CN110708123B - 一种基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波光子技术和雷达领域，公开了一种基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置及方法，包括：第一主激光器、第一光衰减器、第一偏振控制器、强度调制器、波形发生器、第二偏振控制器、第二主激光器、第二光衰减器、第三偏振控制器、3dB光耦合器、光环行器、从激光器和光电探测器。该装置利用半导体激光器在外部双光注入下的非线性动力学特性，通过第一主激光器注入激发从激光器的单周期振荡态，通过第二主激光器注入的非线性混频效应，在光电转换后可产生频率可调的双频信号；通过对第一主激光器的输出光进行强度调制可以得到双啁啾微波信号。本发明无需高速电子学器件，具有结构简单，成本低廉和易于实现的优点。

Description

一种基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置及方法
技术领域
本发明涉及微波光子技术和雷达领域，具体涉及基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置及方法。
背景技术
线性啁啾波形是雷达系统中最常用的一种发射波形，能够通过脉冲压缩技术来提高雷达的探测距离及探测精度。然而线性啁啾波形的自模糊函数是“刀锋”型，这意味着其存在严重的距离-多普勒耦合，导致其距离-速度二维联合分辨率降低。作为对比，双啁啾微波信号是在一个周期内包含带宽相同的上啁啾波形和下啁啾波形的信号，其自模糊函数为“图钉”型，这表明双啁啾微波信号可克服距离-多普勒耦合，因此能够提高距离-速度二维联合分辨率。传统基于电子技术的双啁啾微波信号产生方法在中心频率和带宽方面具有一定的局限性，因此近年来研究人员提出了多种基于光子技术的方法以产生高载频、大带宽的双啁啾微波信号。
目前报道的双啁啾微波信号的微波光子产生方法大多需要高速电光调制器和基频电线性啁啾信号。例如：基于双平行马赫曾德尔调制器的方案(参见[D.Zhu andJ.P.Yao,“Dual-chirp microwave waveform generation using a dual-parallel Mach-Zehnder modulator”,IEEE Photonics Technology Letter,vol.27,no.13,pp.1410-1413,Jul.2015.2015])；基于双偏振调制器的方案(参见[S.Zhu,M.Li,N.H.Zhu,andW.Li,"Transmission of dual-chirp microwave waveform over fiber withcompensation of dispersion-induced power fading,"Optics.Letters,vol.43,no.11,pp.2466-2469,Jun.2018.])。这些方案本质上都是基于微波光子技术的信号倍频或变频，均需要高速电光调制器和基频电线性啁啾信号，因此结构复杂且成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置及方法，以解决已有方案受限于高速电光调制器和基频电线性啁啾信号的缺点，具有结构简单，成本低廉和易于实现的优点。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置，包括：第一主激光器、第一光衰减器、第一偏振控制器、强度调制器、波形发生器、第二偏振控制器、第二主激光器、第二光衰减器、第三偏振控制器、3dB光耦合器、光环行器、从激光器和光电探测器，其中：所述第一主激光器、第一光衰减器、第一偏振控制器、强度调制器、第二偏振控制器通过光纤顺次相连，第二偏振控制器的输出端连接到3dB光耦合器的一个输入端；该波形发生器的输出端通过射频线连接于强度调制器的射频端；该第二主激光器、第二光衰减器、第三偏振控制器、通过光纤顺次相连，第三偏振控制器的输出端连接到3dB光耦合器的另一个输入端；该3dB光耦合器的输出端连接到光环行器的一个输入端口；从激光器连接到该光环行器的另一个输入端口；该光环行器的输出端口连接于光电探测器；双啁啾微波信号从所述光电探测器的输出端导出。
更优的方案：所述从激光器为单模半导体激光器，所述第一主激光器和第二主激光器均为单模激光源，其中第一主激光器的频率大于从激光器的频率且第二主激光器的频率小于从激光器的频率；第一主激光器注入激发从激光器的单周期振荡态，且在所述从激光器的最终输出光谱中居主导地位；第二主激光器的注入保持第一主激光器激发的单周期振荡态，同时通过非线性混频效应改变所述从激光器输出光谱，使得主要光谱分量为单周期振荡分量和第二主激光器光谱分量。
