CN108879294A - 基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器 - Google Patents

基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，属于光电振荡器技术领域。该光电振荡器包括：半导体激光器，第一光耦合器，光反馈环路和光电振荡环路；光反馈环路包括：第二光耦合器，可调光衰减器，偏振控制器；光电振荡环路包括：光电探测器，微波放大器，微波功分器；其中，所述的半导体激光器工作在单周期振荡状态，振荡频率为光电振荡器工作频率。本发明采用光反馈注入方式，使半导体激光器工作在单周期振荡状态，显著提升了工作稳定性和调制效率，且起振条件降低。

Description

基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器
技术领域
本发明涉及光电振荡器领域，特别涉及一种基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器。
背景技术
光电振荡器(Optoelectronic Oscillator，简称OEO)作为一种高质量的微波信号源，在通信系统、雷达系统、光载无线通信、微波光子学以及高精度测量等领域具有重要应用。传统的OEO是由激光光源和光电正反馈环路构成，光电正反馈环路包含光调制器，长光纤，光电探测器，微波窄带滤波器、微波放大器和微波功分器等光电子器件。位于微波窄带滤波器中心的一个环路本征模式将在光电振荡环路中形成振荡，实现微波信号的输出。一般的OEO要产生高纯度、低相位噪声的微波信号，需要一段长的延时光纤来储能和提高环路的Q值。OEO输出微波信号的相位噪声随光纤长度的增加呈二次方下降，所以增加延时光纤长度是提升OEO输出质量的一个重要途径，但随着光纤长度的增加，光电环路的本征模式间隔减小，很难实现单模振荡。此外，传统的微波窄带滤波器很难实现宽带中心频率调谐，限制了OEO的应用范围。为了实现OEO振荡频率的宽带可调谐性，微波光子滤波器被应用在光电振荡环路中替代微波窄带滤波器。其中，在专利“一种基于分布式反馈半导体激光器的光电振荡器(公开号：CN103401141 A)”中，利用半导体激光器在弛豫振荡频率处调制效率高的特点，用一个分布式反馈激光器实现了微波光子滤波的功能，且激光器共同承担了光源和光调制器的功能，简化了OEO系统的结构。在该方案中，实现振荡频率的调谐，是通过对激光器偏置电流和工作温度的调谐来实现激光器张弛振荡频率的调谐。该方案的不足之处在于：1、半导体激光器的张弛振荡峰宽，所构成的微波光子滤波器带宽宽，难以保证单模稳定的振荡；2、调谐激光器的偏置电流和工作温度，来改变张弛振荡频率，不同工作点的响应度不一样，环路中需要增益可调的微波放大器或者可调电衰减器来保证光电振荡环路的增益合适，以实现最优振荡。此方案实现振荡频率调谐的方式复杂；3、激光器弛振荡频率的改变与偏置电流和工作温度的改变不是线性关系，OEO的振荡频率难以实现线性调谐。
综上所述，有必要设计一种新型的基于微波光子滤波的光电振荡器，使其结构简单，集成度高、低振荡阈值、且振荡频率调谐方式简单，以解决现有技术中存在的不足，有效满足OEO的宽带可调，工作稳定的特点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，以解决现有技术中调制效率不够高和振荡不稳定的问题。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，包括：
半导体激光器，用于发射光信号，并进行滤波和直接调制；
光反馈环路，用于将半导体激光器发射的光信号反馈回半导体激光器，使其处于单周期振荡状态；
光电振荡环路，用于将单周期震荡信号拍频产生的电信号，经放大后直接调制在半导体激光器上。
在进一步的实施方案中，所述的光反馈环路包括：
第一光耦合器，用于接收半导体激光器输出的光信号，并按预设的光功率分配比值分为两部分，一部分光功率送入光反馈环路中，另一部分光功率送入光电振荡环路中；
第二光耦合器，与第一光耦合器的一个输出端相连，用于接收第一光耦合器输出到光反馈环路的光信号，并按预设的光功率分配比值分为两部分，一部分光功率送入光反馈环路中的可调光衰减器，另一部分光功率送入光谱仪中测试；
可调光衰减器，与第二光耦合器的一个输出端相连，用于控制光反馈环路中注入回半导体激光器的光功率，以及调节半导体激光器单周期振荡状态的振荡频率；
偏振控制器，与可调光衰减器相连，用于控制光反馈环路中注入回半导体激光器光信号的偏振态。
在进一步的实施方案中，所述的光电振荡环路包括：
第一光耦合器，用于接收半导体激光器输出的光信号，并按预设的光功率分配比值分为两部分，一部分光功率送入光反馈环路中，另一部分光功率送入光电振荡环路中；
光电探测器，与第一光耦合器的一个输出端相连，用于接收第一光耦合器送入光电振荡环路中的光信号，将其转化为电信号并传入微波放大器；
微波放大器，与光电探测器相连，用于接收光电探测器产生的电信号，并将其按预设的放大倍数进行放大；
微波功分器，其第一端口与微波放大器相连，用于接收微波放大器放大后的电信号，并按照预设功率分配比值分配电功率；微波功分器的第二端口与半导体激光器相连，用于输出的微波信号注入回半导体激光器，对半导体激光器进行直接调制；微波功分器的第三端口用于部分微波信号输出。
