CN105896235B - 基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器 - Google Patents

基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器，由激光器(1)、偏振控制器(2)、马赫曾德强度调制器(3)、RF放大器(4)、滤波器(5)、光电探测器(6)、多层膜回音壁模式光学微腔(7)和激光器锁频模块(8)组成闭合光电反馈环路，该闭合光电反馈环路是光电振荡器的主要结构。本发明该光电振荡器可以有效减小温度波动等外界环境因素对所产生微波频率的影响，获得高质量、稳定的微波信号，降低信号噪声，并且尺寸小，重量轻，易于封装、集成。

Description

基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器
技术领域
本发明属于微波与光电子技术领域，具体涉及一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器。
背景技术
光电振荡器(OEO)是一种高质量微波发生装置，在频率合成、通信系统、航海系统、特别是微波光子学领域有着重要应用。传统的基于长光纤光电振荡器由Lute Maleki等人于1994年首次提出，这种OEO用几公里的长光纤进行储能，损耗小(0.2dB/km)，相位噪声低(-140dBc/Hz)，突破了传统微波发生器随频率增大相位噪声升高的局限。尽管有以上优势，长光纤OEO仍然存在一系列缺陷：(1)容易受外界机械振动、温度波动影响；(2)体积大，笨重，对光电振荡器在航天航空领域应用带来诸多不便；(3)光纤延迟线产生的环腔模式会产生大量频率间隔很小的杂散模式，这些细小杂散模式难以被RF滤波器滤除。
为提高光电振荡器的性能，弥补长光纤光电振荡器的不足，近些年来人们提出了许多新的结构。如用多光纤环结构抑制杂散模式，或者将振荡器锁定在原子谐振上等等。其中最有趣的一种结构就是用一个高Q值回音壁模式光学微腔代替长光纤延迟线，例如，CN104659637 A，CN 101911403 B，CN 104466620 A。在基于光学微腔的光电振荡器系统中，光学微腔作为一个高Q值的储能元件，产生的微波振荡频率等于回音壁模式微腔的自由光谱范围(FSR)。这种结构解决了长光纤OEO的大多问题，可以产生稳定、高效的微波振荡，并且可以大大减小杂散模式。更重要的是，这种结构紧凑，有利于光电振荡器的小型化、集成化。然而，现已提出的基于光学微腔OEO仍旧存在一定的问题，由于产生的微波振荡频率与回音壁模式微腔的FSR相对应，温度波动会影响微腔的FSR进而导致输出的微波频率不稳定。因此，为了进一步提升器件的稳定性，充分发挥超高Q值带来的极窄线宽的优势，需要采取一定措施降低微腔模式对温度、空气流动等外界环境因素的敏感程度。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器。该光电振荡器可以有效减小温度波动等外界环境因素对所产生微波频率的影响，获得高质量、稳定的微波信号，降低信号噪声，并且尺寸小，重量轻，易于封装、集成。
为实现一种对温度不敏感、稳定的微波发生器，本发明采取的技术解决方案是：一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器，由激光器、偏振控制器、马赫曾德强度调制器、RF放大器、滤波器、光电探测器、多层膜回音壁模式光学微腔和激光器锁频模块组成闭合光电反馈环路，该闭合光电反馈环路是光电振荡器的主要结构；其中，激光器产生连续可调谐激光，可调谐激光作为输入光，偏振控制器控制输入光的偏振状态，马赫曾德强度调制器对来自所述激光器的光进行强度调制产生边带；RF放大器用于放大环路中的射频电信号；滤波器用于滤除射频信号的噪声；光电探测器用于将光信号转化为射频电信号；多层膜回音壁模式光学微腔作为高Q值储能器件和滤波器件；激光器锁频模块用于将激光器输出频率锁定在多层膜回音壁模式光学微腔的谐振频率上。
