CN106981814A - 基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，利用一只半导体激光器产生可调谐超宽带微波频率梳，半导体激光器的温度及电流由一个电流温控源控制；采用一个外部的信号源去调制半导体激光器的驱动电流，通过调节信号源输出信号的调制频率fm和调制功率Pm，使半导体激光器输出一个微波频率梳的种子源；由可调激光源输出的连续光注入到该电流调制的半导体激光器中，利用光注入引起的带宽增强效应，促使半导体激光器SL产生优质可调谐超宽带微波频率梳。本发明能够产生梳距0.5GHz至10GHz连续可变的微波频率梳，且在1.1GHz至1.2GHz和3.3GHz至8.0GHz两个可调的梳距范围内，获得的优质微波频率梳的带宽可达59GHz(在10dB幅度平坦度内)。
Description
技术领域
本发明属于微波光子技术领域，具体涉及一种基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法。
背景技术
微波频率梳指的是在频域上如同梳子一样等间隔分布的一组频率成分，它既可提供单频微波信号，又可提供多频微波信号，因而在频率与距离计量、宽带无线通信、卫星通信、抗干扰测试等领域具有广泛的应用前景。
目前，现有的微波频率梳的产生方法主要包括电学和光学两种。传统的电学方法即利用变容二极管、晶体三极管等电子器件的非线性效应来产生微波频率梳。虽然，利用电学方法能够产生带宽达十几GHz的微波频率梳，但所产生的频率梳存在梳距不能灵活调节、梳线幅度平坦度较差、高次谐波幅度急剧减小等缺陷。再者，随着通信技术的不断发展，对带宽高达60GHz水平的微波频率梳的需求进一步提升，基于传统电学方法产生的微波频率梳受电子带宽瓶颈的限制，将难以向更高频带扩展。
在利用光学方法产生微波频率梳方面，目前主要有以下三种方式：(1)利用扫描隧道显微镜隧道结的非线性效应获取微波频率梳；(2)利用光电探测器(PD)转换光学频率梳进而获取微波频率梳；(3)利用外部扰动下半导体激光器(SL)呈现的非线性动态来产生微波频率梳。采用第一种光学方式，实验上可以获得窄线宽的十几GHz微波频率梳，但所获得的微波频率梳存在梳距不可调、频率抖动、相噪较大等缺陷。相比第一种方式，近年来，随着光学频率梳产生技术的日臻完善，利用光电探测器(PD)转换光学频率梳进而获取微波频率梳的方案受到业界的广泛关注。目前，研究者利用该方法可以在实验上获得梳距可调、带宽达40GHz水平的宽带微波频率梳信号。但是，通过该方法获取的微波频率梳同样存在频率抖动、相噪较大等缺陷，需要额外引入复杂的频率锁定技术来稳定微波频率梳。此外，由于这种获取方式的物理机制是将光学频率梳中的所有梳线在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的各梳线幅度平坦。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取微波频率梳的系统比较复杂，造价昂贵。
由于半导体激光器SL具有体积小、重量轻、成本低、可集成、可直接高速调制等自身独特的优势，在光注入、光反馈、光电反馈等外部扰动下能够输出单周期、多周期、混沌、频率锁定、规则脉冲、混沌脉冲等丰富的动力学状态，因此利用外部扰动半导体激光器SL呈现的非线性动态获取微波频率梳极具发展潜力。2007年，Chan等人提出了利用光电负反馈半导体激光器呈现的谐波频率锁定状态产生微波频率梳的方案。然而，受反馈环的电子带宽限制，该方案获得的微波频率梳只有几GHz带宽，且获得的微波频率梳存在较多的非谐波毛刺，这些都限制了微波频率梳的潜在应用。为避免Chan方案产生的微波频率梳弊端，2009年，Lin等人提出了另外一种微波频率梳的产生方案。该方案利用光电反馈半导体激光器产生的规则光脉冲注入到另外一个激光器中产生微波频率梳，实验上获得了带宽达20GHz(在10dB幅度平坦度内)、梳距990MHz到2.6GHz可调、非谐波毛刺较少的微波频率梳信号。然而，受光电反馈环的电子带宽限制，采用该方案很难获得带宽高达40GHz的微波频率梳。因此，为获得梳距可调、功率均衡、频率稳定、相噪较低、带宽超过40GHz的优质微波频率梳，需要进行更加深入的技术探索。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，能产生优质可调谐超宽带微波频率梳。
