CN106067651A - 基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置 - Google Patents

基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置 Download PDF

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张瑞康
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Abstract

一种基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置包括任意波形发生器，用于提供随时间变化的电信号；分布布拉格反射激光器，与所述波形发生器电性连接，用于依据所述随时间变化的电信号产生啁啾激光；可调谐单模激光器，用于产生可调谐单模激光；耦合器，与所述分布布拉格反射激光器、所述可调谐单模激光器连接，用于将所述分布布拉格反射激光器发出的啁啾激光与所述可调谐单模激光器发出的可调谐单模激光耦合；以及光电探测器，接收耦合后的激光，并生成啁啾微波，该啁啾微波产生装置可以产生形状、周期和带宽可调的以及具有超高的时间带宽积和压缩比的啁啾微波。

Description

基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置
技术领域
本发明属于微波技术领域，特别涉及基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置。
背景技术
相较于传统雷达，新型脉冲压缩雷达在保证探测距离的前提下，能大幅提高距离分辨力。宽带啁啾微波信号源作为其发射信号的核心装置，具有重要的研究价值。目前，啁啾微波信号一般基于电子学的方法产生，然而受限于电子瓶颈，很难得到带宽超过10GHz的宽带啁啾微波信号。而基于光子学的方法在带宽、调谐性能和抗电磁干扰等方面更具优势。
基于光子学的方法主要有频时映射法、拍频法和基于相位调制的方法等。频时映射的基本原理是在频域对宽谱激光进行整形，然后经过色散介质完成频时映射，最后经光电探测器得到啁啾微波。渥太华大学提出了多种基于频时映射的啁啾微波产生方法(ChaoWang and Jianping Yao,IEEE transactions on Microwave Theory and Techniques,2008,56(2):542-553；Chao Wang and Jianping Yao,IEEE Photonics TechnologyLetters,2008,20(11):882-884)，这类方法的共同缺点是中心频率调谐范围窄、时间带宽积和压缩比较低。中国台湾Jin-Wei Shi等人提出了利用直流光与快速扫频分布反馈(DFB)激光器拍频得到啁啾微波的方案(J.-W.Shi,F.-M.Kuo,et al.,IEEE Photonics Journal,2012,4(1):215-223；Jhih-Min Wun,Chia-Chien Wei,et al.,Optics Express,2013,21(9):11475-11481)，这种方案能得到较高的时间带宽积和压缩比，啁啾微波的形状也能很好的调控，然而快速扫频的原理是基于热效应，所以调谐速度慢，啁啾微波的频率只能调节到10kHz量级，更高的频率将会以带宽降低作为代价，而且得到的啁啾微波平坦度差，这些都会直接恶化雷达的性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一 种基于分布布拉格反射(DBR)激光器的啁啾微波产生装置。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置。该装置包括任意波形发生器，用于提供随时间变化的电信号；分布布拉格反射激光器，与所述波形发生器电性连接，用于依据所述随时间变化的波形的电信号产生啁啾激光；可调谐单模激光器，用于产生可调谐单模激光；耦合器，与所述分布布拉格反射激光器、所述可调谐单模激光器连接，用于将所述分布布拉格反射激光器发出的啁啾激光与所述可调谐单模激光器发出的可调谐单模激光耦合；以及光电探测器，接收耦合后的激光，并生成啁啾微波。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明至少具有以下有益效果之一：
(1)采用任意波形发生器控制分布布拉格反射激光器输出啁啾激光，与单模激光器输出的激光耦合后经光电探测器输出啁啾微波，可以实现超高的时间带宽积和压缩比，同时还能实现中心频率、啁啾形状、带宽和周期的灵活调谐。
(2)分布布拉格反射激光器的具体结构使得在任意波形发生器控制可以输出啁啾微波激光，利用任意波形发生器驱动分布布拉格反射激光器的相区，能实现较高的调制速率和较高的功率平坦度。
附图说明
图1为本发明实施例1中基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置的结构示意图；
图2为图1中分布布拉格反射激光器的结构示意图；
图3为图1中另一分布布拉格反射激光器的结构示意图；
图4为本发明实施例2中基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置的结构示意图；
图5(a)为实施例2中任意波形发生器输出频率为1MHz的三角波电压信号图；
图5(b)为任意波形发生器输出如图5(a)所示电压信号，可调谐单模激光器输出波长为1543.812nm时，得到的线性啁啾微波的时域波形 图；
图5(c)为图5(b)所示时域波形的短时傅里叶变换谱图；
图5(d)为任意波形发生器输出如图5(a)所示电压信号，可调谐单模激光器输出波长为1543.954nm时，得到的线性啁啾微波的时域波形图；
图5(e)为图5(d)所示时域波形的短时傅里叶变换谱图；
图6(a)为实施例2中任意波形发生器输出频率为1MHz的正弦波电压信号图；
图6(b)为任意波形发生器输出如图6(a)所示电压信号，可调谐单模激光器输出波长为1543.812nm时，得到的非线性啁啾微波的时域波形图；
图6(c)为图6(b)所示时域波形的短时傅里叶变换谱图。
【主要元件】
1-分布布拉格反射激光器； 2-可调谐单模激光器；
3光耦合器； 4-光电探测器； 5-任意波形发生器； 6-光隔离器
11-增益区； 12-相区； 13-光栅区； 14-探测器区。
具体实施方式
在对本发明进行介绍之前，首先对其设计原理进行说明。