进一步，所述的多层膜回音壁模式光学微腔为三层膜结构，膜层折射率从内向外分别为高-低-高，若选取合适的中间层厚度和折射率，则两个高折射率层能够支持各自的回音壁模式(WGM)，即“内层模式”和“外层模式”，其模式类似于两个独立的腔所支持的回音壁模式；内层模式和外层模式经过所述光电探测器后其频率差为产生的微波频率；由于内层模式和外层模式对温度的响应几乎相同，基本可以消除温度波动对RF频率的影响。
进一步，所述的多层膜回音壁模式光学微腔可以是球形、盘形、环形、柱形或者瓶口形状。
进一步，所述的多层膜回音壁模式光学微腔和输入、输出耦合波导形成Add-drop滤波器结构，耦合波导可以是锥形光纤、耦合棱镜或集成波导。
进一步，所述的激光器是连续可调谐激光器，其波长和输出功率均可调谐，用于为系统注入连续单频光信号。
进一步，所述的马赫曾德强度调制器用反馈的射频信号调制输入光信号，产生所需边带，且泵浦光在微腔内部模式(或外部模式)上谐振，边带光在与泵浦光不同的另一个模式上谐振。
进一步，所述的RF放大器是工作在微波波段的低噪声放大器，用于给振荡环路提供合适的增益。
进一步，所述的滤波器为工作于微波波段的带通滤波器，用于滤除RF信号的噪声，只保留所需振荡频率附近的RF信号，与所述的Add-drop结构光学微腔配合使用，可以更好地抑制杂散模式，减小相位噪声，提高输出RF信号的质量。
进一步，所述的激光器锁频模块使用Pound-Drever-Hall(PDH)稳频模块将激光器输出频率锁定在多层膜回音壁模式光学微腔内层模式或者外层模式上。
进一步，所述的光电探测器的带宽大于所产生微波的频率，所述的闭合光电反馈环路的增益总和大于环路损耗总和。
上述基于多层膜光学微腔的光电振荡器的工作原理为：首先环路微波部分的噪声对输入激光信号进行强度调制，在马赫曾德调制器的输出端产生宽带光谱；这种源自噪声的宽带光谱经过多层膜光学微腔，微腔作为一个高Q值的储能元件和滤波元件对宽带光谱进行窄带滤波；由微腔输出的内层模式和外层模式经过光电探测器转化为电信号，此RF信号为多层膜微腔内层模式和外层模式的频率差；RF滤波器对该电信号进行选模滤波后输入RF放大器进行放大，之后反馈到马赫曾德调制器的RF端口，作为调制器的驱动电信号，由此形成闭合光电反馈环路。当环路的增益总和大于损耗总和时，环路建立自激光电振荡，此时振荡的RF频率等于微腔内层模式和外层模式的频率差，多次循环后，器件在很短的时间内可以建立稳定的光电振荡。值得注意的是，产生的微波信号频率对应于多层膜微腔内层模式和外层模式的差频，而通过选择合适的三层膜材料和厚度，可以使得内层模式和外层模式对温度的响应完全相同(考虑热光效应和热膨胀效应)。因此，这种结构的光电振荡器可以有效地减小甚至消除温度波动对输出RF频率的影响，产生稳定、高质量的微波信号。
本发明具有以下优点：
(1)本发明用多层膜光学微腔内层模式和外层模式的频率差作为产生的微波频率，有效地减小甚至消除了温度波动等外界环境因素对输出RF频率的影响，可以得到更加稳定、高质量的微波信号；
(2)本发明中多层膜光学微腔和输入波导、输出波导为Add-drop滤波器结构，可以更好地滤除RF信号中的杂散细小模式，相位噪声小，频谱纯度高。
(3)本发明用一个多层膜光学微腔耦合系统代替传统光电振荡器中几公里长的光纤，体积小，重量轻，易于封装、集成，给光电振荡器在微波光子学领域特别是航天航空上的应用提供了新的方法。
附图说明
图1为基于多层膜光学微腔的光电振荡器的结构示意图；
图2为三层膜光学微球腔与输入波导、输出波导耦合系统的FDTD仿真模型；
图3为三层膜光学微腔耦合系统的谐振频谱；
图4为三层膜光学微球腔磁场HZ分布图，其中，图4(a)是内层谐振时的磁场分布，图4(b)是外层谐振时的磁场分布。
图中标号：1-激光器，2-偏振控制器，3-马赫曾德强度调制器，4-RF放大器，5-滤波器，6-光电探测器，7-多层膜回音壁模式光学微腔，8-激光器锁频模块，9-输入波导，10-输出波导。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