在进一步的实施方案中，所述的基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器还包括：三端口光环形器，其第一端口与偏振控制器连接，三端口光环形器的第二端口与半导体激光器连接三端口光环形器的第三端口第一光耦合器连接。
在进一步的实施方案中，所述的半导体激光器为不带隔离器的分布反馈式半导体激光器或分布反馈布拉格反射镜半导体激光器。
在进一步的实施方案中，所述的光电振荡器还包括：第一单模光纤，该单模光纤位于三端口光环形器和第一光耦合器之间，用于提高环路的Q值。
在进一步的实施方案中，所述的光电振荡环路还包括：第二单模光纤或者高Q值谐振腔，位于光电振荡环路中，用于使光反馈环路和光电振荡环路产生光程差。
在进一步的实施方案中，所述的第一光耦合器的光功率分配比值为50％:50％。
在进一步的实施方案中，所述的第二光耦合器的光功率分配比值为99％:1％。
在进一步的实施方案中，所述的第一单模光纤和第二单模光纤的长度分别为10米至10千米。
(三)有益效果
(1)本发明采用光反馈注入方式，使半导体激光器工作在单周期振荡状态，等效微波光子滤波器更容易实现选择出稳定的光电振荡器振荡模式；且由于半导体激光器的单周期振荡频率与弛豫振荡频率接近，调制效率有显著提升，起振条件也有所降低。
(2)本发明采用直接调制的半导体激光器上替代了外调制器，无需外调制器和微波窄带滤波器，而且振荡阈值低，结构得以紧凑简化，功耗和成本大幅下降，同时工作稳定性提升，调谐方式简单。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器结构示意图。
图2是本发明所示光电振荡器产生14.9GHz微波信号时的光谱图。
图3是本发明所示光电振荡器产生调谐范围为8.6GHz～15.2GHz的微波信号。
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。
本发明提供的基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，如图1所示包括：半导体激光器3、三端口光环形器4、第一光耦合器6、光反馈环路1和光电振荡环路2，采用光反馈环路1和光电振荡环路2的双环结构来输出频谱杂散抑制比高的微波信号；光反馈环路1包括：第二光耦合器7、可调光衰减器8、偏振控制器9；光电振荡环路2包括：光电探测器11，微波放大器12，微波功分器13。其中，
半导体激光器3，为直接调制的封装器件，在反馈注入条件下工作在单周期振荡状态，振荡频率即为光电振荡器工作频率，此状态的激光器看既可以作为光源发射光信号，也作为微波光子滤波器对光信号进行滤波，还可以作为光调制器对光信号进行直接调制。优选的，半导体激光器3可以为不带隔离器的分布反馈式半导体激光器或分布反馈布拉格反射镜半导体激光器。
三端口光环形器4，其第一端口与偏振控制器9连接，用于接收光反馈环路1的光信号，三端口光环形器4的第二端口与半导体激光器3连接，用于将接收到的光反馈环路1的光信号传递给半导体激光器3，并同时接收半导体激光器3产生的光信号，三端口光环形器4的第三端口第一光耦合器6连接，用于将接收到的半导体激光器3产生的光信号送入第一光耦合器6。三端口光环形器4接收半导体激光器3的光信号，并将接收的光信号传递给半导体激光器3，使其进入单周期振荡状态工作，同时保证光信号的单行传输。
第一光耦合器6，其输入端与三端口光环形器4的第三端口相连接，用于接收三端口光环形器4的第三端口输出的光信号，并按预设的光功率分配比值分为两部分，一部分光功率送入光反馈环路1中，另一部分光功率送入光电振荡环路2中。
第二光耦合器7，其输入端与第一光耦合器6的一个输出端相连接，用于接收第一光耦合器6输出到光反馈环路1的光信号，并按预设的光功率分配比值分为两部分，一部分光功率送入光反馈环路1中的可调光衰减器8，另一部分光功率送入光谱仪中测试。
可调光衰减器8，与第二光耦合器7的一个输出端相连接，用于控制光反馈环路1中注入回半导体激光器3的光功率，以及调节半导体激光器3单周期振荡状态的振荡频率。
偏振控制器9，与可调光衰减器8相连接，用于控制光反馈环路1中注入回半导体激光器3光信号的偏振态，使反馈信号的偏振态与半导体激光器3激射光的偏振态匹配，进而使半导体激光器3进入单周期振荡状态。
光电探测器11，与第一光耦合器6的一个输出端相连接，用于接收第一光耦合器6送入光电振荡环路2中的光信号，将其转化为电信号并传入微波放大器。
微波放大器12，与光电探测器11相连接，用于接收光电探测器11产生的电信号，并将其按预设的放大倍数进行放大，使光电振荡系统的微波增益大于振荡阈值，形成稳定的微波振荡。
微波功分器13，其第一端口与微波放大器相连，用于接收微波放大器放大后的电信号，并按照预设功率分配比值分配电功率；微波功分器13的第二端口与半导体激光器相连，用于输出的微波信号注入回半导体激光器，对半导体激光器进行直接调制；微波功分器13的第三端口用于部分微波信号输出。
优选的，该基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，还包括：第一单模光纤，该单模光纤接入光反馈环路1和光电振荡环路2中，位于三端口环形器和第一光耦合器之间，用于提高环路的Q值，该单模光纤长度从数十米到数千米不等；第二单模光纤或者高Q值谐振腔，该单模光纤接入光电振荡环路2中，使光反馈环路1和光电振荡环路2产生光程差，以实现边模压制效果，产生频谱纯度高的微波信号，该单模光纤长度从数十米到数千米不等。其中，高Q值的范围为106及以上。