分布布拉格反射激光器可以利用其相区的自由载流子效应来改变输出波长，具体地，分布布拉格反射激光器相区加载正向电压或电流，相区载流子浓度增大，自由载流子效应导致相区有效折射率减小，从而减小有效腔长，最终改变输出波长。
相区选择合适的工作电压(或电流)范围，可以使分布布拉格反射激光器输出波长与相区电压(或电流)成线性关系。部分非线性可以通过调整任意波形发生器的波形进行精细补偿。
自由载流子效应的速度在ns量级，所以啁啾的重复频率可以从低频调节到GHz量级。相区对激光的吸收很小，调节相区不会改变激光器的输出功率，所以输出激光的功率平坦度高。
任意波形发生器输出形状、幅度和周期可控的电信号，可以使分布布拉格反射激光器输出具有特定啁啾形状、带宽和周期的啁啾激光。这一束 啁啾激光与另外一束可调谐单模激光器输出的单模激光耦合后在光电探测器中拍频，就可以得到具有特定啁啾形状、带宽、周期和中心频率的啁啾微波，啁啾微波的中心频率与啁啾激光中心波长和单模激光的波长差有关，因此可以通过调节单模激光波长来调节中心频率。
本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1：
本实施例提供了一种基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置，如图1所示，该啁啾微波产生装置包括分布布拉格反射激光器1、可调谐单模激光器2、光耦合器3、光电探测器4和任意波形发生器5。
任意波形发生器5与分布布拉格反射激光器1采用电缆连接，为分布布拉格反射激光揩1提供电信号，可以为电压信号或电流信号，优选为电压信号，从而改变分布布拉格反射激光器1的激射波长，使分布布拉格反射激光器1输出的激光带有特定啁啾。
分布布拉格反射激光器1与可调谐单模激光器2均采用光纤连接至光耦合器3，分布布拉格反射激光器1输出的带有特定啁啾的激光与可调谐单模激光器2输出的单模激光经光耦合器3耦合后经光纤入射至光电探测器4，光电探测器4将耦合激光的拍频信号转换为电信号，输出啁啾微波。
分布布拉格反射激光器1优选为半导体分布布拉格反射激光器，其具体结构如附图2所示，分布布拉格反射激光器1包括依次相邻设置的增益区11、相区12、光栅区13和探测器区14，激光从探测区侧出射。增益区11和探测器区14采用相同带隙波长的材料，相区12和光栅区13采用带隙波长相对增益区和探测器区蓝移100-150nm的材料，减少光在相区12和光栅区13的吸收。在实施过程中，分布布拉格反射激光器1的增益区11由恒定电流源注入第一正向电流，相区12由任意波形发生器控制，加载正向偏压，光栅区13悬空或恒定电流源注入第二正向电流，探测器区 14悬空或加载反向偏压，在任意波形发生器5的调制下，输出啁啾激光。
分布布拉格反射激光器1中探测器区14的作用是将透过光栅区13的光吸收，避免光反射回增益区11，影响分布布拉格反射激光器1的单模特性，本领域技术人员应当理解探测器区14并不是必须，在对出射激光要求不高、为了节省成本的情形下采用如图3所示的没有探测器区14的分布布拉格反射激光器1也可以实现本发明。
可调谐单模激光器2，为可调谐激光光源，输出波长与分布布拉格反射激光器1的输出的啁啾激光的中心波长相近，用于提供与分布布拉格反射激光器1输出的啁啾激光拍频的单模激光，通过调节单模激光波长来调节输出啁啾微波的中心频率。
光耦合器3，为2×1光纤耦合器，用于将分布布拉格反射激光器1输出的啁啾激光与可调谐单模激光器2输出的单模激光耦合在一根光纤中传输。
耦合后的激光通过光纤传输至光电探测器4，光电探测器4的带宽高于输出的啁啾微波的最大瞬时频率，用于将耦合后的激光将双波长激光的拍频信号转换为电信号，输出啁啾微波至电缆。
任意波形发生器5，用于产生特定的形状、幅度和周期的电信号，所述形状是随时间变化的，包括三角形、正弦波或其他形状。任意波形发生器5控制分布布拉格反射激光器1的相区12，通过改变任意波形发生器5输出电信号的形状，可以改变啁啾微波信号的啁啾形状；改变任意波形发生器5输出电信号的幅度，可以改变啁啾微波信号的带宽；改变任意波形发生器5输出电信号的周期，可以改变啁啾微波信号的周期。
实施例2：
本实施例提供了一种基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置，如图4所示，相较实施例1，区别仅在于在分布布拉格反射激光器1与光耦合器3之间增设光隔离器6，以避免光耦合器3处的光反馈回分布布拉格反射激光器1造成不良影响。
本实施例中分布布拉格反射激光器1输出的啁啾激光经光纤传输至光隔离器6，再经光纤传输至光耦合器3与可调谐单模激光器2输出的单模激光耦合，耦合后的激光经光纤传输至光电探测器4，光电探测器4将耦 合激光的拍频信号转换为电信号，输出啁啾微波至电缆。
本实施例中的光隔离器6可以集成至分布布拉格反射激光器1内，即分布布拉格反射激光器1封装时包含了光隔离器6。
以下是基于实施例2中的啁啾微波产生装置的测试，具体如下：
图5(a)为任意波形发生器输出的频率为1MHz的三角波电压信号，当可调谐光源输出波长为1543.812nm时，得到如图5(b)所示的啁啾微波时域波形，图5(c)为图5(b)的短时傅里叶变换谱，表明所得到的啁啾微波为下降调频的线性啁啾微波，所得啁啾微波波形的带宽为18GHz，中心频率为9GHz，脉冲持续时间为1μs，时间带宽积为1.8×104，压缩比为3.2×104。
图5(a)为任意波形发生器输出的频率为1MHz的三角波电压信号，当可调谐光源输出波长为1543.954nm时，得到如图5(d)所示的啁啾微波时域波形，图5(e)为图5(d)的短时傅里叶变换谱，表明所得到的啁啾微波为上升调频的线性啁啾微波，所得啁啾微波波形的带宽为18GHz，中心频率为9GHz，脉冲持续时间为1μs，时间带宽积为1.8×104，压缩比为2.4×104。
图6(a)为任意波形发生器输出的频率为1MHz的正弦波电压信号，当可调谐光源输出波长为1543.812nm时，得到如图6(b)所示的啁啾微波时域波形，图6(c)为图6(b)的短时傅里叶变换谱，表明所得到啁啾微波的瞬时频率随时间正弦变化，为非线性啁啾微波，所得啁啾微波波形的带宽为19GHz，中心频率为9.5GHz，脉冲持续时间为1μs，时间带宽积为1.9×104，压缩比为2.76×104。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而己，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。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (10)

