CN108155539A - 一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器 - Google Patents

Abstract

一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，包括光注入半导体激光器模块、调节控制模块、光反馈模块和光电反馈模块；所述光注入半导体激光器模块包括第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一偏振态控制器、第一光耦合器和光环形器；所述调节控制模块包括电流控制器、温度控制器；所述光反馈模块包括第二光耦合器、第三光耦合器、光纤延迟线、第二偏振态控制器、第一光衰减器和第四光耦合器；所述光电反馈模块包括第五光耦合器、光电探测器、第三偏振态控制器、马赫‑曾德光强调制器和第二光衰减器。本发明具有结构简单，成本低，易于实现等优点，产生了线宽更窄、频率调谐范围更大且频率更稳定的光子微波信号。

Description

一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器

技术领域

本发明涉及半导体激光器与微波光子学技术领域，具体涉及一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器。

背景技术

光生微波技术由于利用光子学方法产生微波信号，能够在光纤中进行传输而具有高频、大带宽、低损耗、不受电磁场干扰、易于进行波分复用等特点，近年来受到人们极大的关注。该技术应用非常广泛，已经在光载无线(Radio-over-Fiber，RoF)通信系统、光学雷达系统、光纤通信系统、光信息处理等相关领域展现出了具有的应用前景。因此，近年来能够大范围调谐的窄线宽光子微波发生器成为人们研究的热点。

目前，光子微波的产生方法主要有：直接调制法、光外差法、锁相环法、双模激光器拍频法和光注入法等。其中直接调制法是将信号直接加载在激光器的偏置电流上，使激光器的输出光强随信号振荡，但由于受到激光器调制响应的限制，该方法产生的光子微波频率无法达到较高的水平；光外差法采用两个独立的激光器进行拍频，由于两个激光器之间并没有固定的相位关系，因此其产生的光子微波线宽较大，稳定性较差；锁相环法产生的光子微波稳定性好，质量高，但是由于需要采用外部微波源等高频的电子设备而使系统结构复杂，成本更高；双模激光器法的结构紧凑，稳定性较好，但其调谐的范围受到一定的限制。

光注入法是将第一半导体激光器发出的光注入到第二半导体激光器中，在合适的注入功率和频率失谐的条件下，第二半导体激光器将工作在单周期非线性动力学态，此时输出光强将以一个微波频率振荡从而产生光子微波。该方案具有结构简单，成本低，调谐范围大，光谱具有单边带结构，易于稳定等优势。但该方法产生的光子微波线宽相对较大，稳定性相对较差，与众多应用领域的实际要求还有一段距离。

因此，在现有光注入半导体激光器单周期态产生光子微波的方案中，需要引入一些机制来进一步提高光子微波频率稳定性，减小微波线宽，从而将该发生器优化为结构简单、调谐范围大、频率稳定性高、相位噪声低的窄线宽光子微波发生器。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，具有线宽更窄、调谐范围更大和更稳定等优点。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，包括光注入半导体激光器模块、调节控制模块、用于对光子微波的线宽进行初步压缩以及相位进行初步稳定的光反馈模块和用于对光子微波的线宽进行进一步压缩以及相位进行进一步稳定的光电反馈模块；所述光注入半导体激光器模块包括第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一偏振态控制器、第一光耦合器和光环形器；所述调节控制模块包括电流控制器、温度控制器；所述第一半导体激光器发出的光束依次经第一偏振态控制器和第一光耦合器后进入光环形器的端口1，并经由光环形器的端口2注入到第二半导体激光器，调节注入功率和频率失谐这两个注入参数使第二半导体激光器工作在单周期振荡态的非线性动力学态，第二半导体激光器输出的光信号经端口2进入光环形器并由端口3输出，再经第二光耦合器分为两路，其中一路输出光子微波，另一路由第三光耦合器再分为两路，分别进入光反馈模块和光电反馈模块，所述光反馈模块和光电反馈模块输出的光信号依次经第四光耦合器、第一光耦合器和光环形器反馈回第二半导体激光器。

优选的，所述光反馈模块包括光纤延迟线、第二偏振态控制器和第一光衰减器；所述第三光耦合器输出的光信号依次经光纤延迟线、第二偏振态控制器和第一光衰减器进入第四光耦合器。

