CN113922883A - 一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置及方法，涉及微波光子技术领域。本发明包括信号源模块、直接调制模块、直调光注入模块、相移器、相位调制器、相调光注入模块、光环形器、半导体激光器、探测模块，信号源模块，用于提供直接调制和相位调制所需的电信号。本发明的发生器因采用直接调制结构产生种子光学频率梳，具有易于实现，便于调谐等优点，只需简单改变直调电信号的频率fm，就能实现梳距的连续调节；采用直接调制与相位调制的级联结构，能够避免电子器件的带宽限制,产生宽带的频率梳信号；采用相移器去匹配直接调制信号与相位调制信号的相位，可在一定程度上均衡各梳线的功率。

Description

一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频 率梳的装置及方法

技术领域

本发明涉及微波光子技术领域，具体为一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置及方法。

背景技术

微波频率梳(MFC)由一系列频率间隔相等的离散微波信号构成，可以在一个连续频率带宽范围内同时提供几个乃至上百个不同频率的微波信号，它不仅兼具微波信号的穿透性、似光性、信息性等特点，而且相较于单频微波信号，MFC具有更多的可用频率成分以及更大的频带宽度，因而在通信、军事、遥感、测试、测量等领域具有广阔的应用前景。

目前，微波频率梳的产生方法主要包括电学和光学两大类。传统的电学方案是以晶体管、电容、电阻的非线性特性为基础的一种微波频率梳的产生方法。这种方法要求严苛的恒温、恒压的工作条件，实现相对较难。此外，受电子“瓶颈”限制，基于该方法产生MFC的梳距不易调谐、高次谐波分量功率衰减明显，这导致基于电学方法很难获得功率均衡的宽带MFC信号。再者，随着通信技术的不断发展，对带宽高达60GHz水平的MFC的需求进一步提升，这必将导致电子电路的设计和加工更加复杂，由此带来高昂的系统成本。

但是现有的方法存在以下问题：

1.很难产生梳距紧凑且可调的密集微波频率梳；

2.很难获得梳线从低频到高频均平坦的60GHz带宽水平的MFC信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置及方法，以解决现有的问题：很难产生梳距紧凑且可调、梳线从低频到高频均平坦的60GHz带宽水平的密集微波频率梳。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置，包括信号源模块、直接调制模块、直调光注入模块、相移器、相位调制器、相调光注入模块、光环形器、半导体激光器、探测模块；

所述信号源模块，用于提供直接调制和相位调制所需的电信号；

所述直接调制模块，利用信号源模块输出的其中一路电信号去直接调制主激光器的工作电流，用于产生只有几条梳线的种子光学频率梳；

所述直调光注入模块，用于将种子光学频率梳注入到相位调制器；

所述相移器，用于匹配作用于主激光器上的电信号与作用于相位调制器上的电信号之间的相位关系；

所述相位调制器，采用相移后的电信号去调制注入到相位调制器中的种子光学频率梳，用于获得梳线得以增加的优化光学频率梳；

所述相调光注入模块，用于将相位调制后的优化光学频率梳注入到光环形器OC；

所述光环形器，用于将优化光学频率梳注入到半导体激光器以及将半导体激光器输出的优质信号送入到探测模块进行探测；

所述探测模块，用于探测主激光器和半导体激光器输出的光学频率梳以及微波频率梳的性能；

所述半导体激光器，用于产生平坦宽带的微波频率梳信号；

优选的，所述信号源模块包括射频信号发生器RF和电功分器PDI，所述射频信号发生器RF用于提供级联调制所需的电信号，所述电功分器PDI将射频电信号分为功率相等的两部分信号，其中一部分所述信号作用于直接调制模块，产生一个种子光学频率梳，另一部分所述信号经相移器后加载到相位调制器，用于调制经直调光注入模块以后，进入到相位调制器中的种子光学频率梳，从而在相位调制器中输出优化的光学频率梳，该优化光学频率梳经相调光注入模块和光环形器后，单向注入到半导体激光器中，使半导体激光器输出梳距紧凑且可调、梳线从低频到高频均平坦的60GHz带宽水平的MFC信号。

优选的，所述射频信号发生器RF能够输出频率fm和功率Pm均可调的正弦电信号，正弦电信号直接调制主激光器ML的工作电流，使主激光器ML输出一个梳距随信号频率fm改变的种子光学频率梳信号。