进一步的，所述强度调制器工作在线性点；所述波形发生器输出的波形为类锯齿波的波形信号。
进一步的，通过调节所述第一主激光器和/或所述第二主激光器的频率，改变产生双啁啾微波信号频率范围。此处的提及的“和/或”特指：调节所述第一主激光器或所述第二主激光器的频率可以实现双啁啾微波信号频率范围的调节，以及同时调节所述第一主激光器和所述第二主激光器的频率可以实现双啁啾微波信号频率范围的调节。
进一步的，通过调节所述波形发生器输出的波形幅度，改变产生双啁啾微波信号的带宽。
在上述基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置的基础上还提供一种基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生方法，步骤如下：
步骤一、设置第一主激光器的频率大于从激光器的自由谐振频率，即正失谐；第一主激光器产生的连续光信号经过第一光衰减器和第一偏振控制器输入到强度调制器、通过控制第一偏振控制器使得强度调制器的插入损耗最小；设置强度调制器的偏置电压使其工作在线性点；通过控制第二偏振控制器使得注入到从激光器的效率最高；通过控制第一光衰减器改变注入强度使得从激光器的工作在单周期振荡态；
步骤二、设置第二主激光器的频率小于从激光器的自由谐振频率，即负失谐；通过控制第三偏振控制器使得第二主激光器产生的连续光信号注入到从激光器的效率最高；通过控制第二光衰减器改变注入强度使得从激光器保持第一主激光器激发的单周期振荡态，同时通过非线性混频效应改变所述从激光器输出光谱，使得主要光谱分量为单周期振荡分量和第二主激光器光谱分量；
步骤三、经过光电探测器后，光谱分量相互拍频产生频率可调的双频信号，其中频率一随第一主激光器的注入强度增加而增加，其中频率二随第一主激光器的注入强度增加而减小；
步骤四、波形发生器产生的类锯齿波波形调制到强度调制器上对第一主激光器的输出光进行强度调制，光电探测器后的输出微波信号将从双频微波信号转变为双啁啾微波信号；
步骤五、调节第一主激光器和/或第二主激光器的频率，可以改变产生双啁啾微波信号频率范围；
步骤六、调节波形发生器产生波形的幅度，可以改变产生双啁啾微波信号的带宽。
由于采用上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明提出的基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置及方法，和已有的双啁啾信号产生方案相比，一方面，其核心器件为商用单模半导体激光器，无需高速电光调制器和基频电啁啾信号，具有结构简单、体积小、成本低的优点；另一方面，其产生的双啁啾信号具有频率高、带宽大和调谐灵活的优点。
附图说明
图1为本发明提供的基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置示意图；
图2a为从激光器输出光谱图；
图2b为双频微波信号频谱图；
图3a为输出双啁啾微波信号的时域波形图；
图3b为输出双啁啾微波信号经短时傅立叶变换后的时间-频率图。
其中，图1中：1、第一主激光器，2、第二主激光器，3、第一光衰减器，4、第一偏振控制器，5、强度调制器，6、波形发生器，7、第二偏振控制器，8、第二光衰减器，9、第三偏振控制器，10、3dB光耦合器，11、光环行器，12、从激光器，13、光电探测器。
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。
实施例一
一种基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置，如图1所示，图1是发明提供的基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置示意图，包括：第一主激光器1、第一光衰减器3、第一偏振控制器4、强度调制器5、波形发生器6、第二偏振控制器7、第二主激光器2、第二光衰减器8、第三偏振控制器9、3dB光耦合器10、光环行器11、从激光器12和光电探测器13，其中：
所述第一主激光器1、第一光衰减器3、第一偏振控制器4、强度调制器5、第二偏振控制器7通过光纤顺次相连，第二偏振控制器7的输出端连接到3dB光耦合器10的一个输入端；
该波形发生器6的输出端通过射频线连接于强度调制器5的射频端；
该第二主激光器2、第二光衰减器8、第三偏振控制器9、通过光纤顺次相连，第三偏振控制器9的输出端连接到3dB光耦合器10的另一个输入端；
所述3dB光耦合器10的输出端连接到光环行器11的一个输入端口a；
从激光器连接到所述光环行器11的另一个输入端口b；
所述光环行器11的输出端口c连接于光电探测器；
双啁啾微波信号从所述光电探测器13的输出端导出。
