CN111490438B - 一种可调谐微波信号产生系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可调谐微波信号产生系统及方法，所述光电探测器包括集成式激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、偏振分束器、偏振合束器、光电探测器、射频功率放大器和射频分束器。集成式激光器包括前端激光器和后端激光器，前端激光器和后端激光器之间设有相位区，处于互注入状态。集成式激光器发出的光信号经过第一偏振控制器进入偏振分束器分为两束，一束经过所述第二偏振器进入偏振合束器，另一束经过第三偏振器进入偏振合束器，经偏振合束器合成的光信号由光电探测器转换为微波信号，微波信号经过射频功率放大器输入射频分束器分为两束，一束输出微波信号，另一束输入前端激光器和\或所述后端激光器。

Description

一种可调谐微波信号产生系统及方法

技术领域

本申请涉及光电子领域，尤其涉及一种可调谐微波信号产生系统及方法。

背景技术

现代高速通信系统对高频率、低相位噪声的微波信号需求越来越迫切。然而传统电学方法产生的微波信号频率低，如果使用倍频技术提高频率又会劣化其相位噪声。如果用光学方法产生高频率的微波信号，尤其是基于分立器件的主从激光器来产生微波信号的方式也存在一定的弊端，偏振控制繁琐、结构复杂、尺寸大且耦合损耗大。同时用集成式激光器来实现，两个激光器集成在同一芯片上，共用同一波导、同一温度控制器，则无法通过温度控制实现两激光器波长失谐频率。目前利用可调谐微波信号产生系统获得大范围可调谐的低相噪微波信号已经实现，但是调谐间隔达到百MHz量级。传统的利用电环腔控制调谐精度的方案中，大量的射频器件如隔离器、移相器等的使用又会增加结构复杂性，并且机械移相器需要人为机械调控，很难达到自动化。

因此，本发明提出一种可调谐微波信号产生系统及利用所述可调谐微波信号产生系统的可调谐微波信号产生方法，解决了现有技术结构复杂、成本高，以及相噪高、集成度和调谐精度低的问题，具有可调谐微波信号产生系统结构简单、成本低，同时能够产生低相噪、可精细调节的微波信号的优点。

发明内容

本申请实施例提供一种可调谐微波信号产生系统，解决了现有技术结构复杂、成本高，以及相噪高、集成度和调谐精度低的问题。

所述可调谐微波信号产生系统包括集成式激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、偏振分束器、偏振合束器、光电探测器、射频功率放大器和射频分束器。

所述集成式激光器，包括前端激光器和后端激光器，所述前端激光器和后端激光器之间设有相位区，所述前端激光器和后端激光器处于互注入状态。

所述集成式激光器发出的光信号经过所述第一偏振控制器进入所述偏振分束器分为两束，其中一束经过所述第二偏振器进入所述偏振合束器，另一束经过所述第三偏振器进入所述偏振合束器，经所述偏振合束器合成的光信号由所述光电探测器转换为微波信号，所述微波信号经过所述射频功率放大器输入射频分束器分为两束，其中一束输出微波信号，另一束输入所述前端激光器和\或所述后端激光器。

优选地，在所述集成式激光器的前端激光器、后端激光器与所述相位区之间分别设有第一电隔离区和第二电隔离区。

优选地，所述前端激光器和所述后端激光器是用重构-等效啁啾技术制成的DFB激光器。

优选地，所述前端激光器、相位区、后端激光器的材料为III-V族化合物半导体材料、II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料、掺铝半导体材料中至少一种。

优选地，所述后端激光器、第一电隔离区、相位区、第二电隔离区、前端激光器共用同一脊波导结构。

优选地，所述第一电隔离区和第二电隔离区利用光刻技术刻蚀掉光栅结构和欧姆接触层制成。

本申请实施例还提供了一种可调谐微波信号产生方法，用于上述可调谐微波信号产生系统，包括以下步骤：

向所述集成式激光器加载偏置电流，所述前端激光器和后端激光器分别产生第一光信号和第二光信号，调节所述偏置电流使所述集成式激光器处于四波混频状态。

所述第一光信号和第二光信号经过所述第一偏振控制器、偏振分束器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和偏振合束器后经所述光电探测器拍频转换为微波信号。

所述微波信号经过所述射频功率放大器放大后输入所述射频分束器。

所述射频分束器从所述微波信号中分出一束加载至所述前端激光器和/或后端激光器，调制所述第一光信号和/或第二光信号。

优选地，在所述射频功率放大器放大所述微波信号的过程中，通过改变所述射频功率放大器对所述微波信号的增益使所述可调谐微波信号产生系统达到起振阈值增益。

优选地，通过调节加载至所述前端激光器和/或后端激光器的偏置电流，改变所述第一光信号和第二光信号之间的波长间隔。

优选地，所述前端激光器和所述后端激光器的波长间隔<0.5nm。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