优选的，所述直接调制模块包括可变电衰减器VEA、电放大器EA和主激光器ML，经电功分器PDI均分的其中一路电信号经可变电衰减器VEA和电放大器EA调节后，直接调制主激光器ML的驱动电流，通过调节电信号的频率fm和功率Pm，使主激光器ML输出一个梳距可调的种子光学频率梳。

优选的，所述直调光注入模块包括可变光衰减器VOA、第一光分束器FC1和偏振控制器PC，主激光器ML输出的种子光学频率梳经可变光衰减器VOA改变光注入强度，然后通过第一光分束器FC1分为两路，一路进入探测模块去测试种子光学频率梳的性能；另一路通过偏振控制器PC匹配光信号的偏振态后，再注入到相位调制器PM，从而产生优化的光学频率梳。

优选的，所述相调光注入模块包括掺铒光纤放大器EDFA、第二光分束器FC2和光功率计PME，相位调制器PM输出的优化光学频率梳经掺铒光纤放大器EDFA放大后，被第二光分束器FC2后分为两部分，一部分进入光功率计PME用于探测注入光功率的大小；另一部分经光环形器OC后单向注入到半导体激光器SL中，驱使半导体激光器SL产生优质宽带的微波频率梳信号。

优选的，所述探测模块包括第三光分束器FC3、光电探测器PD、光谱分析仪OSA和频谱分析仪ESA，主激光器ML或半导体激光器SL输出的信号通过第三光分束器FC3分成两路，一路信号经光电探测器PD转换为电信号后，输入频谱分析仪ESA，探测微波频率梳的功率谱及单边带相位噪声；另一路输入光谱分析仪OSA，用于主激光器ML和半导体激光器SL输出信号的光谱分析。

一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳方法，用于如上任意一项，步骤如下：

步骤一：射频信号发生器RF输出频率fm和功率Pm均可调的电信号，该信号被电功分器PDI分为功率相等的两部分，一部分作为直调电信号，另一部分作为相调电信号；

步骤二：其中，直调电信号经可变电衰减器VEA和电放大器EA后，直接调制主激光器ML的驱动电流，使主激光器ML输出一个梳距随频率fm变化的种子光学频率梳，该种子光学频率梳经可变光衰减器VOA、第一光分束器FC1、偏振控制器PC组成的直调光注入模块，然后进入到相位调制器PM；

步骤三：射频信号发生器RF输出的另一路相调电信号经相移器PS将其相位移动到与直调电信号匹配以后，再作用于相位调制器PM，利用相调的线性电光效应，使其激发出种子光学频率梳的高阶边带，从而经相位调制器PM输出梳线数明显增加、带宽明显增强的优化光学频率梳；

步骤四：该优化光学频率梳经掺铒光纤放大器EDFA放大后，被第二光分束器FC2后分为两部分，一部分进入光功率计PME用于探测注入光功率的大小；

步骤五：另一部分经光环形器OC后单向注入到半导体激光器SL中，利用光注入引起的频谱扩展效应，通过调整合适的注入功率以及频率失谐的变化范围，使得半导体激光器SL输出一个带宽更宽的最终光学频率梳，该最终光学频率梳由两个子光学频率梳组成，其中的一个子光学频率梳为之前注入到半导体激光器SL的优化光学频率梳，另外一个子光学频率梳为半导体激光器SL因注入受激产生的派生光学频率梳；

步骤六：将半导体激光器SL输出的这个宽带的最终光学频率梳经光电探测器PD转换为电信号以后，即得到功率均衡、频率稳定、带宽达60GHz水平的微波频率梳信号，该优质频率梳信号能够从探测系统中得以观察。此外，由于种子光学频率梳的梳距能够简单地通过改变射频电信号的频率fm进行连续调节，这导致基于级联调制光注入半导体激光器SL输出的微波频率梳的梳距也能够大范围地连续改变；

步骤七：通过调节半导体激光器SL的控制温度与偏置电流，可以改变自由运行的主激光器ML和半导体激光器SL之间的频率失谐。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的发生器因采用直接调制结构产生种子光学频率梳，具有易于实现，便于调谐等优点，只需简单改变直调电信号的频率fm，就能实现梳距的连续调节。

