CN114640396B - 一种高精度、宽频带的片上集成激光扫频装置 - Google Patents
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Abstract
一种高精度、宽频带的片上集成激光扫频装置，包括片上集成光学单元和驱动控制电学单元。片上集成光学单元包含主激光器、电光调制器、可调光耦合器和从激光器。主激光器采用窄线宽半导体激光器，从激光器使用无隔离器的可调谐半导体激光器。驱动控制电学单元包括信号发生器、频率合成器、环路滤波器、宽带压控振荡器、射频功率分配器、射频放大器、偏压控制器、可变增益放大器、驱动电流控制器和温度控制器。本发明通过驱动控制电学单元对片上集成光学单元控制，进行高阶边带注入锁定，获得窄线宽、宽频带、快速调谐功能。可调光耦合器兼具幅度调控和光波耦合的双重功能，有利于实现体积小、集成度高、系统稳定性好的片上集成激光扫频装置。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，涉及一种激光扫频装置，尤其涉及一种高精度、宽频带的片上集成激光扫频装置。
背景技术
高精度、高光谱纯度的宽带激光扫频装置在相干光谱分析仪、合成孔径成像激光雷达和相干光通信等方面应用广泛。目前，同时实现激光器的窄线宽和宽调谐范围存在挑战：要获得灵活的频率调谐功能，不可避免地就要牺牲线宽；要获得窄线宽，激光器的调谐范围就比较小。
为了能够同时实现窄线宽与宽调谐范围目标，研究人员进行了深入的研究。通过机械、电子学和光学手段进行腔结构的重新配置可以实现输出光波的频率调谐，但是此方法需要复杂的机械结构，受制于运动部件，其调谐范围窄且调谐速率低。随后发展出了基于声光调制器及电光调制器的方法，声光调制器可以实现较小范围的频率调谐，一般为10～100MHz，更高范围的调谐需要用电光调制器来实现。使用电光调制器实现频率调谐一般是采用频移的方式，通过调节电光调制器的射频驱动信号实现光频移。然而，此方案可实现的调谐范围也较窄，若想进一步地提高扫描范围，则受射频驱动源和调制器带宽的限制，而且该方法集成度低、系统功耗较大。
集成光子技术基于硅、氮化硅、铌酸锂等波导材料，用光波代替电子在波导中进行信号传输，可以克服电子技术的带宽小、功耗大、速度难以提升等问题，并可与CMOS工艺兼容。光子集成技术可降低系统成本，实现更多功能，更低功耗，更高系统稳定性，在数据通信、量子计算、生化医疗等领域具有广阔的应用前景。采用光子集成技术实现扫频激光器装置，可以获得高精度、宽频带、快速调谐的窄线宽激光输出功能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高精度、宽频带的片上集成激光扫频装置。本发明通过电学驱动控制单元对片上集成光学单元进行高阶边带注入锁定，获得高精度、宽范围调谐的窄线宽激光输出，具有体积小、集成度高、系统稳定性好的优点。
为了达到上述目的，本发明采用得技术方案如下：
一种高精度、宽频带的片上集成激光扫频装置，所述片上集成激光扫频装置包含片上集成光学单元和驱动控制电学单元。所述片上集成光学单元包括主激光器、电光调制器、可调光耦合器和从激光器。所述驱动控制电学单元包括信号发生器、频率合成器、环路滤波器、宽带压控振荡器、射频功率分配器、射频放大器、偏压控制器、可变增益放大器、驱动电流控制器和温度控制器。