优选的，所述光电反馈模块包括第五光耦合器、光电探测器、第三偏振态控制器、马赫-曾德光强调制器和第二光衰减器；所述第三光耦合器输出的光信号经第五光耦合器分为两路，其中一路经第三偏振态控制器进入马赫-曾德光强调制器，另一路经光电探测器转换为电信号，再加载到马赫-曾德光强调制器上对其原始光信号进行调制，所述调制的光信号经第二光衰减器进入第四光耦合器。

优选的，还包括光子微波输出端的隔离器、第六光耦合器和测试系统；所述第二光耦合器输出的光信号依次经隔离器、第六光耦合器进入测试系统。

优选的，所述测试系统包括高速光电探测器、电谱分析仪和光谱分析仪；所述第六光耦合器将输入的光信号分为两路，其中一路经高速光电探测器进入电谱分析仪，另一路进入光谱分析仪。

优选的，所述注入功率和频率失谐这两个注入参数的调节通过控制第一半导体激光器的电流和温度实现。

优选的，所述第一半导体激光器为可调激光源；第二半导体激光器为分布反馈半导体激光器。

优选的，所述电流控制器包括与第一半导体激光器连接的第一电流控制器和与第二半导体激光器连接的第二电流控制器；所述温度控制器包括与第一半导体激光器连接的第一温度控制器和与第二半导体激光器连接的第二温度控制器。

优选的，所述光纤延迟线是可调光纤延迟线，用以控制反馈环路的长度。

优选的，所述电流控制器和温度控制器通过通用接口总线与计算机连接。

本发明的有益效果是：本发明提供的大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器采用全光结构，不需要外部微波源，显著减少了高成本的高频电子设备的使用，避免了电子瓶颈的限制；将光反馈环路与改进后的光电反馈环路相结合，通过光反馈对光子微波信号的线宽进行初步压缩以及相位进行初步稳定，在此基础上，采用光电反馈对光子微波信号的线宽进行进一步压缩以及相位进行进一步稳定，以获得高质量的大范围连续调谐光子微波。本发明具有结构简单，成本低，易于实现等优点，产生了线宽更窄、频率调谐范围更大且频率更稳定的光子微波信号。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明技术方案的实验验证装置图；

图3(a)为不同注入参数下光子微波频谱的叠加图，(b)为在不同的频率失谐下，光子微波频率随注入功率的变化曲线；

图4为在不同运行条件下以光子微波频率为中心，100MHz范围内的频谱图，(a)无反馈环路，(b)引入光反馈环路，(c)引入光反馈和光电反馈环路；

其中，图1中：1：第一半导体激光器，2：第一偏振态控制器，3：第一光耦合器，4：光环形器，5：第二半导体激光器，6：第一电流控制器，7：第一温度控制器，8：第二电流控制器，9：第二温度控制器，10：第二光耦合器，11：第三光耦合器，12：光纤延迟线，13：第二偏振态控制器，14：第一光衰减器，15：第四光耦合器，16：第五光耦合器，17：光电探测器，18：第三偏振态控制器，19：马赫-曾德光强调制器，20：第二光衰减器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作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。

如图1所示，本发明提供了一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，所述发生器包括第一半导体激光器1、第一偏振态控制器2、第一光耦合器3、光环形器4、第二半导体激光器5、第一电流控制器6、第一温度控制器7、第二电流控制器8、第二温度控制器9、第二光耦合器10、第三光耦合器11、光纤延迟线12、第二偏振态控制器13、第一光衰减器14、第四光耦合器15、第五光耦合器16、光电探测器17、第三偏振态控制器18、马赫-曾德光强调制器19和第二光衰减器20，所述半导体激光器可选用商用半导体激光器LDM5S515-005，中心波长1550nm，也可使用其他型号的半导体激光器。