图1是本发明提出的基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器的结构示意图。该光电振荡器由激光器1、偏振控制器2、马赫曾德强度调制器3、RF放大器4、滤波器5、光电探测器6、多层膜光学微腔7和激光器锁频模块8组成闭合光电反馈环路，该环路是光电振荡器的主要结构；其中，激光器1经过偏振控制器2后与马赫曾德强度调制器3的输入端连接，用于产生连续可调谐激光，偏振控制器控制输入光的偏振状态，马赫曾德强度调制器对来自所述激光器的光进行强度调制产生边带，且泵浦光和边带之间的频率间距恰好等于微腔内部模式和外部模式的频率差；多层膜光学微腔7作为一个高Q值储能器件和滤波器件，利用其特殊的模式结构同时产生内层模式和外层模式；光电探测器6用于接收来自多层膜光学微腔模块的内层模式和外层模式光信号，利用光学差频效应产生光生微波信号；RF放大器4用于放大环路中的射频电信号；滤波器5用于滤除射频信号的噪声，获得所需微波段信号；激光器锁频模块8使用Pound-Drever-Hall(PDH)稳频模块将激光器输出频率锁定在多层膜光学微腔7内层模式或者外层模式上。
进一步，本实施例中，多层膜光学微腔为一个三层膜SiO2微球腔，球芯折射率nL＝1.46；输入波导9、输出波导10为宽度dW＝300nm的单模波导，折射率nW＝1.8；周围介质层为空气nC＝1；微球腔加上三层膜的总半径R＝3.6μm；内、外高折射率层(TiO2，nH＝2.38)厚度均为tH＝200nm，中间层(SiO2，nL＝1.46)厚度为tL＝400nm；微腔和波导之间间距g＝100nm；入射波为高斯脉冲，波长范围在700nm-900nm。
图2为三层膜光学微球腔与输入波导、输出波导耦合系统的FDTD仿真模型，使用Fortran自编FDTD程序对该三层膜微球腔耦合系统进行FDTD仿真计算，并将其转化为二维问题，仿真域为12μm×12μm的方形区域，将该区域划分为600×600个网格，选择完美匹配层(UPML)作为吸收边界条件。在仿真过程中，输入光波从输入波导耦合到微球腔的外层膜，并通过外层膜耦合到内层膜中，在微腔中循环的光每次经过输入波导或者输出波导的耦合区时会有一部分光耦合出来，其余光继续在微腔的两个高折射率层中循环，在500,000步后光全部衰减完毕。对采样数据进行FFT变换，可以得到三层膜微球腔耦合系统的相对强度频谱，如图3所示。
从图3中可以看出，两个高折射率层(内层和外层)可以分别支持各自的回音壁模式(内层模式和外层模式)，它们的谐振模式分裂如同两个独立微腔中的回音壁模式，微球腔磁场HZ分布如图4所示，其中，图4(a)是内层谐振时的磁场分布，图4(b)是外层谐振时的磁场分布。通过改变三层膜的厚度或折射率，可以控制内层模式和外层模式的频率差。将这两种模式的光输入至光电探测器中，利用光学差频效应获得光生微波信号。而通过选择合适的三层膜材料和厚度，能够使得内层模式和外层模式对温度的响应完全相同，即：产生的微波信号不受温度波动的影响。另外，若将多层膜光学微腔和输入、输出耦合波导封装在低折射率光固胶中，并用紫外光完全固化该耦合系统，可以避免外界振动、空气流动、环境折射率变化等因素对耦合系统造成的影响。因此，这种结构的光电振荡器可以有效地减小甚至消除温度波动等外界环境因素对输出RF频率的影响，产生稳定、高质量的微波信号。
其中，多层膜光学微腔的制备可以通过RF溅射镀膜技术完成。使用微腔专用镀膜机，将微腔夹持在一个可旋转的主轴上，以此获得均匀的膜层；通过控制溅射时间控制膜层厚度；通过选择不同的溅射压力、RF功率、和溅射温度优化膜层质量，提高微腔的Q值。