1.一种基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置，其特征在于，包括：
任意波形发生器(5)，用于提供随时间变化的电信号；
分布布拉格反射激光器(1)，与所述波形发生器(5)电性连接，用于依据所述随时间变化的电信号产生啁啾激光；
可调谐单模激光器(2)，用于产生可调谐单模激光；
耦合器(3)，与所述分布布拉格反射激光器(1)、所述可调谐单模激光器(2)连接，用于将所述分布布拉格反射激光器(1)发出的啁啾激光与所述可调谐单模激光器(2)发出的可调谐单模激光耦合；以及
光电探测器(4)，接收耦合后的激光，并利用该耦合后的激光生成啁啾微波。
2.根据权利要求1所述的基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置，其特征在于，所述分布布拉格反射激光器(1)包括依次相邻设置的增益区(11)、相区(12)、光栅区(13)；
所述增益区(11)由恒定电流源注入第一正向电流，所述相区(12)接收由任意波形发生器(5)提供的电信号，光栅区(13)悬空或由恒定电流源注入第二正向电流，所述分布布拉格反射激光器(1)在任意波形发生(5)的调制下输出啁啾激光。
3.根据权利要求2所述的基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置，其特征在于，所述分布布拉格反射激光器(1)还包括：
探测器区(14)，相邻所述光栅区(13)设置，用于避免光反射回增益区(11)。
4.根据权利要求3所述的基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置，其特征在于：
所述增益区(11)和探测器区(14)采用相同带隙波长的材料。
5.根据权利要求4所述的基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置，其特征在于：
所述相区(12)和光栅区(13)采用带隙波长相对增益区(11)和探测器区(14)蓝移100～150nm的材料。
6.根据权利要求1所述的基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置，其特征在于，还包括：
光隔离器(6)，设置于所述分布布拉格反射激光器(1)与所述光耦合器(3)之间，防止所述啁啾激光反馈回所述分布布拉格反射激光器(1)。
7.根据权利要求6所述的基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置，其特征在于：
所述光隔离器(6)集成至分布布拉格反射激光器(1)内。
8.根据权利要求1至7中任一所述的基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置，其特征在于：所述光耦合器(3)为2×1光纤耦合器。
9.根据权利要求1至7中任一所述的基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置，其特征在于：
所述任意波形发生器(5)为输出电信号的形状、周期和/或幅值可调的波形发生器，其中：
通过调节输出电信号的形状实现啁啾微波形状的调节；
通过调节输出电信号的周期实现啁啾微波周期的调节；
通过调节输出电信号的幅值实现啁啾微波带宽的调节；
所述可调谐单模激光器(2)为输出激光的波长可调的单模激光器，其通过调节输出激光的波长实现啁啾微波中心频率的调节。
10.根据权利要求1至7中任一所述的基于分布布拉格反射激光器的啁啾微波产生装置，其特征在于：所述随时间变化的电信号为三角波或正弦波。
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