所述主激光器为窄线宽半导体激光器，通过端面耦合的方式与电光调制器对接；所述从激光器为半导体可调谐DFB激光器或半导体可调谐DBR激光器，通过端面耦合的方式与可调光耦合器对接，从激光器无隔离器，保证光注入；主激光器输出窄线宽激光光波传输进入电光调制器，射频放大器输出射频信号作用于电光调制器，偏压控制器输出直流信号作用于电光调制器；电光调制器在射频信号和直流信号驱动下对窄线宽激光光波进行调制，输出光载射频信号，具有多阶边带；电光调制器输出的光载射频多阶边带信号经可调光耦合器后注入从激光器；所述的可调光耦合器既作为幅度调控装置进行高阶边带功率的衰减，又作为光波耦合输出装置进行窄线宽、宽频带、快速调谐的激光输出；
所述电光调制器的射频驱动部分由频率合成器，环路滤波器，宽带压控振荡器和射频功率分配器构成的锁相环提供。信号发生器和射频功率分配器为频率合成器提供输入。射频功率分配器将宽带压控振荡器输出的信号一部分输入给频率合成器，频率合成器将其与信号发生器输入的参考信号相比较，然后输入至环路滤波器。环路滤波器输出的信号分为两路：一路传输至宽带压控振荡器进行射频频率的连续调谐，另一路输出至可变增益放大器；射频功率分配器将宽带压控振荡器输出的另一部分信号输入给射频放大器；所述射频放大器用于增强高阶边带，产生频率更高的边带；频率合成器，环路滤波器，宽带压控振荡器、射频功率分配器和射频放大器所输出的信号都为电压信号。
所述电光调制器的直流驱动由偏压控制器提供。通过输入合适的直流电压，对电光调制器输出的光载波进行抑制。环路滤波器输出的电压信号经可变增益放大器进行放大后经驱动电流控制器转换为电流信号，然后输出给从激光器的电流输入端口，调整从激光器的输入电流，使其频率与锁相环锁定的高阶边带的频率保持一致，以实现从激光器的注入锁定。温度控制器作用于从激光器，保持从激光器的中心频率稳定。
所述片上集成光学单元在驱动控制电学单元的控制下将从激光器锁定在电光调制器产生的高阶边带处。通过注入锁定，从激光器获得与主激光器相同的窄线宽，且从激光器的调谐范围可以由驱动控制电学单元灵活地控制，便于获得宽频带的扫频激光。
进一步的，所述电光调制器和可调光耦合器采用适用于有源器件制造的光子集成工艺平台进行加工，包含但并不局限于硅、铌酸锂晶体/薄膜、磷化铟等材料所对应的光子集成工艺平台。
进一步的，所述可调光耦合器为马赫曾德尔干涉结构，其两个干涉臂为等长或不等长。两臂上设置有加热器，具有热调功能。可调光耦合器既作为幅度调控装置进行高阶边带功率的衰减，又作为光波耦合输出装置进行窄线宽、宽调谐范围的激光的输出。
进一步的，所述电光调制器的输出从可调光耦合器的②端口输入，然后由③端口输出给从激光器，从激光器注入锁定后输出的窄线宽、宽调谐范围的激光经可调光耦合器的③端口输入，①端口输出。
本发明的有益效果是：
1)本发明采用驱动控制电学单元对片上集成光学单元进行控制，能够实现窄线宽、宽频带、快速调谐功能。
2)可调光耦合器兼具幅度调控和光波耦合的双重功能，降低了系统复杂度。
3)本发明实现的片上集成激光扫频装置，具有体积小、集成度高、系统稳定性好的优点。
附图说明
图1为高精度、宽频带的片上集成激光扫频装置的结构示意图；
图2为电光调制器的输出谱线及频率相对关系示意图；
图3为可调光衰减器的结构示意图。
图中：1片上集成光学单元、2驱动控制电学单元、3主激光器、4电光调制器、5可调光耦合器、6从激光器、7信号发生器、8频率合成器、9环路滤波器、10宽带压控振荡器、11射频功率分配器、12射频放大器、13偏压控制器、14可变增益放大器、15驱动电流控制器、16温度控制器。
具体实施方式
下面结合实施例来详细说明本发明实现高精度、宽频带可调窄线宽激光输出的功能。
