CN114124234B - 一种基于级联宇称时间对称光纤f-p谐振腔的毫米波发生器 - Google Patents
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Abstract
一种基于级联宇称时间对称光纤F‑P谐振腔的毫米波发生器，该发生器包括：基于级联宇称时间对称光纤F‑P谐振腔的双波长激光器、掺铒光纤放大器、光电探测器。所述双波长激光器包括：980nm泵浦光源、波分复用耦合器、端面旋涂掺铒离子溶胶‑凝胶薄膜和未掺铒离子溶胶‑凝胶薄膜的布拉格光栅、石英毛细管、软微流导管、普通单模光纤。利用增益和损耗薄膜构建宇称时间对称F‑P谐振腔结构，在奇异点附近可得到双波长激光输出，将输出激光经掺铒光纤放大器放大后输入光电探测器混频，即可获得毫米波输出，通过填充功能材料并调节其折射率还可调谐毫米波输出频率。该毫米波发生器具有输出频率范围宽、频率连续调谐、易于集成、与光纤系统兼容性强等优点。
Description
技术领域
本发明属于毫米波技术领域，具体涉及一种级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的双波长激光器及其宽带毫米波发生器，该双波长激光器应用于宇称时间对称光纤F-P谐振腔毫米波发生器。
背景技术
毫米波是指波长范围在0.1mm-1mm范围内的电磁波，在电磁波谱上位于微波与远红外波的交叠区域，因此毫米波兼具这两类波的特点。与光波相比，毫米波具有利用大气窗口传播时的衰减小、受自然光和热辐射源影响小的优势，在通讯和雷达领域有举足轻重的作用，同时在制导、遥感技术、射电天文学、临床医学和波谱学方面都有重大的意义。现有的技术手段一般是对特定需求的毫米波使用能产生特定频率范围的信号源，这就造成其应用场景受限，因此如何产生可调谐宽带毫米波是毫米波技术未来发展的重要方向之一。
光载毫米波一般可以通过外部调制法、光学外差法以及直接调制法三种方式获得。使用相位调制器、电吸收调制器、强度调制器等外部调制手段能够产生光载毫米波。直接强度调制则是采用外调制器直接将毫米波调制到光载波上，在激光振荡的过程中直接加载调制信号。光学外差的方法是通过传输两个频率差等于所需要的毫米波频率的窄线宽光波，在基站采用探测器拍频外差的方式产生毫米波载波信号。
自1998年Carl M.Bender等人发现满足宇称时间(Parity time,PT)对称性的非厄米哈密顿量在一定的参数取值范围内可能具有实本征值以来，光学宇称时间对称特性引起了越来越多的研究兴趣。在激光物理及相关应用领域，基于宇称时间对称性破缺特性可以实现对激光器模式的调控，从而实现更高性能的单双频可调谐激光输出，这为利用光学外差的方法实现毫米波的产生奠定了基础。
常见的光学外差法产生毫米波的方案大多是通过将双通道的复用光导入光电探测器中，这种系统的结构较为复杂，并且其调谐范围约为26GHz(一种基于串联电光强度调制器的六倍频毫米波发生器，公开号：CN207853905 U，公开日：2018.09.11)，该专利使用的光源为1550.62nm的半导体激光器，并通过马赫-曾德尔电光强度调制器来实现激光调制。杨勇等人也提出了一种三模块的毫米波发生器(一种毫米波信号源，公开号：CN108512513A，公开日：2018.09.07)，该专利的毫米波调谐范围在40GHz以内，且需要根据对所需毫米波频率的需求改变链路。因此，设计一种输出频率范围宽、输出频率连续调谐、易于集成的全光纤毫米波发生器具有重要的实际意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的是将宇称时间对称特性与光纤F-P腔结构相结合，提供一种基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器，该发生器具有输出频率范围宽、输出频率连续调谐、易于集成的特点。
本发明的技术方案如下：
基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器，包括基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的双波长激光器、掺铒光纤放大器和光电探测器以及连接用普通单模光纤；所述双波长激光器通过普通单模光纤与掺铒光纤放大器连接，输出端接入光电探测器进行混频，由光电探测器做拍频之后输出毫米波。通过改变双波长激光器的谐振腔中功能材料的折射率可以实现对毫米波频率的连续调谐。
所述基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的双波长激光器包括：980nm泵浦光源、第一和第二两个波分复用耦合器、端面旋涂厚度相同的掺铒离子溶胶-凝胶薄膜和未掺铒离子溶胶-凝胶薄膜的第一和第二两个布喇格光栅、石英毛细管、第一和第二两个软微流导管以及普通单模光纤；