2、本发明通过采用直接调制与相位调制的级联结构，能够避免电子器件的带宽限制,产生宽带的频率梳信号；采用相移器去匹配直接调制信号与相位调制信号的相位，可在一定程度上均衡各梳线的功率。

3、本发明通过采用光注入式的频谱扩展结构，可进一步扩展光学频率梳和微波频率梳的带宽，产生梳线从低频0GHz至高频55.1GHz范围内,梳线功率十分均衡的宽带微波频率梳信号，且所获微波频率梳的梳线纯净，梳线线宽低至1Hz以下，梳线的相位噪声均低于-98.66dBc/Hz@10kHz.本发明技术方案所产生的微波频率梳即可适用于常用低频段(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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明微波频率梳产生装置的基本结构示意图；

图2为本发明微波频率梳产生装置一个优选实例的结构示意图；

图3为直接调制后主激光器ML输出种子频率梳的光谱图（a1）和频谱图（a2）；相位调制后，从相位调制器中输出的优化频率梳的光谱图（b1）和频谱图（b2）；级联调制光注入以后，从半导体激光器SL中的最终频率梳的光谱图（c1）和频谱图（c2）

图4为6个不同调制频率fm下，级联调制光注入半导体激光器SL输出的微波频率梳的频谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一：

请参阅图1，一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置，包括信号源模块、直接调制模块、直调光注入模块、相移器、相位调制器、相调光注入模块、光环形器、半导体激光器、探测模块；

信号源模块，用于提供直接调制和相位调制所需的电信号；

直接调制模块，利用信号源模块输出的其中一路电信号去直接调制主激光器的工作电流，用于产生只有几条梳线的种子光学频率梳；

直调光注入模块，用于将种子光学频率梳注入到相位调制器；

相移器，用于匹配作用于主激光器上的电信号与作用于相位调制器上的电信号之间的相位关系；

相位调制器，采用相移后的电信号去调制注入到相位调制器中的种子光学频率梳，用于获得梳线得以增加的优化光学频率梳；

相调光注入模块，用于将相位调制后的优化光学频率梳注入到光环形器OC；

光环形器，用于将优化光学频率梳注入到半导体激光器以及将半导体激光器输出的优质信号送入到探测模块进行探测；

探测模块，用于探测主激光器和半导体激光器输出的光学频率梳以及微波频率梳的性能；

半导体激光器，用于产生平坦宽带的微波频率梳信号；

信号源模块包括射频信号发生器RF和电功分器PDI，射频信号发生器RF用于产生调制所需的电信号，电功分器PDI将射频电信号分为功率相等的两部分，一部分作为直调电信号，另一部分作为相调电信号。

射频信号发生器RF能够输出频率fm和功率Pm均可调的正弦电信号，该电信号直接调制主激光器ML的工作电流，使主激光器ML输出一个梳距随信号频率fm改变的种子光学频率梳信号。

直接调制模块包括可变电衰减器VEA、电放大器EA和主激光器ML，经电功分器PDI均分的其中一路电信号经可变电衰减器VEA和电放大器EA调节后，直接调制主激光器ML的驱动电流，通过调节电信号的频率fm和功率Pm，使主激光器ML输出一个梳距可调的种子光学频率梳。

主激光器ML的温度及电流受高精度的温控及电流源所控制，在信号源输出的功率Pm较大的电流调制作用下，主激光器ML输出规则脉冲态，用于产生功率不均衡、带宽较小的种子光学频率梳。

直调光注入模块包括可变光衰减器VOA、第一光分束器FC1和偏振控制器PC，主激光器ML输出的种子光学频率梳经可变光衰减器VOA改变光注入强度，然后通过第一光分束器FC1分为两路，一路进入探测模块去测试种子光学频率梳的性能；另一路通过偏振控制器PC匹配光脉冲的偏振态后，再注入到相位调制器，以便相位调制器输出优化光学频率梳。

相调光注入模块包括掺铒光纤放大器EDFA、第二光分束器FC2、光功率计PME，相位调制器输出的优化光学频率梳经掺铒光纤放大器EDFA放大后，被第二光分束器FC2后分为两部分，一部分进入光功率计PME用于探测注入光功率的大小；另一部分经光环形器OC后单向注入到半导体激光器SL中，驱使半导体激光器SL产生优质宽带的微波频率梳信号。