图1仅为本方案装置各个技术特征之间的连接关系示意图，图1中的各部件的形状仅仅表示其示意，并不构成对其形状和结构的限定。
本发明所涉及的基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置的具体工作原理如下：
本发明主要基于外部双光注入到半导体激光器的双光注入结构。与单光注入半导体激光器的非线性动力学状态通常仅用于产生单频微波信号相比，双光注入结构具有更加复杂的动力学特性，主要来自于两个主激光器单独注入引发的动力学状态之间的竞争。双光注入结构的外部注入参数为第一主激光器相对于从激光器的频率失谐和注入强度(f1,ξ1)以及第二主激光器相对于从激光器的频率失谐和注入强度(f2,ξ2)。通过设置不同的(f1,ξ1)和(f2,ξ2)，双光注入下的从激光器工作在主要三种情形：A：两个主激光器单独注入引发的动力学状态均被抑制；B：两个主激光器单独注入引发的动力学状态被抑制其中一个，另一个得以保持；C：两个主激光器单独注入引发的动力学状态均得以保持。本发明中，设置(f1,ξ1)和(f2,ξ2)，使得单光注入时从激光器分别工作在正失谐条件下和负失谐条件下的单周期振荡态，其单周期振荡频率分别为fo1和fo2，且双光同时注入时从激光器工作在B情形，即第一主激光器单独注入引发的单周期态得以保持，而第二主激光器的注入光谱分量仅通过非线性混频效应对输出光谱进行修正，最终输出光谱中主要分量为单周期振荡分量和对应于第二主激光器的波长分量。经过光电探测后，对应于f1–f2的信号超出光电探测器的带宽而被滤除，因此产生频率可调的双频信号，其频率分别为fd1≈fo1，fd2≈f1–f2–fo1。通过增大第一主激光器的注入强度ξ1，单周期振荡频率fo1随之增大，因此本发明双光注入产生的双频信号(fd1,fd2)随ξ1的增大而分别增大和减小。进一步的，通过引入波形发生器产生的类锯齿波信号和强度调制器对第一主激光器的注入强度ξ1进行调制，在光电探测器的输出端可以获得双啁啾微波信号。调节第一主激光器的频率f1和/或第二主激光器的频率f2，可以改变产生双啁啾微波信号频率范围。
实施例二
一种基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生方法，使用实施例一中所述的基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置产生双啁啾微波信号，具体的实施步骤是：
步骤一、设置第一主激光器1的频率大于从激光器12的自由谐振频率，即正失谐；第一主激光器1产生的连续光信号经过第一光衰减器3和第一偏振控制器4输入到强度调制器5、通过控制第一偏振控制器4使得强度调制器5的插入损耗最小；设置强度调制器5的偏置电压使其工作在线性点；通过控制第二偏振控制器7使得注入到从激光器12的效率最高；通过控制第一光衰减器3改变注入强度使得从激光器12的工作在单周期振荡态；
步骤二、设置第二主激光器2的频率小于从激光器12的自由谐振频率，即负失谐；通过控制第三偏振控制器9使得第二主激光器2产生的连续光信号注入到从激光器12的效率最高；通过控制第二光衰减器8改变注入强度使得从激光器12保持第一主激光器1激发的单周期振荡态，同时通过非线性混频效应改变所述从激光器12输出光谱，使得主要光谱分量为单周期振荡分量和第二主激光器2光谱分量；
步骤三、经过光电探测器13后，光谱分量相互拍频产生频率可调的双频信号，其中频率一随第一主激光器1的注入强度增加而增加，其中频率二随第一主激光器1的注入强度增加而减小；
步骤四、波形发生器6产生的类锯齿波波形调制到强度调制器5上对第一主激光器的输出光进行强度调制，光电探测器13后的输出微波信号将从双频微波信号转变为双啁啾微波信号；
步骤五、调节第一主激光器1和/或第二主激光器2的频率，可以改变产生双啁啾微波信号频率范围；
步骤六、调节波形发生器6输出波形的幅度，可以改变产生双啁啾微波信号的带宽。
为了验证本发明技术方案的效果，进行了实验验证。实验中第一主激光器1的频率为194.0669THz，第二主激光器2的频率为194.0264THz，从激光器12为商用单模分布反馈半导体激光器，其自由运行的频率和功率分别为194.0574THz和3.63dBm。图2a为从激光器输出光谱图；图2b为双频微波信号频谱图。波形发生器6产生的类锯齿波波形的频率为1MHz，幅度约为3.2V。图3a为输出双啁啾微波信号的时域波形图；图3b为输出双啁啾微波信号经短时傅立叶变换后的时间-频率图。可以看出，输出双啁啾信号在1μs的周期内同时包括13.4-20.2GHz的上啁啾信号和27.3-20.5GHz的下啁啾信号。因此，本发明通过采用上述技术方案，可获得宽带的双啁啾微波信号。