所述980nm泵浦光源发出的光经过第一波分复用耦合器和单模光纤送入石英毛细管中的后端旋涂增益材料为掺铒离子溶胶-凝胶薄膜的第一布喇格光纤光栅，经功能材料填充区送入前端旋涂损耗材料为未掺铒离子溶胶-凝胶薄膜的第二布喇格光纤光栅，再经单模光纤送入石英毛细管外的第二波分复用耦合器进行输出；所述石英毛细管的两端分别连接第一软微流导管或第二软微流导管作为微流通道，石英毛细管两端通过紫外固化胶进行封装；所述双波长激光器的谐振腔由掺铒离子溶胶-凝胶薄膜为增益材料的F-P腔和未掺铒离子溶胶-凝胶薄膜为损耗材料的F-P腔及石英毛细管内两薄膜之间的F-P腔构成。
更进一步的优化，所述第一、第二两个波分复用耦合器为980nm/1550nm波分复用器。
更进一步的优化，所述掺铒离子溶胶-凝胶薄膜的制备方法为：首先对四乙氧基硅烷C8H20O4Si(TEOS)进行水解，水与TEOS的摩尔数之比为1:2，然后加入0.5mol/L氯化氢溶液使溶液的酸碱性稳定为酸性。加入0.1mol/L的硝酸铒Er(NO3)3溶液以得到铒离子，之后在70℃下反应三个小时得到黏度很高的凝胶。最后在光纤光栅的端面采用旋涂的方法形成一层溶胶-凝胶膜，可以通过改变凝胶溶液的黏度和旋涂的转速来得到不同厚度的薄膜，为了得到精确厚度的薄膜需要进行多次旋涂并每次旋涂结束后在1000℃下进行煅烧去除残留的有机溶剂。
更进一步的优化，所述增益材料的折射率实部为1.459，折射率虚部为-0.00756，损耗材料的折射率实部同为1.459，折射率虚部为0.00756。
更进一步的优化，所述两个相同布喇格光纤光栅的布喇格波长位于1537nm至1555nm范围内。
更进一步的优化，所述双波长激光器的增益材料谐振腔和损耗材料谐振腔的腔长为50μm。
更进一步的优化，所述玻璃毛细管内需要填充折射率范围在1.33至1.333之间调谐的光学功能材料。
更进一步的优化，所述双波长激光器的功能材料填充区域的厚度为3.78μm。
本发明的技术方案的优点和有益效果为：
本发明的毫米波发生器基于级联光纤F-P谐振腔的宇称时间对称性可以通过改变功能材料折射率的方式实现频率在0至100GHz的连续调谐毫米波输出，同时还具有毫米波频率调谐线性度高、调谐方式灵活、结构易于集成的优点。
毫米波的产生原理：
基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器，其主要工作原理是系统在宇称时间对称状态以及宇称时间对称破缺状态存在的本征频率分裂以及简并现象。宇称时间对称状态的实现需要满足下式：
其中，为系统的哈密顿算符，/>为宇称时间算符，/>对/>的操作可表示为：
其中为动量算符，x为位置，m为约化质量，k0为真空波矢量，nR为折射率实部，nI为折射率虚部。在本发明中有：对于损耗区nR＝1.459，nI＝0.00756；对于增益区nR＝1.459，nI＝-0.00756。
宇称时间对称状态下相对于增益区和损耗区F-P谐振腔的谐振频率具有频移的两个本征频率如下式所示：
其中ω0为增益区和损耗区F-P谐振腔的谐振频率，ωPT为整体结构的本征频率，κ为增益区和损耗区之间的耦合系数，γ为增益以及损耗绝对值的大小。
对于以上的级联光纤F-P谐振腔结构，仅有特定的级次能处于宇称时间对称状态，由于不同级次的模式在增益区和损耗区的耦合系数不同，因此出现频率简并的位置也不同，在这种情况下当某一级次的模式达到宇称时间对称状态的临界位置时，其余的模式将分别处于宇称时间对称状态和宇称时间对称破缺状态，因此可以利用该级次的模式在宇称时间对称状态的频率分裂而屏蔽其余级次从而实现窄线宽的双波长激光输出。
将输出的窄线宽双波长激光经掺铒光纤放大器放大后输入光电探测器，当其功率高于产生毫米波的阈值功率时，混频之后就可以得到毫米波输出。产生的毫米波的频率为：
其中fMMW为毫米波频率，c为真空中的光速，λ1和λ2为(4)式所述两个本征频率对应的谐振波长。
综上所述，本发明提出的基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的双波长激光器的毫米波发生器可以实现毫米波输出，同时利用光学功能材料来调谐毫米波发生器的宇称时间对称性状态，处于宇称时间对称性状态时两个本征模式的频率不同而增益相同，此时通过对两个本征模式差频可以实现毫米波输出；处于宇称时间对称性破缺状态时，两个本征模式的频率实部简并，但是分裂为增益模式和损耗模式，而损耗模式逐渐湮灭，增益模式则可形成低阈值甚至无阈值的单模激光输出。
附图说明
图1是本发明中毫米波发生器的结构示意图；
图2是本发明中基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的双波长激光器的结构示意图；
图3是本发明中基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的双波长激光器在增益和损耗材料的折射率虚部绝对值为0.00756时，其输出激光波长随功能材料折射率的变化关系图；