半导体激光器SL用于产生平坦宽带的微波频率梳信号，其温度及电流受高精度的温控及电流源所控制，通过调节半导体激光器SL的温度可以改变主激光器ML与半导体激光器SL之间的频率失谐；

光环形器包括沿光传输方向依次相邻排列的第1端口至第3端口，其中第1端口连接相调光注入模块，第2端口连接半导体激光器SL，第3端口连接探测模块，相位调制器输出的优化光学频率梳经相调光注入模块进入光环形器的第1端口，然后通过光环形器的第2端口注入到半导体激光器SL中，半导体激光器SL输出的优质频率梳信号经光环形器的第3端口进入探测模块，去检测频率梳的性能。

探测模块包括第三光分束器FC3、光电探测器PD、光谱分析仪OSA、频谱分析仪ESA，主激光器ML或半导体激光器SL输出的信号通过第三光分束器FC3分成两路，一路信号经光电探测器PD转换为电信号后，输入频谱分析仪ESA，探测微波频率梳的功率谱及单边带相位噪声；另一路输入光谱分析仪OSA，用于主激光器ML和半导体激光器SL输出信号的光谱分析。

实施例二：

一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳方法，用于如上实施例，步骤如下：

步骤一：射频信号发生器RF输出频率fm和功率Pm均可调的电信号，该信号被电功分器PDI分为功率相等的两部分，一部分作为直调电信号，另一部分作为相调电信号；

步骤二：其中，直调电信号经可变电衰减器VEA和电放大器EA后，直接调制主激光器ML的驱动电流，使主激光器ML输出一个梳距随频率fm变化的种子光学频率梳，该种子光学频率梳经可变光衰减器VOA、第一光分束器FC1、偏振控制器PC组成的直调光注入模块，然后进入到相位调制器PM；

步骤三：射频信号发生器RF输出的另一路相调电信号经相移器PS将其相位移动到与直调电信号匹配以后，再作用于相位调制器，利用相调的线性电光效应，使其激发出种子光学频率梳的高阶边带，从而经相位调制器输出梳线数明显增加、带宽明显增强的优化光学频率梳；

步骤四：该优化光学频率梳经掺铒光纤放大器EDFA放大后，被第二光分束器FC2后分为两部分，一部分进入光功率计PME用于探测注入光功率的大小；

步骤五：另一部分经光环形器OC后单向注入到半导体激光器SL中，利用光注入引起的频谱扩展效应，通过调整合适的注入功率以及频率失谐的变化范围，使得半导体激光器SL输出一个带宽更宽的最终光学频率梳，该最终光学频率梳由两个子光学频率梳组成，其中的一个子光学频率梳为之前注入到半导体激光器SL的优化光学频率梳，另外一个子光学频率梳为半导体激光器SL因注入受激产生的派生光学频率梳；

步骤六：将半导体激光器SL输出的这个宽带的最终光学频率梳经光电探测器PD转换为电信号以后，即得到功率均衡、频率稳定、带宽达60GHz水平的微波频率梳信号，该优质频率梳信号能够从探测系统中得以观察。此外，由于种子光学频率梳的梳距能够简单地通过改变射频电信号的频率fm进行连续调节，这导致基于级联调制光注入半导体激光器SL输出的微波频率梳的梳距也能够大范围地连续改变；

步骤七：通过调节半导体激光器SL的控制温度与偏置电流，可以改变自由运行的主激光器ML和半导体激光器SL之间的频率失谐。

实施例三：

请参阅图2，显示了本发明微波频率梳生成装置一个优选实施例的具体结构，该装置包括射频信号发生器RF、电功分器PDI、可变电衰减器VEA、电放大器EA、主激光器ML、可变光衰减器VOA、第一光分束器FC1、偏振控制器PC、相移器PS、相位调制器PM、掺铒光纤放大器EDFA、第二光分束器FC2、光功率计PME、光环形器OC、半导体激光器SL、第三光分束器FC3、光电探测器PD、光谱分析仪OSA和频谱分析仪ESA；