本发明所述的一种基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，利用一只半导体激光器产生可调谐超宽带微波频率梳，该半导体激光器的温度及电流由一个电流温控源控制；
采用一个外部的信号源去调制半导体激光器的驱动电流，通过调节信号源输出信号的调制频率fm和调制功率Pm，使半导体激光器输出一个微波频率梳的种子源；
由可调激光源输出的连续光注入到该电流调制的半导体激光器中，利用光注入引起的带宽增强效应，促使半导体激光器产生优质可调谐超宽带微波频率梳；
其中，在光注入部分，可调激光源输出的连续光依次经过掺饵光纤放大器、偏振控制器、可变光衰减器、光环形器、第一光纤耦合器后分为两部分,一部分入射到光功率计,用于探测注入光功率Pi的大小；另一部分直接注入到半导体激光器中，形成单向光注入系统；通过调节可调激光源的输出波长来改变频率失谐Δf；通过调节偏振控制器来匹配可调激光源与半导体激光器的偏振方向；通过调节可变光衰减器来改变光注入强度Pi，促使光注入直接调制半导体激光器输出可调谐超宽带微波频率梳；在输出部分，半导体激光器中输出的光信号经过第一光纤耦合器、光环形器、第二光纤耦合器后分为两部分,一部分进入光谱分析仪进行光谱分析,而另一部分经光电探测器转成电信号后输入到频谱分析仪进行电谱分析。
所述输出信号的调制频率fm以0.1GHz为步长，在0.5GHz至10GHz之间调节。在此频率区间，以0.1GHz的步长改变调制频率fm，方便观察微波频率梳的梳距及随调制频率fm变化的趋势，有利于精细地观察微波频率梳的梳距与调制频率fm之间的关系以及微波频率梳的带宽随调制频率fm变化的趋势，同时方便找出获得超宽带(59GHz带宽)微波频率梳的调制频率fm取值范围。
所述输出信号的调制功率Pm以1dBm为步长，在6dBm至25dBm之间调节。由于太小的调制功率Pm不足以产生高频的梳线成分，太大的调制功率Pm会降低微波频率梳的幅度平坦度，这些均会导致微波频率梳的宽带减少。因此，在6dBm至25dBm之间，以1dBm为步长调节Pm，有利于我们找出获得超宽带(59GHz带宽)微波频率梳所需的匹配调制功率Pm。
所述可变光衰减器为1550nm波长的可调光衰减器，通过调节该可变光衰减器，每次以10μW的步进增加注入光功率大小。通过如此精细的调节注入光功率，方便观察微波频率梳的品质随注入强度变化的趋势，找出获得超宽带(59GHz带宽)微波频率梳的注入强度取值范围。
进一步，所述半导体激光器为1550nm的高速直接调制分布式反馈半导体激光器；所述电流温控源为ILX-Lightwave LDC-3724C电流温控源；半导体激光器的温度及电流受ILX-Lightwave LDC-3724C电流温控源所控制，其工作温度稳定在20.17℃,电流稳定在25.00mA；在此温度及电流条件下，半导体激光器自由运行时的阈值电流为4.00mA，输出功率为2.04mW，输出波长为1549.03nm，弛豫振荡频率为8.66GHz。
进一步，所述信号源为Agilent公司E8257C型模拟信号发生器,其频率范围为250kHz至20GHz，其功率范围为-135dBm至25dBm。
进一步，所述可调激光源由可调谐激光器发出，通过调节其波长，使可调激光源与半导体激光器自由运行时波长一致，即它们之间的频率失谐为Δf＝0GHz。
进一步，所述微波频率梳的种子源指的是带宽较窄、梳线的幅度平坦度值较大的微波频率梳。