所述可调谐微波信号产生系统具有结构简单、成本低，同时能够产生低相噪、可精细调节的微波信号的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种可调谐微波信号产生系统的结构图；

图2为本申请实施例提供的集成式激光器结构图；

图3为本申请实施例提供的一种可调谐微波信号产生方法的流程图；

图4为本申请实施例提供的一种可调谐微波信号产生过程的输出信号图；

(a)随前、后端激光器的偏置电流变化的光谱图；

(b)输出信号的电频谱；

(c)拍频产生的微波信号图；

(d)相噪图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本申请实施例提供的一种可调谐微波信号产生系统的结构图，如图1所示，本实施例提供的一种可调谐微波信号产生系统包括集成式激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、偏振分束器、偏振合束器、光电探测器、射频功率放大器和射频分束器。

在本实施例中，所述集成式激光器，包括前端激光器和后端激光器，所述前端激光器和后端激光器之间设有相位区，所述前端激光器和后端激光器处于互注入状态。所述集成式激光器发出的光信号经过所述第一偏振控制器进入所述偏振分束器分为两束，其中一束经过所述第二偏振器进入所述偏振合束器，另一束经过所述第三偏振器进入所述偏振合束器，经所述偏振合束器合成的光信号由所述光电探测器转换为微波信号，所述微波信号经过所述射频功率放大器输入射频分束器分为两束，其中一束输出微波信号，另一束输入所述前端激光器和\或所述后端激光器。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述第一偏振控制器通过通信用单模光纤与所述集成式激光器和所述偏振分束器连接。所述第二偏振控制器通过通信用短单模光纤与所述偏振分束器和偏振合束器连接。所述第三偏振器通过通信用长单模光纤与所述偏振分束器和偏振合束器连接。所述光电探测器与射频功率放大器之间、所述射频功率放大器与所述射频分束器之间、所述射频分束器与所述集成式激光器之间均通过射频电缆连接。

当所述可调谐微波信号产生系统在工作时，先由所述前端激光器和后端激光器产生光信号。所述光信号经过所述第一偏振控制器、偏振分束器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和偏振合束器后由所述光电探测器转换为微波信号。所述微波信号经过所述射频功率放大器放大后输入所述射频分束器。所述射频分束器从所述微波信号中分出一束加载至所述前端激光器和/或后端激光器，对所述光信号进行调制；另一束微波信号由所述可调谐微波信号产生系统输出。

在所述可调谐微波信号产生系统中，所述集成式激光器的结构为前端激光器-相位区-后端激光器。因所述前端激光器和后端激光器之间无隔离器，两者处于互注入状态，形成的内置微波光子滤波器，将除主模以外的大部分边模滤除，使增益集中在主模处。因此所述集成式激光器本身具有调制和滤波功能。在所述可调谐微波信号产生系统工作时，向所述集成式激光器加载偏置电流。通过改变加载到所述相位区的偏置电流可以改变所述相位区的折射率和所述相位区内部的载流子变化，从而精细改变所述前端、后端激光器的失谐频率，达到精细调谐微波信号频率的效果。

具体而言，因所述前端激光器和后端激光器之间无隔离器，所述前端激光器和后端激光器发出的第一光信号和第二光信号会向长波长方向即低频率方向偏移(红移现象)，并且红移的所述第一光信号处会形成一个高斯型增益区。当射频信号调制到所述前端激光器上时，所述第一光信号附近会形成一个+1级边带和一个-1级边带。而在光注入条件下经调制的所述第二光信号发生红移，调节前端激光器的电流使经红移的所述第一光信号+1级边带落在所述后端激光器的增益区内，放大+1级边带获得的增益。如果放大的+1级边带在红移的所述第二光信号附近，那么+1级边带将会锁住红移的所述第二光信号，从而所述第一光信号和所述第二光信号具有相干性。进一步的提高所述前端激光器的调制特性。

作为本实施例的进一步优化，为了满足所述前端激光器和后端激光器的精度，所述前端激光器和所述后端激光器是用重构-等效啁啾技术制成的DFB激光器。所述前端激光器、相位区、后端激光器的材料为III-V族化合物半导体材料、II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料、掺铝半导体材料中至少一种。

为了克服整个链路的损耗，可以在所述射频功率放大器工作的过程中，改变所述射频功率放大器的增益以达到所述可调谐微波信号产生系统起振阈值。进而使所述微波信号线宽压窄，降低所述微波信号的相噪。