射频信号发生器RF输出频率fm和功率Pm均可调的电信号，该信号被电功分器PDI分为功率相等的两部分，一部分作为直调电信号，另一部分作为相调电信号。其中，直调电信号经可变电衰减器VEA和电放大器EA后，直接调制主激光器ML的驱动电流，使主激光器ML输出一个梳距随调制频率fm变化的种子光学频率梳，该种子光学频率梳通过可变光衰减器VOA调节种子频率梳的注入光功率后输入第一光分束器FC1， FC1输出的其中一部分（如80%）经偏振控制器PC调整光的偏振方向以后，进入到相位调制器PM；FC1输出的另一部分（如20%）通过第三光分束器FC3分路后，其中一部分（如80%）进入光电探测器PD转换为电信号后输入频谱分析仪ESA进行频谱分析和相噪分析，另外一部分（如20%）输入光谱分析仪OSA进行光谱分析；

射频信号发生器RF输出的另一路相调电信号经相移器PS将其相位移动到与直调电信号匹配以后，再调制进入到相位调制器PM中的种子光学频率梳的相位，利用相调的线性电光效应，从相位调制器PM中输出梳线数明显增加、带宽明显增强的优化光学频率梳，该优化光学频率梳经掺铒光纤放大器EDFA放大后，输入第二光分束器FC2，FC2输出的其中一部分（如20%）进入光功率计PME测量注入到半导体激光器SL的光功率大小，FC2输出的其余部分（如80%）进入光环形器OC的第1端口，通过OC的第2端口单向注入优化频率梳到半导体激光器SL中，利用光注入引起的频谱扩展效应，通过调整注入功率以及频率失谐的变化范围，使得半导体激光器SL输出一个更加优质的频率梳信号，半导体激光器SL输出的信号通过OC的第3端口进入第三光分束器FC3，FC3输出的其中一部分（如80%）进入光电探测器PD转换为电信号后输入频谱分析仪ESA进行频谱分析和相噪分析，另外一部分（如20%）输入光谱分析仪OSA进行光谱分析。

实施例四：

结合上述多个实例对本发明作进一步阐述；

请参阅图3-4，

图3分别为直接调制后主激光器ML输出种子频率梳的光谱图（a1）和频谱图（a2）；相位调制后，从相位调制器中输出的优化频率梳的光谱图（b1）和频谱图（b2）；级联调制光注入以后，从半导体激光器SL中输出的最终频率梳的光谱图（c1）和频谱图（c2）；图4为6个不同调制频率fm下，级联调制光注入半导体激光器SL输出的微波频率梳的频谱图。为便于对发明技术方案的理解，实施例选取以下相关参数为例对其进行分析说明。

主激光器ML的温度稳定在17.91℃，电流稳定在25.00mA，在上述温度及电流条件下，自由运行的主激光器ML的输出功率为1.62mw，输出波长为1548.7nm，弛豫振荡频率为8.9GHz；而半导体激光器SL的电流稳定在23.00mA，通过调节半导体激光器SL的温度来改变两个激光器之间的频率失谐。如半导体激光器SL的温度在20.90℃时，自由运行的半导体激光器SL的输出功率为1.73mw，输出波长为1549.0nm，弛豫振荡频率为7.6GHz。

图3中的显示调制频率fm = 2.9GHz、调制功率Pm = 12dBm时，主激光器ML输出的种子频率梳的光谱图（a1）和频谱图（a2）；级联调制以后，从相位调制器中输出的优化频率梳的光谱图（b1）和频谱图（b2）；以及在频率失谐Δf = 37.4 GHz, 注入强度Pi = 6.8 mW的级联调制光注入以后，从半导体激光器SL中输出的最终频率梳的光谱图（c1）和频谱图（c2）。

从图3中的（a）中可以看出，在(fm, Pm) = (2.9GHz, 12dBm)的调制参数下，直接电流调制的主激光器ML能够产生种子频率梳，但该种子频率梳在光谱OSA上呈现窄带的光学频率梳（如图3(a1)），在频谱ESA上只有几条梳线，且第一条梳线明显高于其他梳线（如图3(a2)），这导致种子频率梳的功率极不均衡，带宽较小，只有2.9GHz。