如图1所示，高精度、宽频带的片上集成激光扫频装置包含片上集成光学单元1和驱动控制电学单元2。片上集成光学单元1包括主激光器3、电光调制器4、可调光耦合器5和从激光器6。驱动控制电学单元2包括信号发生器7、频率合成器8、环路滤波器9、宽带压控振荡器10、射频功率分配器11、射频放大器12、偏压控制器13、可变增益放大器14、驱动电流控制器15和温度控制器16。
所述主激光器3为窄线宽半导体激光器，通过端面耦合的方式与电光调制器4对接。所述从激光器6为半导体可调谐DFB激光器或半导体可调谐DBR激光器，通过端面耦合的方式与可调光耦合器5对接，从激光器6无隔离器，保证光注入。主激光器3输出频率为ω0的窄线宽激光传输进入电光调制器4，电光调制器4接收窄线宽激光，在频率为ωm的射频驱动信号的作用下，电光调制器4输出以ω0为中心，间隔为ωm的多阶边带谱，如图2所示。电光调制器4输出的多阶边带谱由可调光耦合器5的②端口输入，③端口输出，注入到从激光器6。从激光器6注入锁定后输出的窄线宽、宽频带、快速调谐的激光经可调光耦合器5的③端口输入，①端口输出。
由于从激光器6需要很小的注入功率即可锁定在高阶边带上，因此在电光调制器4后设置可调光耦合器5进行功率调控。如图3所示，可调光耦合器5为马赫曾德尔干涉结构，其干涉臂为等长。通过在可调光耦合器5上设置加热器，对可调光耦合器5两臂的相位进行调节，实现端口③输出功率的调控。可调光耦合器5既作为幅度调控装置进行高阶边带功率的衰减，又作为光波耦合输出装置进行窄线宽、宽调谐范围的激光的输出。电光调制器4和可调光耦合器5采用硅光子集成工艺平台进行加工。
电光调制器4的射频驱动部分由频率合成器8，环路滤波器9，宽带压控振荡器10和射频功率分配器11构成的锁相环提供。信号发生器7和射频功率分配器11为频率合成器8提供输入。射频功率分配器11将宽带压控振荡器10输出的信号一部分输入给频率合成器8，频率合成器8将其与信号发生器7输入的参考信号相比较，然后经环路滤波器9反馈给宽带压控振荡器10进行射频频率的连续调谐。环路滤波器9输出的信号既反馈给宽带压控振荡器10，又输出给可变增益放大器14，即环路滤波器输出给10和14的信号是相同的，既反馈给10，又输出给14，与射频功率分配器的用法不同。射频功率分配器11将宽带压控振荡器10输出的另一部分信号输入给射频放大器12。射频放大器12用于增强高阶边带，产生频率更高的边带。频率合成器8，环路滤波器9，宽带压控振荡器10、射频功率分配器11和射频放大器12所输出的信号都为电压信号。
电光调制器4的直流驱动由偏压控制器13提供。通过输入合适的直流电压，对电光调制器4输出的光载波进行抑制。环路滤波器9输出的电压信号经可变增益放大器14进行放大后经驱动电流控制器15转换为电流信号，然后输出给从激光器6的电流输入端口，调整从激光器6的输入电流，使其频率与锁相环锁定的高阶边带的频率保持一致，以实现从激光器的注入锁定。温度控制器16作用于从激光器6，保持激光器6的中心频率稳定。
改变频率合成器8的输出频率，使射频驱动信号的频率改变Δω，则n阶边带信号的频率改变nΔω，如图2所示。在驱动控制电学单元2的控制下，从激光器锁定在第n阶边带上，其频率调谐范围由射频驱动信号的改变量Δω和锁定边带的阶数n决定。注入锁定的高阶边带的阶数n由边带的功率决定，边带的功率满足注入锁定需要的注入比。环路滤波器9输出的信号对从激光器6进行同步调整。
所述片上集成光学单元1在驱动控制电学单元2的控制下将从激光器6锁定在电光调制器4产生的高阶边带处。通过注入锁定，从激光器6获得与主激光器3相同的窄线宽，且从激光器6的调谐范围由驱动控制电学单元2灵活地控制，获得宽频带、快速调谐的扫频激光输出。