图4是本发明中基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的双波长激光器在增益和损耗材料的折射率虚部绝对值为0.00756时，不同功能材料折射率条件下的输出光谱图；
图5是本发明中基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器在增益和损耗材料的折射率虚部绝对值为0.00756时，其输出毫米波频率随功能材料折射率的变化关系图；
图6是本发明中基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器在增益和损耗材料的折射率虚部绝对值为0.00756时，其输出毫米波频率的调谐速率随功能材料折射率的变化关系图。
图中：1.基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的双波长激光器；2.掺铒光纤放大器；3.光电探测器；4.980nm泵浦激光器；5-I.第一波分复用耦合器；5-II第二波分复用耦合器；6.普通单模光纤；7-I.第一软微流导管；7-II第二软微流导管；8-I.第一布喇格光纤光栅；8-II第二布喇格光纤光栅；9.掺铒离子溶胶-凝胶薄膜；10.石英毛细管；11.未掺铒离子溶胶-凝胶薄膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例
如图1所示为基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器的结构示意图，它包括基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的双波长激光器1、掺铒光纤放大器2、光电探测器3。双波长激光器1通过普通单模光纤与掺铒光纤放大器2连接，掺铒光纤放大器的输出光经由单模光纤导入光电探测器3进行混频。
如图2所示为基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的双波长激光器1的结构示意图，包括：980nm泵浦激光器4；第一、第二波分复用耦合器5-I、5-II；第一、第二布喇格光栅8-I、8-II；第一、第二软微流导管7-I、7-II；掺铒离子溶胶-凝胶薄膜9；未掺铒离子溶胶-凝胶薄膜11；石英毛细管10；普通单模光纤6。结构相同的第一、第二两个布喇格光纤光栅8-I、8-II分别位于左端掺铒离子溶胶-凝胶薄膜9的外侧和右端未掺铒离子溶胶-凝胶薄膜11的外侧。将两段薄膜分别从两端引入石英毛细管10中，毛细管两端分别连接第一软微流导管7-I、或第二软微流导管7-II作为微流通道，通过紫外固化胶对石英毛细管10两端进行封装。第一波分复用耦合器5-I一侧的两个端口一个连接泵浦光源4，另一个端口作为抑制反射端，另一侧的一个端口通过普通单模光纤6连接到左端的第一布喇格光栅8-I上，第二波分复用耦合器5-II一侧的两个端口一个连接在掺铒光纤放大器2上(图2中略)，另一个端口作为抑制反射端，另一侧的一个端口连接在第二布喇格光栅8-II之后。
本实施例中的增益材料是掺铒离子溶胶-凝胶薄膜，折射率虚部为-0.00756，对应于增益区，损耗材料是未掺铒离子溶胶-凝胶薄膜，折射率虚部为0.00756，对应于损耗区。
增益区的增益离子为铒离子，发射波长在1550nm附近，该溶胶-凝胶薄膜的制备方法为：首先对四乙氧基硅烷C8H20O4Si(TEOS)进行水解，水与TEOS的摩尔数之比为1:2，然后加入0.5mol/L氯化氢溶液使溶液的酸碱性稳定为酸性。加入0.1mol/L的硝酸铒Er(NO3)3溶液以得到铒离子，之后在70℃下反应得到黏度很高的凝胶。最后在光纤光栅的端面采用旋涂的方法形成一层凝胶膜，可以通过改变凝胶溶液的黏度和旋涂的转速来得到50μm的薄膜层，为了得到精确厚度的薄膜层需要进行多次旋涂，并在每次旋涂结束后在1000℃下进行煅烧去除残留的有机溶剂。
如图3所示为|nI|＝0.00756时双波长激光器的输出波长随功能材料折射率变化时产生的频率分裂以及简并现象，可以看出达到双波长激光器的频率分裂所需的功能材料折射率阈值在1.3302处，而后在功能材料折射率逐渐增大到1.333的过程中，双波长激光的频率分裂量逐渐增大。
如图4所示为|nI|＝0.00756时双波长激光器在不同功能材料折射率条件下的输出光谱图，可以看到该激光器具有强度接近的双波长激光输出，并且随功能材料折射率逐渐增大至1.333，双波长激光的频率分裂量逐渐增大。
如图5所示为|nI|＝0.00756时产生的毫米波的频率随功能材料折射率的变化关系图，拟合函数关系式为：
fMMW＝2272.512×(nf-1.3302)0.5243 (6)
其中fMMW为产生的毫米波频率，nf为功能材料折射率，拟合系数R2为0.99979，从拟合后的结果中可以看出产生毫米波所需的功能材料折射率阈值在1.3302处，并且当折射率高于1.3302之后随着功能材料折射率的增大，输出毫米波的频率可逐渐增大至100GHz。