在图3中的（b）中，进一步把种子频率梳注入到相位调制器，通过采用相移后的相调电信号去进行相位调制后，从相位调制器中输出优化的频率梳，从图3中的（b1）的光谱图可以看出，基于相调的线性电光效应，光谱明显展宽，出现许多派生的高阶边带，但此时在频谱ESA上没有明显的变化，微波频率梳仍然只有几条梳线，且功率极不均衡，带宽仍然只有2.9GHz（如图3(b2)）。

在图3中的（c）中，进一步把级联调制（直接调制+相位调制）后的优化频率梳注入到半导体激光器SL，在(Δf, Pi) = (37.4 GHz, 6.8 mW)的注入参数下，半导体激光器SL输出的最终频率梳的性能得到明显提升。

在图3中的（c1）的光谱中，除再生注入的优化频率梳外，在半导体激光器SL的中心振荡波长（1549.0nm波长）附近还出现了一些新的梳线。在这种情况下，整个最终光学频率梳可以看作是两个子梳的结合，一个是来自注入的优化光学频率梳，另一个是光注入引起的新子梳。

将图3中的（c1）半导体激光器SL输出的光谱经光电探测器PD转换为电信号后，图3中的（c2）显示其对应的功率谱。

从图3中的（c2）可以看出，在(Δf, Pi) = (37.4 GHz, 6.8 mW)的级联光注入下，半导体激光器SL输出的微波频率梳的性能得到明显提升，梳线数量急剧增加，梳线功率更加均衡，带宽从2.9GHz扩展到55.1GHz（从低频0GHz到高频55.1GHz（在±5dB的幅度变化范围内）），且所获微波频率梳的梳线纯净，梳线线宽低至1Hz以下，梳线的相位噪声均低于-98.66 dBc/Hz@10 kHz.

图4显示调制功率Pm = 12dBm时，6个不同调制频率fm和匹配的操作参数下，从级联调制光注入半导体激光器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，微波频率梳的梳线数量、梳距以及频谱形状随其变化，且微波频率梳的梳距等于调制频率fm的大小。

在图4中的(a)- 4(f)中，当调制频率fm 分别为1.7 GHz, 2.9 GHz, 4.0 GHz,5.3 GHz, 6.4 GHz, 7.5 GHz时，微波频率梳的梳距分别为1.7 GHz, 2.9 GHz, 4.0 GHz,5.3 GHz, 6.4 GHz, 7.5 GHz，对应微波频率梳的带宽分别为42.5 GHz（如图4(a)），55.1GHz（如图4(b)），52.0 GHz（如图4(c)），58.3 GHz（如图4(d)）, 57.6 GHz（如图4(e)）, 60.0GHz（如图4(f)）。这表明本发明操作简单，有益效果明显，仅仅通过改变调制频率fm并匹配相应参数，就能获得梳距可调且带宽达40 GHz水平以上的优质宽带微波频率梳。

综上所述，上述试验充分验证了本发明技术方案所具有的优异效果，本发明所达到的有益效果：相比通常的微波频率梳发生器，本发生器因采用直接调制结构产生种子光学频率梳，具有易于实现，便于调谐等优点，只需简单改变直调信号的频率fm，就能实现梳距的连续调节；采用直接调制与相位调制的级联结构，能够避免电子器件的带宽限制,产生宽带的频率梳信号；采用相移器去匹配直接调制信号与相位调制信号的相位，可在一定程度上均衡各梳线的功率；采用光注入式的频谱扩展结构，可进一步扩展光学频率梳和微波频率梳的带宽，产生梳线从低频0GHz至高频55.1GHz范围内,梳线功率十分均衡的宽带微波频率梳信号，且所获微波频率梳的梳线纯净，梳线线宽低至1Hz以下，梳线的相位噪声均低于-98.66 dBc/Hz@10 kHz。本发明技术方案所产生的微波频率梳即可适用于常用低频段(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。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置，其特征在于：包括信号源模块、直接调制模块、直调光注入模块、相移器、相位调制器、相调光注入模块、光环形器、半导体激光器、探测模块；