图2为本申请实施例提供的集成式激光器结构图，如图2所示，本申请实施例提供的一种可调谐微波信号产生系统在所述集成式激光器的前端激光器1、后端激光器2与所述相位区3之间分别设有第一电隔离区4和第二电隔离区5。所述后端激光器、第一电隔离区、相位区、第二电隔离区、前端激光器共用同一脊波导结构。

在本实施例中，所述前端激光器和相位区之间、所述后端激光器和相位区之间分别通过所述第一电隔离区和第二电隔离区相互电隔离。因此所述第一器、后端激光器和相位区在加载偏置电流时，可以分别用不同电流源控制，彼此相互不干扰。

通过调节加载至所述前端激光器和/或后端激光器的偏置电流，可以改变所述前端激光器和后端激光器所发出的光信号之间的波长间隔。在所述可调谐微波信号产生系统工作时，优选地通过调节加载至所述前端激光器和/或后端激光器的偏置电流，使所述前端激光器和所述后端激光器的之间发出的光信号波长间隔在<0.5nm范围内调节，进一步使所述集成式激光器处于四波混频状态。通过调节加载至所述相位区的偏置电流，从而改变材料的折射率。当所述前端激光器和/或后端激光器发出的光信号经过相位区时，其光程和功率相应发生改变，从而轻微改变所述前后端激光器的注入比，达到精确调谐两者失谐频率的效果。

作为本实施例的一种实施方式，所述第一电隔离区和第二电隔离区利用光刻技术刻蚀掉光栅结构和欧姆接触层制成。

图3为本申请实施例提供的一种可调谐微波信号产生方法的流程图，如图3所示，本实施例提供的一种可调谐微波信号产生方法包括以下步骤：

步骤101：向所述集成式激光器加载偏置电流。

在步骤101中，向所述集成式激光器加载偏置电流，所述前端激光器和后端激光器分别产生第一光信号和第二光信号。向所述集成式激光器加载偏置电流，所述前端激光器和后端激光器分别产生第一光信号和第二光信号，调节所述偏置电流使所述集成式激光器处于四波混频状态。

在本实施例中，所述前端激光器和后端激光器之间无隔离器，两者处于互注入状态，所述集成式激光器内形成的内置微波光子滤波器，将除载波以外的大部分边模滤除，使增益集中在主模处。因此所述集成式激光器本身具有调制和滤波功能。在所述过程中，调节加载至所述相位区的偏置电流改变材料的折射率。当所述第一光信号和/或第二光信号经过相位区时，其光程和功率相应发生改变，从而轻微改变所述前后端激光器的注入比，达到精确调谐两者失谐频率的效果。所述第一光信号和所述第二光信号在所述集成式半导体内部进行调制和滤波后输出。

作为本实施例的另一种实施方式，在所述前端激光器和后端激光器产生第一光信号和第二光信号时，可以通过调节加载至所述前端激光器和/或后端激光器的偏置电流，改变所述第一光信号和第二光信号之间的波长间隔。使所述集成多段式半导体激光器处于四波混频状态，所述四波混频状态为所述前端激光器在注入后端激光器时，两者联合工作进入的震荡状态。

为了使所述所述集成多段式半导体激光器处于四波混频状态，调节加载至所述前端激光器和/或后端激光器的偏置电流使所述前端激光器和后端激光器的波长间隔<0.5nm。

步骤102：将光信号转换为微波信号。

在步骤102中，所述第一光信号和第二光信号经过所述第一偏振控制器、偏振分束器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和偏振合束器后由所述光电探测器转换为微波信号。所述第一光信号和第二光信号经过所述第一偏振控制器起偏后经所述偏振分束器分为两束，一束经过所述第二偏振控制器后传输至所述偏振合束器，另一束经所述第三偏振控制器后传输至所述偏振合束器，由所述偏振合束器将两束光信号合为一束。所述第一光信号和第二光信号由所述偏振合束器输出后再经所述光电探测器拍频产生一个微波信号。

步骤103：放大微波信号。

在步骤103中，所述微波信号经过所述射频功率放大器放大后输入所述射频分束器。在所述射频功率放大器工作的过程中，可以通过改变所述射频功率放大器的增益克服整个链路的损耗，达到所述可调谐微波信号产生系统起振阈值。进而使所述微波信号线宽压窄，降低所述微波信号的相噪。

步骤104：输出微波信号。

在步骤104中，所述射频分束器从所述微波信号中分出一束加载至所述前端激光器和/或后端激光器，调制所述第一光信号和/或第二光信号。所述射频分束器从所述输出的微波信号中分出一束调制所述第一光信号和/或第二光信号，起到对所述集成式激光器输出的第一光信号和第二光信号进一步调制的作用。其余的微波信号直接通过射频电缆输出。