进一步，所述优质可调谐超宽带微波频率梳指的是在1.1GHz至1.2GHz和3.3GHz至8.0GHz两个可调的梳距范围内获得的频率高达67GHz，在10dB幅度平坦度内带宽达59GHz，具有较低相噪的微波频率梳。
本发明的有益效果：
(1)能够有效避免电子器件的带宽限制，产生频率高达67GHz、带宽达59GHz(在10dB幅度平坦度内)的超宽带微波频率梳；
(2)仅通过简单调节信号源输出信号的频率fm，就能够产生梳距0.5GHz至10GHz连续可变的微波频率梳，且在1.1GHz至1.2GHz和3.3GHz至8.0GHz两个可调的梳距范围内，获得的优质微波频率梳的带宽可达59GHz(在10dB幅度平坦度内)。
(3)产生的微波频率梳频率稳定、相噪较低，微波频率梳在较长时间内不会出现信号漂移。
附图说明
图1为本发明使用的可调谐超宽带微波频率梳的产生装置的结构图；
图2为调制频率fm＝1.2GHz、调制功率Pm＝22dBm，注入强度Pi＝0μW和1170μW时，得到的微波频率梳的频谱图；
图3为调制频率fm＝1.2GHz、调制功率Pm＝22dBm，注入强度Pi＝0μW和1170μW时，得到的微波频率梳10kHz频偏处的单边带(SSB)相位噪声图；
图4为调制功率Pm＝22dBm、注入强度Pi＝1170μW时，四个不同调制频率fm下，得到的微波频率梳的频谱图；
图5为调制功率Pm＝22dBm、注入强度Pi＝1170μW时，带宽随调制频率fm的变化趋势。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明所述的基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，所采用的装置包括：可调激光源TL、掺饵光纤放大器EDFA、偏振控制器PC、可变光衰减器VA、光环形器OC、第一光纤耦合器FC1、光功率计PM、半导体激光器SL、信号源SC、电流温控源CT、第二光纤耦合器FC2、光谱分析仪OSA、光电探测器PD和频谱分析仪ESA，参见图1。
可调激光源TL:采用Santec公司的TSL-710，其波长可调谐范围为1480-1640nm，波长精度达±2pm。
掺饵光纤放大器EDFA:采用功率放大或增益放大可选的普通商用掺饵光纤放大器。
偏振控制器PC：采用普通的商用偏振控制器。
可变光衰减器VA：采用1550nm波长的可调光衰减器。
光环形器OC：采用三端口光环形器。
第一光纤耦合器FC1：采用10:90的光纤耦合器。
光功率计PM：采用Thorlab公司生产的带PM100D表头的S155C光纤功率传感器。
半导体激光器SL：采用调制带宽10GHz的高速直接调制分布式反馈半导体激光器,其中心波长为1550nm。
信号源SC:采用Agilent公司生产的E8257C型模拟信号发生器,其频率范围250kHz至20GHz可调，其功率范围-135dBm至25dBm可调。
电流温控源CT:采用温度和电流一体化集成的ILX-Lightwave LDC-3724C电流温控源，用于稳定半导体激光器SL的电流及温度。
第二光纤耦合器FC2：采用10:90的光纤耦合器。
光谱分析仪OSA：采用Ando公司生产的AQ6317C型光谱分析仪，其波长精度为±0.02nm，最高分辨率为0.015nm。
光电探测器PD：采用70GHz带宽的U2T-XPDV3120R光电探测器。
频谱分析仪ESA：采用67GHz带宽的FSW频谱分析仪。
本发明的工作原理：本发明首先利用外部的信号源SC输出的调制信号去直接电流调制半导体激光器SL的工作电流，通过改变调制信号的调制频率fm和调制功率Pm，驱使半导体激光器中SL输出一个梳距可调的微波频率梳的种子源；在此基础上，我们再进一步通过可调激光源TL输出的连续光注入到该电流调制的半导体激光器SL中，利用光注入引起的带宽增强效应，促使半导体激光器SL输出频率稳定、功率均衡、梳距可调、带宽达59GHz(在10dB幅度平坦度内)水平的超宽带微波频率梳。