所述信号源模块，用于提供直接调制和相位调制所需的电信号；

所述直接调制模块，利用信号源模块输出的其中一路电信号去直接调制主激光器的工作电流，用于产生只有几条梳线的种子光学频率梳；

所述直调光注入模块，用于将种子光学频率梳注入到相位调制器；

所述相移器，用于匹配作用于主激光器上的电信号与作用于相位调制器上的电信号之间的相位关系；

所述相位调制器，采用相移后的电信号去调制注入到相位调制器中的种子光学频率梳，用于获得梳线得以增加的优化光学频率梳；

所述相调光注入模块，用于将相位调制后的优化光学频率梳注入到光环形器；

所述光环形器，用于将优化光学频率梳注入到半导体激光器以及将半导体激光器输出的优质信号送入到探测模块进行探测；

所述探测模块，用于探测主激光器和半导体激光器输出的光学频率梳以及微波频率梳的性能；

所述半导体激光器，用于产生平坦宽带的微波频率梳信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置，其特征在于：所述信号源模块包括射频信号发生器RF和电功分器PDI，所述射频信号发生器RF用于提供级联调制所需的电信号，所述电功分器PDI将射频电信号分为功率相等的两部分信号，其中一部分所述信号作用于直接调制模块，另一部分所述信号经相移器后加载到相位调制器。

3.根据权利要求1所述的一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置，其特征在于：所述射频信号发生器RF能够输出频率fm和功率Pm均可调的正弦电信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置，其特征在于：所述直接调制模块包括可变电衰减器VEA、电放大器EA和主激光器ML。

5.根据权利要求1所述的一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置，其特征在于：所述直调光注入模块包括可变光衰减器VOA、第一光分束器FC1和偏振控制器PC。

6.根据权利要求1所述的一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置，其特征在于：所述相调光注入模块包括掺铒光纤放大器EDFA、第二光分束器FC2和光功率计PME。

7.根据权利要求1所述的一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置，其特征在于：所述探测模块包括第三光分束器FC3、光电探测器PD、光谱分析仪OSA和频谱分析仪ESA。

8.一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的方法，用于如权利要求1-8任意一项的一种基于级联调制光注入半导体激光器产生平坦宽带微波频率梳的装置，其特征在于，步骤如下：

步骤一：射频信号发生器RF输出频率fm和功率Pm均可调的电信号，该信号被电功分器PDI分为功率相等的两部分，一部分作为直调电信号，另一部分作为相调电信号；

步骤二：其中，直调电信号经可变电衰减器VEA和电放大器EA后，直接调制主激光器ML的驱动电流，使主激光器ML输出一个梳距随频率fm变化的种子光学频率梳，该种子光学频率梳经可变光衰减器VOA、第一光分束器FC1、偏振控制器PC组成的直调光注入模块，然后进入到相位调制器PM；

步骤三：射频信号发生器RF输出的另一路相调电信号经相移器PS将其相位移动到与直调电信号匹配以后，再作用于相位调制器PM，利用相调的线性电光效应，使其激发出种子光学频率梳的高阶边带，从而经相位调制器PM输出梳线数明显增加、带宽明显增强的优化光学频率梳；

步骤四：该优化光学频率梳经掺铒光纤放大器EDFA放大后，被第二光分束器FC2后分为两部分，一部分进入光功率计PME用于探测注入光功率的大小；

步骤五：另一部分经光环形器OC后单向注入到半导体激光器SL中，利用光注入引起的频谱扩展效应，通过调整合适的注入功率以及频率失谐的变化范围，使得半导体激光器SL输出一个带宽更宽的最终光学频率梳，该最终光学频率梳由两个子光学频率梳组成，其中的一个子光学频率梳为之前注入到半导体激光器SL的优化光学频率梳，另外一个子光学频率梳为半导体激光器SL因注入受激产生的派生光学频率梳；

步骤六：将半导体激光器SL输出的这个宽带的最终光学频率梳经光电探测器PD转换为电信号以后，即得到功率均衡、频率稳定、带宽达60GHz水平的微波频率梳信号，该优质频率梳信号能够从探测系统中得以观察；此外，由于种子光学频率梳的梳距能够简单地通过改变射频电信号的频率fm进行连续调节，这导致基于级联调制光注入半导体激光器SL输出的微波频率梳的梳距也能够大范围地连续改变；

步骤七：通过调节半导体激光器SL的控制温度与偏置电流，可以改变自由运行的主激光器ML和半导体激光器SL之间的频率失谐。

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