法拉第旋转器后发送给第一平面反射镜，第二部分经第二分束器后又分为两部分，其中第一部分经第二法拉第旋转器后发送给第二平面反射镜，第二部分依次经可调衰减器、光隔离器、第二非球面透镜后发送给第二半导体激光器，计算机分别与第一半导体激光器、第二半导体激光器、压电陶瓷和可调衰减器连接，分别控制第一半导体激光器、第二半导体激光器的温度、电流及反馈的腔长。
进一步的技术方案在于：所述半导体激光器选用商用半导体激光器LDM5S515-005，中心波长1550nm。
进一步的技术方案在于：所述第一平面反射镜和第二平面反射镜相对于竖直面呈对称设置。
进一步的技术方案在于：所述调节控制模块还包括温度控制模块和电流控制模块，所述温度控制模块和电流控制模块分别与第一半导体激光器和第二半导体激光器的温度控制端和电流控制端连接，所述温度控制模块和电流控制模块受控于所述计算机。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：相比通常的微波频率梳发生器，本发生器因采用全光结构，避免了电子瓶颈的限制；利用双非相干光反馈结构可实现梳距的灵活调节；采用光注入式的频谱拓展结构可进一步获得带宽较宽的微波频率梳信号；采用光注入式的频谱拓展结构可在一定程度上均衡各梳线的功率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明所述发生器的测试系统原理框图；
其中：1、第一半导体激光器2、第一非球面透镜3、第一分束器4、第二分束器5、第一法拉第旋转器6、第二法拉第旋转器7、第一平面反射镜8、第二平面反射镜9、计算机10、压电陶瓷11、可调衰减器12、光隔离器13、第二非球面透镜14、第二半导体激光器15、温度控制模块16、电流控制模块。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明公开了一种全光宽带微波频率梳发生器，所述发生器包括频率梳种子源发生模块、调节控制模块、频谱拓展模块，所述频率梳种子源发生模块用于产生梳距可调的微波频率梳种子源信号。所述半导体激光器可以选用商用半导体激光器LDM5S515-005，中心波长1550nm，当然其他型号的半导体激光器也可以使用。
所述频率梳种子源发生模块包括第一半导体激光器1、第一非球面透镜2、第一分束器3、第二分束器4、第一法拉第旋转器5、第二法拉第旋转器6、第一平面反射镜7和第二平面反射镜8，所述调节控制模块包括计算机9和压电陶瓷10，所述压电陶瓷10固定在所述第一平面反射镜7和第二平面反射镜8上，所述频谱拓展模块包括可调衰减器11、光隔离器12、第二非球面透镜13和第二半导体激光器14。
第一半导体激光器1发射出的光束经第一非球面透镜2后通过第一分束器3分为两部分，第一部分经第一法拉第旋转器5后发送给第一平面反射镜7，第二部分经第二分束器4后又分为两部分，其中第一部分经第二法拉第旋转器6后发送给第二平面反射镜8，第二部分依次经可调衰减器11、光隔离器12、第二非球面透镜13后发送给第二半导体激光器14，计算机9分别与第一半导体激光器1、第二半导体激光器14、压电陶瓷10和可调衰减器11连接，分别控制第一半导体激光器1、第二半导体激光器14的温度、电流及反馈的腔长。
为了进一步的控制激光器的温度和电流，所述调节控制模块还包括温度控制模块15和电流控制模块16。所述温度控制模块15和电流控制模块16分别与第一半导体激光器1和第二半导体激光器14的温度控制端和电流控制端连接，所述温度控制模块15和电流控制模块16受控于所述计算机9。所述第一平面反射镜7和第二平面反射镜8相对于竖直面呈对称设置，以保证光路的平行。