第一半导体激光器1发出的光信号依次经第一偏振态控制器2和第一光耦合器3后进入光环形器4的端口1，并经端口2注入到第二半导体激光器5实现外光注入，通过控制第一电流控制器6和第一温度控制器7调节注入功率和频率失谐这两个注入参数，使第二半导体激光器5输出为单周期振荡态的非线性动力学态，第二半导体激光器5输出的光信号经端口2进入光环形器4并由端口3输出，再经第二光耦合器10分为两路，其中一路输出光子微波，另一路由第三光耦合器再分为两路，分别送入光反馈环路和光电反馈环路对光子微波相位噪声进行稳定，其中，进入光反馈环路的光信号依次经光纤延迟线12、第二偏振态控制器13和第一光衰减器14进入第四光耦合器15，再经第一光耦合器3和光环形器4反馈回第二半导体激光器实现初步的相位稳定、光子微波线宽的初步压缩；进入光电反馈环路的光信号经第五光耦合器16、光电探测器17、第三偏振态控制器18、马赫-曾德光强调制器19以及第二光衰减器20进入第四光耦合器15，再经第一光耦合器3和光环形器4反馈回第二半导体激光器构成一个光电振荡环路，对光子微波的相位噪声进行进一步的稳定以及对光子微波线宽进行进一步的压缩。

为了精确控制激光器的温度和电流，第一、第二电流控制器和第一、第二温度控制器均可通过通用接口总线(GPIB)由计算机进行远程控制，以达到精确调节注入功率和频率失谐的目的。所述第一、二、三偏振态控制器可以通过精细调节，以保证注入、反馈光与第二半导体激光器的输出光偏振态相匹配。

实施例1

如图2所示，在本实施例中，第一半导体激光器(ML)为一个可调激光源(Santec,SL-710)，其波长可调谐范围为1480-1640nm，波长精度±2pm，第二半导体激光器(SL)为带尾纤的分布反馈半导体激光器(DFB)，其偏置电流和温度由一个超低噪声和高精确度的激光驱动源(ILX-Lightwave,LDC-3724B)控制。ML输出的光信号经第一偏振态控制器(PC1)、第一光耦合器(FC1)进入到光环形器(CIR)的端口1，再通过CIR的端口2注入到SL，SL输出的光信号经光环形器(CIR)端口3输出，经第二光耦合器(FC2)分为两路，其中一路依次经隔离器(OI)、第六光耦合器(FC6)进入测试系统，所述测试系统包括一个高速光电探测器(PD1)(U2T-XPDV3120R,带宽70GHz)、一个电谱分析仪(ESA,FSW,67GHz dk)和一个光谱分析仪(OSA,Ando AQ6317C)，通过调节ML的波长及输出功率能够使SL工作在单周期非线性动力学态，进而产生在很大范围内连续可调的光子微波。将SL的偏置电流固定在38.2mA，温度控制在20.25℃，通过调节频率失谐和注入强度，获得了10.43GHz到65.82GHz的大范围连续调谐光子微波，从图3可以看出，本发明的技术方案能够输出大范围连续可调的高频光子微波，有效避免电学方案中的电子瓶颈问题以及高频电子器件的高成本问题。

SL输出的光信号由FC2分为两路，其中一路进入测试系统，另一路再由第三光耦合器(FC3)分为两路，一路形成光反馈环路，另一路形成光电反馈环路。进入光反馈环路的光信号依次经光纤延迟线(FDL，Fiber Delay Line)、第二偏振态控制器(PC2)和第一光衰减器(VA1)进入第四光耦合器(FC4)，再经第一光耦合器(FC1)和光环形器(CIR)反馈回SL实现初步的相位稳定、光子微波线宽的初步压缩；进入光电反馈环路的光信号经第五光耦合器(FC5)、高速光电探测器(PD2,U2T-XPDV2150R,带宽50GHz)、第三偏振态控制器(PC3)、马赫-曾德光强调制器(MZM,40GHz)以及第二光衰减器(VA2)进入第四光耦合器(FC4)，再经第一光耦合器(FC1)和光环形器(CIR)反馈回SL,通过精细调节各偏振态控制器以及光强调制器的偏置电压及光强，能够使光子微波的线宽得到显著压缩。如图4所示，从图4(a)可以看出，没有反馈环路时，光注入半导体激光器单周期态产生的光子微波线宽较大，为10.34MHz；由图4(b)可知，加入光反馈环路后光子微波的线宽得到了明显压缩，为113.74kHz；由图4(c)可知，同时引入光反馈环路和光电反馈环路后，光子微波的线宽进一步地压缩至8.9kHz，频率边峰也得到了很好的抑制，获得了高频窄线宽且频谱较为纯净的高质量光子微波信号。