本发明所述的基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，包括如下步骤：利用一只半导体激光器SL产生可调谐超宽带微波频率梳，该半导体激光器SL的温度及电流受一个高精度、低相噪的电流温控源CT所控制，其工作温度一直稳定在20.17℃,电流稳定在25mA。在此温度及电流条件下，半导体激光器SL自由运行时的阈值电流Ith为4mA，输出功率为2.04mw，输出波长为1549.034nm，弛豫振荡频率为8.66GHz。此时，我们采用一个外部的信号源SC去调制半导体激光器SL的驱动电流，通过调节信号源SC输出信号的调制频率fm和调制功率Pm，使半导体激光器中SL输出一个微波频率梳的种子源。基于直接调制半导体激光器SL输出的微波频率梳种子源，我们再进一步通过可调激光源TL输出的连续光注入到该电流调制的半导体激光器SL中，利用光注入引起的带宽增强效应，促使半导体激光器SL产生频率稳定、功率均衡、带宽达59GHz(在10dB幅度平坦度内)的超宽带微波频率梳。其中，在光注入部分，可调激光源TL输出的连续光经过掺饵光纤放大器EDFA、偏振控制器PC、可变光衰减器VA、光环形器OC、第一光纤耦合器FC1后分为两部分,一部分入射到光功率计PM,用以探测注入光功率Pi的大小；另一部分直接注入到半导体激光器中SL，形成单向光注入系统；通过调节可调激光源TL的输出波长来改变频率失谐Δf，通过调节可变光衰减器VA来改变注入强度Pi，促使光注入的直接调制半导体激光器SL输出可调谐超宽带微波频率梳。在输出部分，半导体激光器中SL输出的光信号经过第一光纤耦合器FC1、光环形器OC、第二光纤耦合器FC2后分为两部分,一部分进入光谱分析仪OSA进行光谱分析,而另一部分经70GHz带宽的光电探测器PD转成电信号后输入到67GHz带宽的频谱分析仪ESA进行电谱分析。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。通过对获取的微波频率梳信号进行性能分析后可适当的调控系统参量，从而获取可调谐超宽带的优质微波频率梳。
本实施例中，由光注入及直接电流调制共同作用的半导体激光器系统是产生可调谐超宽带微波频率梳的基本结构，而其中相关的频率失谐、注入强度、调制频率、调制功率等系统参数的精细选择及协同调控是获取优质微波频率梳的关键。因为，对于优质的微波频率梳而言，梳距均匀且可调、梳线纯净、功率均衡、频率稳定、超宽带是它的关键技术指标。而单独光注入的半导体激光器只能产生一个单频微波信号且该信号存在明显的频率抖动及相位起伏；单独直接电流调制的半导体激光器虽然能够产生频率稳定、梳距可调的微波频率梳，但该频率梳中的高频梳线幅度较小且频率梳的各梳线之间的功率均衡度较差。通过将光注入到直接电流调制的半导体激光器，同时精细的协同调控系统参数(频率失谐、注入强度、调制频率、调制功率)，本发明提出的方法可以在实验上获得梳距均匀且可调、梳线纯净、功率均衡、频率稳定、宽带达59GHz的优质微波频率梳信号。该方法可以避免电学方案产生微波频率梳的电子带宽瓶颈限制，同时也可避免通过其他光学方法产生的频率梳存在的频率抖动、相噪较大、功率不均衡的缺陷。
以下结合实例对本发明作进一步阐述：
在图2、图3、图4和图5中，半导体激光器SL的参数设置如下：半导体激光器SL温度稳定在20.17℃,偏置电流控制在25mA，这种情况下，半导体激光器SL自由运行时的阈值电流Ith为4mA，输出功率为2.04mw，输出波长为1549.03nm，弛豫振荡频率为8.66GHz。再者，通过实验选择，可调激光源TL与自由运行半导体激光器SL之间的频率失谐Δf固定为0GHz。图2显示调制频率fm＝1.2GHz、调制功率Pm＝22dBm，注入强度Pi＝0μW和1170μW时，半导体激光器SL输出的微波频率梳的频谱图。其中，频谱分析仪ESA的分辨率带宽为100kHz。从图2的(a)(以下简称图2(a))中可以看出，在没有外部光注入时，采用调制频率fm＝1.2GHz、调制功率Pm＝22dBm的外部信号去调制半导体激光器SL的驱动电流时，半导体激光器SL能够输出微波频率梳的种子源，但该微波频率梳种子源的各梳线功率较小、梳线间的幅度平坦度较差。在8GHz到67GHz的频率范围内，各梳线幅度平坦度相差约29.4dB。在图2的(b)中(以下简称图2(b))，同样的调制频率fm和调制功率Pm下，当引入外部光注入且注入强度Pi＝1170μW时，半导体激光器SL输出的微波频率梳的性能得到明显提升。微波频率梳的各梳线功率增加，在8GHz到67GHz的频率范围内，各梳线的幅度平坦度降到约10dB。同时，在整个频谱上出现了多达55条梳线。