如图2所示，为所述发生器的测试系统，其中其中，SL：半导体激光器；AL：非球面透镜；VA：可调衰减器；HW：半波片；BS：分束镜；OI：光隔离器；FC：分束器；PD：光电探测器；MPD：功分器；OSC：实时示波器；OSA：光谱分析仪；ESA：频谱分析仪。
SL1(其温度和电流分别由高精度温控源(精度±0.01k)和超低噪声电流源控制)在引入双非相干光反馈后，通过可调衰减器调节非相干光反馈强度以及通过压电陶瓷(精度达nm级)来精确控制反馈时延，可使SL1工作在谐波频率锁定态从而获得梳距可调的频率梳种子源。SL1输出的一部分经过光电探测器后输入到频谱分析仪可实现对微波频率梳种子源特性的分析，而另一部分则注入到SL2。在合适的注入条件下可实现频谱的有效拓展并对各梳线的功率进行一定程度的均衡。光路中的隔离器OI(隔离度大于55dB)用于防止其它器件反馈回的光进入到激光器从而对其输出状态造成干扰。从SL2输出的信号经过PD转化后即是获得的微波频率梳，其特性可通过频谱分析仪进行分析。在SL2中采用的优化机制一方面可使频率梳各梳线的纯度得到提高(通过在SL2中引入低频微波调制或其它外部扰动来实现)，另一方面可对梳线的功率进行进一步的均衡。在整个实验系统中，所有仪器通过GPIB和高速数据采集卡与计算机连接，可以实现对实验数据的采集、实时分析评估及实验系统的调控。
相比通常的微波频率梳发生器，本发生器因采用全光结构，避免了电子瓶颈的限制；利用双非相干光反馈结构可实现梳距的灵活调节；采用光注入式的频谱拓展结构可进一步获得带宽较宽的微波频率梳信号；采用光注入式的频谱拓展结构可在一定程度上均衡各梳线的功率。

Claims (4)

1.一种全光宽带微波频率梳发生器，其特征在于：所述发生器包括频率梳种子源发生模块、调节控制模块、频谱拓展模块，所述频率梳种子源发生模块用于产生梳距可调的微波频率梳种子源信号，所述频率梳种子源发生模块包括第一半导体激光器(1)、第一非球面透镜(2)、第一分束器(3)、第二分束器(4)、第一法拉第旋转器(5)、第二法拉第旋转器(6)、第一平面反射镜(7)和第二平面反射镜(8)，所述调节控制模块包括计算机(9)和压电陶瓷(10)，所述压电陶瓷(10)固定在所述第一平面反射镜(7)和第二平面反射镜(8)上，所述频谱拓展模块包括可调衰减器(11)、光隔离器(12)、第二非球面透镜(13)和第二半导体激光器(14)，第一半导体激光器(1)发射出的光束经第一非球面透镜(2)后通过第一分束器(3)分为两部分，第一部分经第一法拉第旋转器(5)后发送给第一平面反射镜(7)，第二部分经第二分束器(4)后又分为两部分，其中第一部分经第二法拉第旋转器(6)后发送给第二平面反射镜(8)，第二部分依次经可调衰减器(11)、光隔离器(12)、第二非球面透镜(13)后发送给第二半导体激光器(14)，计算机(9)分别与第一半导体激光器(1)、第二半导体激光器(14)、压电陶瓷(10)和可调衰减器(11)连接，分别控制第一半导体激光器(1)、第二半导体激光器(14)的温度、电流及反馈的腔长。
2.根据权利要求1所述的全光宽带微波频率梳发生器，其特征在于：所述半导体激光器选用商用半导体激光器LDM5S515-005，中心波长1550nm。
3.根据权利要求1所述的全光宽带微波频率梳发生器，其特征在于：所述第一平面反射镜(7)和第二平面反射镜(8)相对于竖直面呈对称设置。
4.根据权利要求1所述的全光宽带微波频率梳发生器，其特征在于：所述调节控制模块还包括温度控制模块(15)和电流控制模块(16)，所述温度控制模块(15)和电流控制模块(16)分别与第一半导体激光器(1)和第二半导体激光器(14)的温度控制端和电流控制端连接，所述温度控制模块(15)和电流控制模块(16)受控于所述计算机(9)。
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