优选的，第一光耦合器6的光功率分配比值可以是但不局限于50％:50％；第二光耦合器7的光功率分配比值可以是但不局限于99％:1％。
在具体实施例中，当注入回半导体激光器3的光功率为2.07dBm时，半导体激光器3的光谱图如图2所示。通过调节可调衰减器8从-0.62dBm到2.54dBm调节半导体激光器3的反馈光功率，实施列的振荡频率由8.6GHz到15.2GHz可调，输出的频谱图如图3所示。
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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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 (10)

1.一种基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，包括：
半导体激光器(3)，用于发射光信号，并进行滤波和直接调制；
光反馈环路(1)，用于将半导体激光器(3)发射的光信号反馈回半导体激光器(3)，使其处于单周期振荡状态；
光电振荡环路(2)，用于将单周期震荡信号拍频产生的电信号，经放大后直接调制在半导体激光器(3)上。
2.根据权利要求1所述的基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，其特征在于：所述的光反馈环路(1)包括：
第一光耦合器(6)，用于接收半导体激光器(3)输出的光信号，并按预设的光功率分配比值分为两部分，一部分光功率送入光反馈环路(1)中，另一部分光功率送入光电振荡环路(2)中；
第二光耦合器(7)，与第一光耦合器(6)的一个输出端相连，用于接收第一光耦合器(6)输出到光反馈环路(1)的光信号，并按预设的光功率分配比值分为两部分，一部分光功率送入光反馈环路(1)中的可调光衰减器(8)，另一部分光功率送入光谱仪中测试；
可调光衰减器(8)，与第二光耦合器(7)的一个输出端相连，用于控制光反馈环路(1)中注入回半导体激光器(3)的光功率，以及调节半导体激光器(3)单周期振荡状态的振荡频率；
偏振控制器(9)，与可调光衰减器(8)相连，用于控制光反馈环路(1)中注入回半导体激光器(3)光信号的偏振态。
3.根据权利要求1所述的基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，其特征在于：所述的光电振荡环路(2)包括：
第一光耦合器(6)，用于接收半导体激光器(3)输出的光信号，并按预设的光功率分配比值分为两部分，一部分光功率送入光反馈环路(1)中，另一部分光功率送入光电振荡环路(2)中；
光电探测器(11)，与第一光耦合器(6)的一个输出端相连，用于接收第一光耦合器(6)送入光电振荡环路(2)中的光信号，将其转化为电信号并传入微波放大器；
微波放大器(12)，与光电探测器(11)相连，用于接收光电探测器(11)产生的电信号，并将其按预设的放大倍数进行放大；
微波功分器(13)，其第一端口与微波放大器相连，用于接收微波放大器放大后的电信号，并按照预设功率分配比值分配电功率；微波功分器(13)的第二端口与半导体激光器相连，用于输出的微波信号注入回半导体激光器，对半导体激光器(3)进行直接调制；微波功分器(13)的第三端口用于部分微波信号输出。
4.根据权利要求2所述的基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，其特征在于还包括：三端口光环形器(4)，其第一端口与偏振控制器(9)连接，三端口光环形器(4)的第二端口与半导体激光器(3)连接三端口光环形器(4)的第三端口第一光耦合器(6)连接。
5.根据权利要求1所述的基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，其特征在于：所述的半导体激光器(3)为不带隔离器的分布反馈式半导体激光器或分布反馈布拉格反射镜半导体激光器。
6.根据权利要求1所述的基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，其特征在于：所述的光电振荡器还包括：第一单模光纤，位于半导体激光器(3)和第一光耦合器(6)之间，用于提高环路的Q值。
7.根据权利要求1所述的基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，其特征在于：所述的光电振荡环路(2)还包括：第二单模光纤或者高Q值谐振腔，位于光电振荡环路(2)中，用于使光反馈环路(1)和光电振荡环路(2)产生光程差。
8.根据权利要求1所述的基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，其特征在于：所述第一光耦合器(6)的光功率分配比值为50％:50％。
9.根据权利要求2所述的基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，其特征在于：所述第二光耦合器(7)的光功率分配比值为99％:1％。
10.根据权利要求6或7所述的基于直调半导体激光器自反馈单周期振荡的光电振荡器，其特征在于：所述的第一单模光纤和第二单模光纤的长度分别为10米至10千米。
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