图3为调制频率fm＝1.2GHz、调制功率Pm＝22dBm，注入强度Pi＝0μW和1170μW时，得到的微波频率梳10kHz频偏处的单边带(SSB)相位噪声图。图3对比显示图2(a)和2(b)中所获微波频率梳的第一条梳线fm、第十条梳线10fm、第二十条梳线20fm、第三十条梳线30fm、第四十条梳线40fm、第五十条梳线50fm、第五十五条梳线55fm的10kHz频偏处的单边带(SSB)相位噪声。从图3可以看出，当光注入且注入强度Pi＝1170μW时，微波频率梳的单边带(SSB)相位噪声比Pi＝0μW(没有光注入)更小，且对于图3所取的这些梳线，其10kHz频偏处的单边带(SSB)相位噪声均低于-86dBc/Hz。因此，图3表明：适当的光注入能够提高微波频率梳的性能、降低其相位噪声。
图4为注入强度Pi＝1170μW、调制功率Pm＝22dBm时，四个不同调制频率fm下，半导体激光器SL输出的微波频率梳的频谱图。从图4可以看出，随着调制频率fm的增加，微波频率梳的梳距、梳线数目以及幅度平坦度随其变化。由于微波频率梳的梳距等于调制频率fm的大小，因此在fm＝1.2GHz时(即图4中(a))，微波频率梳的梳距为1.2GHz，梳线为55条，梳线在8GHz到67GHz的频率范围内幅度平坦度约为10dB；当fm＝1.6GHz时(即图4中(b))，微波频率梳的梳距为1.6GHz，梳线为41条，但在8GHz到67GHz的频率范围，微波频率梳的幅度平坦度增加到12.4dB；当fm增大到3.3GHz(即图4中(c))和5.4GHz(即图4中(d))时，微波频率梳的梳距分别为3.3GHz和5.4GHz，对应的梳线为20条和12条，同时在8GHz到67GHz的频率范围内，微波频率梳的幅度平坦度降低到8dB。在我们的实验中，通过简单的连续改变信号源SC输出信号的频率，我们可以在实验上获得梳距连续可调的微波频率梳信号。
图5为调制功率Pm＝22dBm、注入强度Pi＝1170μW时，带宽随调制频率fm的变化趋势。从图5可以看出，在8GHz到67GHz的微波频率梳范围内，微波频率梳的带宽(在10dB幅度平坦度内)随着调制频率fm的增加而变化，在1.1GHz至1.2GHz、3.3GHz至8.0GHz两个可调的fm范围内，微波频率梳的带宽可达59GHz(在10dB幅度平坦度内)。
综上所述，采用本发明所述方法可以获得梳距可调、梳线纯净、功率均衡、频率稳定、相噪较小、带宽达59GHz水平的微波频率梳信号。它不但可以适用于常用低频段(0.5～3GHz)密集微波通信，也可以满足高频段高速微波通信的需求，解决了目前微波技术的难题。
Claims (9)
1.一种基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，其特征在于：
利用一只半导体激光器(SL)产生可调谐超宽带微波频率梳，该半导体激光器(SL)的温度及电流由一个电流温控源(CT)控制；
采用一个外部的信号源(SC)去调制半导体激光器(SL)的驱动电流，通过调节信号源(SC)输出信号的调制频率fm和调制功率Pm，使半导体激光器(SL)输出一个微波频率梳的种子源；由可调激光源(TL)输出的连续光注入到该电流调制的半导体激光器(SL)中，利用光注入引起的带宽增强效应，促使半导体激光器(SL)产生优质可调谐超宽带微波频率梳；