如图6所示为|nI|＝0.00756时输出毫米波频率的调谐速率随功能材料折射率的变化关系图，可以看到毫米波频率的调谐速率在毫米波输出阈值折射率处最大，而后随着折射率逐渐增加至1.333，调谐速率将逐步降低至19480.3259GHz/RIU左右。
本实施例通过构建掺铒和未掺铒离子溶胶-凝胶薄膜分别作为增益和损耗区，采用布喇格光纤光栅作为谐振腔反射镜，基于对光学功能材料折射率的调谐可以实现毫米波频率的宽带连续可调，以上结果对于毫米波发生器的设计及相关应用具有重要价值。本实施例中通过调谐功能材料折射率可实现输出毫米波频率连续可调，同时还具有调谐方式灵活、与现有的光纤系统兼容性强、易于集成的优点。
Claims (8)
1.基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器，其特征在于该毫米波发生器包括顺次连接的：基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的双波长激光器、掺铒光纤放大器和光电探测器；所述激光器输出的双波长激光经过掺铒光纤放大器放大后，导入光电探测器混频形成毫米波，通过改变双波长激光器的谐振腔中功能材料的折射率实现对毫米波频率的连续调谐；
所述基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的双波长激光器包括：980 nm泵浦光源、第一和第二两个波分复用耦合器、端面旋涂掺铒离子溶胶-凝胶薄膜、未掺铒离子溶胶-凝胶薄膜的结构相同的第一和第二两个布喇格光纤光栅、石英毛细管以及单模光纤；所述双波长激光器的谐振腔由掺铒离子溶胶-凝胶薄膜为增益材料的F-P腔和未掺铒离子溶胶-凝胶薄膜为损耗材料的F-P腔及石英毛细管内两薄膜之间的F-P腔构成；
所述泵浦光源发出的光经过第一波分复用耦合器和单模光纤送入石英毛细管中的后端旋涂增益材料为掺铒离子溶胶-凝胶薄膜的第一布喇格光纤光栅，经功能材料填充区送入石英毛细管中的前端旋涂损耗材料为未掺铒离子溶胶-凝胶薄膜的第二布喇格光纤光栅，再经单模光纤送入石英毛细管外的第二波分复用耦合器后输出。
2.根据权利要求1所述基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器，其特征在于所述第一、第二波分复用耦合器为980nm/1550nm波分复用器。
3.根据权利要求1所述基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器，其特征在于所述掺铒离子溶胶-凝胶薄膜的制备方法如下：首先对四乙氧基硅烷C8H20O4Si（TEOS）进行水解，水与TEOS的摩尔数之比为1:2，然后加入0.5 mol/L氯化氢溶液使溶液的酸碱性稳定为酸性；加入0.1mol/L的硝酸铒Er(NO3)3溶液，之后在70℃下反应三个小时得到凝胶；最后在光纤光栅的端面采用旋涂的方法形成一层溶胶-凝胶膜，通过改变凝胶溶液的黏度和旋涂的转速来得到不同厚度的薄膜层，为了得到精确厚度的薄膜层需要进行多次旋涂，每次旋涂结束后在1000℃下进行煅烧去除残留的有机溶剂。
4.根据权利要求1所述基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器，其特征在于所述增益材料的折射率实部为1.459，折射率虚部为-0.00756，损耗材料的折射率实部同为1.459，折射率虚部为0.00756。
5.根据权利要求1所述基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器，其特征在于所述第一、第二两个相同布喇格光纤光栅的布喇格波长位于1537nm至1555 nm的范围内。
6.根据权利要求1所述基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器，其特征在于所述双波长激光器的增益材料和损耗材料谐振腔的腔长为50μm。
7.根据权利要求1所述基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器，其特征在于所述石英毛细管内填充的光学功能材料的折射率范围在1.33至1.333之间。
8.根据权利要求1所述基于级联宇称时间对称光纤F-P谐振腔的毫米波发生器，其特征在于所述双波长激光器的光学功能材料填充区域的厚度为3.78μm。
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| 《基于前馈调制的光载毫米波发生器的设计与实现》;石军，吴建辉，刘伟;《半导体光电》;第40卷(第4期);全文 * |
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