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。

在上述实施例中，所述第一半导体激光器(ML)为一个可调激光源，不需要第一电流控制器和第一温度控制器；如第一半导体激光器(ML)为普通商用DFB激光器，则需要对第一电流控制器和第一温度控制器进行控制来调节其输出波长。

相比现有的微波发生器，本发明提供的发生器采用全光结构，避免了电子瓶颈的限制；利用光注入半导体激光器结构可实现光子微波频率的灵活调节；采用光反馈的方法对光子微波信号线宽进行初步的压缩，在此基础上，进一步采用光电反馈的方法获得了高质量的大范围连续调谐光子微波。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，其特征在于，包括光注入半导体激光器模块、调节控制模块、用于对光子微波的线宽进行初步压缩以及相位进行初步稳定的光反馈模块和用于对光子微波的线宽进行进一步压缩以及相位进行进一步稳定的光电反馈模块；所述光注入半导体激光器模块包括第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一偏振态控制器、第一光耦合器和光环形器；所述调节控制模块包括电流控制器、温度控制器；所述第一半导体激光器发出的光束依次经第一偏振态控制器和第一光耦合器后进入光环形器的端口1，并经由光环形器的端口2注入到第二半导体激光器，调节注入功率和频率失谐这两个注入参数使第二半导体激光器工作在单周期振荡态的非线性动力学态，第二半导体激光器输出的光信号经端口2进入光环形器并由端口3输出，再经第二光耦合器分为两路，其中一路输出光子微波，另一路由第三光耦合器再分为两路，分别进入光反馈模块和光电反馈模块，所述光反馈模块和光电反馈模块输出的光信号依次经第四光耦合器、第一光耦合器和光环形器反馈回第二半导体激光器。

2.根据权利要求1所述的一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，其特征在于，所述光反馈模块包括光纤延迟线、第二偏振态控制器和第一光衰减器；所述第三光耦合器输出的光信号依次经光纤延迟线、第二偏振态控制器和第一光衰减器进入第四光耦合器。

3.根据权利要求1所述的一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，其特征在于，所述光电反馈模块包括第五光耦合器、光电探测器、第三偏振态控制器、马赫-曾德光强调制器和第二光衰减器；所述第三光耦合器输出的光信号经第五光耦合器分为两路，其中一路经第三偏振态控制器进入马赫-曾德光强调制器，另一路经光电探测器转换为电信号，再加载到马赫-曾德光强调制器上对原始光信号进行调制，所述调制的光信号经第二光衰减器进入第四光耦合器。

4.根据权利要求1所述的一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，其特征在于，还包括光子微波输出端的隔离器、第六光耦合器和测试系统；所述第二光耦合器输出的光信号依次经隔离器、第六光耦合器进入测试系统。

5.根据权利要求4所述的一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，其特征在于，所述测试系统包括高速光电探测器、电谱分析仪和光谱分析仪；所述第六光耦合器将输入的光信号分为两路，其中一路经高速光电探测器进入电谱分析仪，另一路进入光谱分析仪。

6.根据权利要求1所述的一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，其特征在于，所述注入功率和频率失谐这两个注入参数的调节通过控制第一半导体激光器的电流和温度实现。

7.根据权利要求1所述的一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，其特征在于，所述第一半导体激光器为可调激光源；第二半导体激光器为分布反馈半导体激光器。

8.根据权利要求1所述的一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，其特征在于，所述电流控制器包括与第一半导体激光器连接的第一电流控制器和与第二半导体激光器连接的第二电流控制器；所述温度控制器包括与第一半导体激光器连接的第一温度控制器和与第二半导体激光器连接的第二温度控制器。

9.根据权利要求1所述的一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，其特征在于，所述光纤延迟线是可调光纤延迟线，用以控制反馈环路的长度。

10.根据权利要求1所述的一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器，其特征在于，所述电流控制器和温度控制器通过通用接口总线与计算机连接。