综上所述，本发明提出了一种基于多层膜光学微腔的光电振荡器，可以有效地减小甚至消除温度波动等外界环境因素对产生微波频率的影响，提高光电振荡器的稳定性。其实现途径是利用三层膜微腔内层模式和外层模式的差频作为产生的微波频率，通过选择合适的三层膜材料和厚度，使得内外层模式的频率差对温度不敏感。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的具体实施例并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器，其特征在于：由激光器(1)、偏振控制器(2)、马赫曾德强度调制器(3)、RF放大器(4)、滤波器(5)、光电探测器(6)、多层膜回音壁模式光学微腔(7)和激光器锁频模块(8)组成闭合光电反馈环路，该闭合光电反馈环路是光电振荡器的主要结构；其中，激光器(1)产生连续可调谐激光，可调谐激光作为输入光，偏振控制器(2)控制输入光的偏振状态，马赫曾德强度调制器(3)对来自所述激光器(1)的光进行强度调制产生边带；多层膜光学微腔(7)作为高Q值储能器件和滤波器件，对调制信号和边带产生谐振；光电探测器(6)用于将调制信号和边带产生的差频信号转化为射频电信号；RF放大器(4)用于放大环路中的射频电信号；滤波器(5)用于滤除射频信号的噪声；激光器锁频模块(8)用于将激光器输出频率锁定在多层膜回音壁模式光学微腔(7)内层模式或外层模式的谐振频率上；
所述的多层膜回音壁模式光学微腔(7)为三层膜结构，膜层折射率从内向外分别为高-低-高，选取合适的中间层厚度和折射率，使两个高折射率层能够支持各自的回音壁模式(WGM)，即“内层模式”和“外层模式”，其模式类似于两个独立的腔所支持的回音壁模式；内层模式和外层模式经过所述光电探测器(6)后其频率差为产生的微波频率；由于内层模式和外层模式对温度的响应相同，以消除温度波动对RF频率的影响。
2.根据权利要求1所述的一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器，其特征在于：所述的多层膜回音壁模式光学微腔(7)是球形、盘形、环形、柱形或者瓶口形状。
3.根据权利要求1所述的一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器，其特征在于：所述的多层膜回音壁模式光学微腔(7)和输入、输出耦合波导形成Add-drop滤波器结构，耦合波导是锥形光纤、耦合棱镜或集成波导。
4.根据权利要求1所述的一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器，其特征在于：所述的激光器(1)是连续可调谐激光器，其波长和输出功率均可调谐，用于为系统注入连续单频光信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器，其特征在于：所述的马赫曾德强度调制器(3)用外加射频信号调制输入光信号，产生所需边带，且泵浦光和边带之间的频率间距恰好等于微腔内部模式和外部模式的频率差。
6.根据权利要求1所述的一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器，其特征在于：所述的RF放大器(4)是工作在微波波段的低噪声放大器，用于给振荡环路提供合适的增益。
7.根据权利要求1所述的一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器，其特征在于：所述的滤波器(5)为工作于微波波段的带通滤波器，用于滤除RF信号的噪声，只保留所需振荡频率附近的RF信号，与Add-drop结构光学微腔配合使用，可以更好地抑制杂散模式，减小相位噪声，提高输出RF信号的质量。
8.根据权利要求1所述的一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器，其特征在于：所述的激光器锁频模块(8)使用Pound-Drever-Hall(PDH)稳频模块将激光器输出频率锁定在多层膜回音壁模式光学微腔内层模式或者外层模式上。
9.根据权利要求1所述的一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器，其特征在于：所述的光电探测器(6)的带宽大于所产生微波的频率，所述的闭合光电反馈环路的增益总和大于环路损耗总和。
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