其中，在光注入部分，可调激光源(TL)输出的连续光依次经过掺饵光纤放大器(EDFA)、偏振控制器(PC)、可变光衰减器(VA)、光环形器(OC)、第一光纤耦合器(FC1)后分为两部分,一部分入射到光功率计(PM),用于探测注入光功率Pi的大小；另一部分直接注入到半导体激光器中(SL)，形成单向光注入系统；通过调节可调激光源(TL)的输出波长来改变频率失谐Δf；通过调节偏振控制器(PC)来匹配可调激光源(TL)与半导体激光器(SL)的偏振方向；通过调节可变光衰减器(VA)来改变光注入强度Pi，促使光注入直接调制半导体激光器(SL)输出可调谐超宽带微波频率梳；在输出部分，半导体激光器中(SL)输出的光信号经过第一光纤耦合器(FC1)、光环形器(OC)、第二光纤耦合器(FC2)后分为两部分,一部分进入光谱分析仪(OSA)进行光谱分析,而另一部分经光电探测器(PD)转成电信号后输入到的频谱分析仪(ESA)进行电谱分析。
2.根据权利要求1所述的基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，其特征在于：所述输出信号的调制频率fm以0.1GHz为步长，在0.5GHz至10GHz之间调节。
3.根据权利要求2所述的基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，其特征在于：所述输出信号的调制功率Pm以1dBm为步长，在6dBm至25dBm之间调节。
4.根据权利要求3所述的基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，其特征在于：所述可变光衰减器(VA)为1550nm波长的可调光衰减器，通过调节该可变光衰减器(VA)，每次以10μW的步进增加注入光功率大小。
5.根据权利要求1至4任一所述的基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，其特征在于：所述半导体激光器(SL)为1550nm的高速直接调制分布式反馈半导体激光器；所述电流温控源(CT)为ILX-Lightwave LDC-3724C电流温控源；半导体激光器(SL)的温度及电流受ILX-Lightwave LDC-3724C电流温控源所控制，其工作温度稳定在20.17℃,电流稳定在25.00mA；在此温度及电流条件下，半导体激光器(SL)自由运行时的阈值电流为4.00mA，输出功率为2.04mW，输出波长为1549.03nm，弛豫振荡频率为8.66GHz。
6.根据权利要求1至4任一所述的基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，其特征在于：所述信号源(SC)为Agilent公司E8257C型模拟信号发生器,其频率范围为250kHz至20GHz，其功率范围为-135dBm至25dBm。
7.根据权利要求6所述的基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，其特征在于：所述可调激光源(TL)由可调谐激光器发出，通过调节其波长，使可调激光源(TL)与半导体激光器(SL)自由运行时波长一致，即它们之间的频率失谐为Δf＝0GHz。
8.根据权利要求1或2或3或4或7所述的基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，其特征在于：所述微波频率梳的种子源指的是带宽较窄、梳线的幅度平坦度值较大的微波频率梳。
9.根据权利要求1或2或3或4或7所述的基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法，其特征在于：所述优质可调谐超宽带微波频率梳指的是在1.1GHz至1.2GHz和3.3GHz至8.0GHz两个可调的梳距范围内获得的频率高达67GHz，在10dB幅度平坦度内带宽达59GHz的微波频率梳。
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