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 (5)

1.一种基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置，其特征在于包括：第一主激光器(1)、第一光衰减器(3)、第一偏振控制器(4)、强度调制器(5)、波形发生器(6)、第二偏振控制器(7)、第二主激光器(2)、第二光衰减器(8)、第三偏振控制器(9)、3dB光耦合器(10)、光环行器(11)、从激光器(12)和光电探测器(13)，其中：
所述第一主激光器(1)、第一光衰减器(3)、第一偏振控制器(4)、强度调制器(5)、第二偏振控制器(7)通过光纤顺次相连，第二偏振控制器(7)的输出端连接到3dB光耦合器(10)的一个输入端；
该波形发生器(6)的输出端通过射频线连接于强度调制器(5)的射频端；
该第二主激光器(2)、第二光衰减器(8)、第三偏振控制器(9)、通过光纤顺次相连，第三偏振控制器(9)的输出端连接到3dB光耦合器(10)的另一个输入端；
所述3dB光耦合器(10)的输出端连接到光环行器(11)的一个输入端口；
从激光器(12)连接到所述光环行器(11)的另一个输入端口；
所述光环行器(11)的输出端口连接于光电探测器(13)；
双啁啾微波信号从所述光电探测器(13)的输出端导出；
所述从激光器(12)为单模半导体激光器，所述第一主激光器(1)和第二主激光器(2)均为单模激光源，其中第一主激光器(1)的频率大于从激光器(12)的频率且第二主激光器(2)的频率小于从激光器(12)的频率；第一主激光器(1)注入激发从激光器(12)的单周期振荡态，且在所述从激光器(12)的最终输出光谱中居主导地位；通过控制第二光衰减器(8)改变注入强度使得从激光器(12)保持第一主激光器(1)激发的单周期振荡态，同时通过非线性混频效应改变所述从激光器(12)输出光谱，使得主要光谱分量为单周期振荡分量和第二主激光器(2)光谱分量。
2.根据权利要求1所述的基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置，其特征在于，所述强度调制器(5)工作在线性点；所述波形发生器(6)输出的波形为类锯齿波的波形信号。
3.根据权利要求1所述的基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置，其特征在于，通过调节所述第一主激光器(1)和/或所述第二主激光器(2)的频率，改变产生双啁啾微波信号频率范围。
4.根据权利要求1所述的基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置，其特征在于，通过调节所述波形发生器(6)输出的波形幅度，改变产生双啁啾微波信号的带宽。
5.一种基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生方法，其特征在于：使用权利要求1～4之一中所述的基于半导体激光器的双啁啾微波信号产生装置产生双啁啾微波信号，步骤如下：
步骤一、设置第一主激光器(1)的频率大于从激光器(12)的自由谐振频率，即正失谐；第一主激光器(1)产生的连续光信号经过第一光衰减器(3)和第一偏振控制器(4)输入到强度调制器(5)、通过控制第一偏振控制器(4)使得强度调制器(5)的插入损耗最小；设置强度调制器(5)的偏置电压使其工作在线性点；通过控制第二偏振控制器(7)使得注入到从激光器(12)的效率最高；通过控制第一光衰减器(3)改变注入强度使得从激光器(12)的工作在单周期振荡态；
步骤二、设置第二主激光器(2)的频率小于从激光器(12)的自由谐振频率，即负失谐；通过控制第三偏振控制器(9)使得第二主激光器(2)产生的连续光信号注入到从激光器(12)的效率最高；通过控制第二光衰减器(8)改变注入强度使得从激光器(12)保持第一主激光器(1)激发的单周期振荡态，同时通过非线性混频效应改变所述从激光器(12)输出光谱，使得主要光谱分量为单周期振荡分量和第二主激光器(2)光谱分量；
步骤三、经过光电探测器(13)后，光谱分量相互拍频产生频率可调的双频信号，其中频率一随第一主激光器(1)的注入强度增加而增加，其中频率二随第一主激光器(1)的注入强度增加而减小；
步骤四、波形发生器(6)产生的类锯齿波波形调制到强度调制器(5)上对第一主激光器(1)的输出光进行强度调制，光电探测器(13)后的输出微波信号将从双频微波信号转变为双啁啾微波信号；
步骤五、通过调节第一主激光器(1)和/或第二主激光器(2)的频率，改变产生双啁啾微波信号频率范围；
步骤六、通过调节波形发生器(6)输出波形的幅度，改变产生双啁啾微波信号的带宽。
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