图4为本申请实施例提供的一种可调谐微波信号产生过程的输出信号图。(a)随前、后端激光器的偏置电流变化的光谱图，(b)输出信号的电频谱，(c)拍频产生的微波信号图，(d)相噪图。

如图4(a)及图4(b)所示，本申请实施例提供的一种可调谐微波信号产生系统在产生所述可调谐微波信号时，通过调节所述前端激光器和后端激光器的偏置电流大小来对失谐频率进行进一步调谐。在本实施例中，所述前端激光器和后端激光器四波混频状态。固定所述后端激光器的偏置电流为91mA，调节所述前端激光器的偏置电流大小，进而改变所所述前端激光器和后端激光器之间的失谐频率。最终起到改变输出的微波信号频率的作用。

如图4(c)所示，在本申请实施例提供的一种可调谐微波信号产生系统在产生所述可调谐微波信号时，通过调节所述射频功率放大器的功率，使所述光电探测器达到起振条件。得到的微波信号的边模抑制比达到60.94dB。因此所述可调谐微波信号产生系统达到起振条件后拍频产生的微波信号的线宽将会降低至kHz量级甚至更窄。

如图4(d)所示，在本申请实施例提供的一种可调谐微波信号产生系统中，因所述的集成式激光器由于前端激光器和后端激光器之间未使用光纤、偏振控制器等器件，避免了环境的干扰。因此得到的微波信号在10kHz以下的相噪，所述微波信号的相噪相对于分立器件的可调谐微波信号产生系统较低。

本领域内的技术人员应明白，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种可调谐微波信号产生系统，其特征在于，包括集成式激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、偏振分束器、偏振合束器、光电探测器、射频功率放大器和射频分束器；

所述集成式激光器，包括前端激光器和后端激光器，所述前端激光器和后端激光器之间设有相位区，所述前端激光器和后端激光器之间无隔离器，两者处于互注入状态；

通过偏置电流使所述集成式激光器处于四波混频状态，前端激光器和所述后端激光器的波长间隔<0.5nm；

所述集成式激光器发出的光信号经过所述第一偏振控制器进入所述偏振分束器分为两束，其中一束经过所述第二偏振器进入所述偏振合束器，另一束经过所述第三偏振器进入所述偏振合束器，经所述偏振合束器合成的光信号由所述光电探测器拍频转换为微波信号，所述微波信号经过所述射频功率放大器输入射频分束器分为两束，其中一束输出微波信号，另一束输入所述前端激光器和\或所述后端激光器。

2.如权利要求1所述的可调谐微波信号产生系统，其特征在于，在所述集成式激光器的前端激光器、后端激光器与所述相位区之间分别设有第一电隔离区和第二电隔离区。

3.如权利要求1所述的可调谐微波信号产生系统，其特征在于，所述前端激光器和所述后端激光器是用重构-等效啁啾技术制成的DFB激光器。

4.如权利要求1所述的可调谐微波信号产生系统，其特征在于，所述前端激光器、相位区、后端激光器的材料为III-V族化合物半导体材料、II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料、掺铝半导体材料中至少一种。

5.如权利要求2所述可调谐微波信号产生系统，其特征在于，所述后端激光器、第一电隔离区、相位区、第二电隔离区、前端激光器共用同一脊波导结构。

6.如权利要求2所述可调谐微波信号产生系统，其特征在于，所述第一电隔离区和第二电隔离区利用光刻技术刻蚀掉光栅结构和欧姆接触层制成。

7.一种可调谐微波信号产生方法，用于权利要求1～6任意一项所述的可调谐微波信号产生系统，其特征在于，包括以下步骤：

向所述集成式激光器加载偏置电流，所述前端激光器和后端激光器分别产生第一光信号和第二光信号，调节所述偏置电流使所述集成式激光器处于四波混频状态；

所述第一光信号和第二光信号经过所述第一偏振控制器、偏振分束器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和偏振合束器后经所述光电探测器拍频转换为微波信号；

所述微波信号经过所述射频功率放大器放大后输入所述射频分束器；

所述射频分束器从所述微波信号中分出一束加载至所述前端激光器和/或后端激光器，调制所述第一光信号和/或第二光信号。

8.如权利要求7所述的可调谐微波信号产生方法，其特征在于，在所述射频功率放大器放大所述微波信号的过程中，通过改变所述射频功率放大器对所述微波信号的增益使所述可调谐微波信号产生系统达到起振阈值增益。

9.如权利要求7所述的可调谐微波信号产生方法，其特征在于，通过调节加载至所述前端激光器和/或后端激光器的偏置电流，改变所述第一光信号和第二光信号之间的波长间隔。

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