以上技术方案可以实现高集成度、高稳定性、低功耗的窄线宽、宽频带、快速调谐的片上快速调谐装置，可适用于激光雷达、相干光通讯等领域。本发明将光子芯片与电子芯片进行混合集成，降低了系统功耗，易于实现窄线宽、宽频带、快速调谐的激光扫频装置。需要说明的是，虽然上述参照具体实施例详细地介绍了本发明，但是本发明并不仅限于此，对于本设计方案之内所做的任何修改、等同替换、改进等，都应在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种片上集成激光扫频装置，其特征在于：所述的激光扫频装置包含片上集成光学单元(1)和驱动控制电学单元(2)；所述的片上集成光学单元(1)包括主激光器(3)、电光调制器(4)、可调光耦合器(5)和从激光器(6)；所述的驱动控制电学单元(2)包括信号发生器(7)、频率合成器(8)、环路滤波器(9)、宽带压控振荡器(10)、射频功率分配器(11)、射频放大器(12)、偏压控制器(13)、可变增益放大器(14)、驱动电流控制器(15)和温度控制器(16)；
所述主激光器(3)为窄线宽半导体激光器，通过端面耦合的方式与电光调制器(4)对接；所述从激光器(6)为半导体可调谐DFB激光器或半导体可调谐DBR激光器，通过端面耦合的方式与可调光耦合器(5)对接，从激光器(6)无隔离器，保证光注入；主激光器(3)输出窄线宽激光光波传输进入电光调制器(4)，射频放大器(12)输出射频信号作用于电光调制器(4)，偏压控制器(13)输出直流信号作用于电光调制器(4)；电光调制器(4)在射频信号和直流信号驱动下对窄线宽激光光波进行调制，输出光载射频信号，具有多阶边带；电光调制器(4)输出的光载射频多阶边带信号经可调光耦合器(5)后注入从激光器(6)；所述的可调光耦合器(5)既作为幅度调控装置进行高阶边带功率的衰减，又作为光波耦合输出装置进行窄线宽、宽频带、快速调谐的激光输出；
所述电光调制器(4)的射频驱动部分由频率合成器(8)，环路滤波器(9)，宽带压控振荡器(10)和射频功率分配器(11)构成的锁相环提供；信号发生器(7)和射频功率分配器(11)为频率合成器(8)提供输入；射频功率分配器(11)将宽带压控振荡器(10)输出的信号一部分输入给频率合成器(8)，频率合成器(8)将其与信号发生器(7)输入的参考信号相比较，然后输入至环路滤波器(9)；环路滤波器(9)输出的信号分为两路，一路传输至宽带压控振荡器(10)进行射频频率的连续调谐，另一路输出至可变增益放大器(14)；射频功率分配器(11)将宽带压控振荡器(10)输出的另一部分信号输入给射频放大器(12)；所述射频放大器(12)用于增强高阶边带，产生频率更高的边带；频率合成器(8)，环路滤波器(9)，宽带压控振荡器(10)、射频功率分配器(11)和射频放大器(12)所输出的信号都为电压信号；
所述电光调制器(4)的直流驱动由偏压控制器(13)提供；通过输入合适的直流电压，对电光调制器(4)输出光载射频信号的光载波进行抑制；环路滤波器(9)输出的电压信号经可变增益放大器(14)进行放大后经驱动电流控制器(15)转换为电流信号，然后输出给从激光器(6)的电流输入端口，调整从激光器(6)的中心频率，使其与锁相环锁定的高阶边带的频率保持一致，以实现从激光器的注入锁定；温度控制器(16)作用于从激光器(6)，保持从激光器(6)的中心频率稳定；
所述片上集成光学单元(1)在驱动控制电学单元(2)的控制下将从激光器(6)锁定在电光调制器(4)产生的高阶边带处；通过注入锁定，从激光器(6)获得与主激光器(3)相同的窄线宽，且从激光器(6)的调谐范围由驱动控制电学单元(2)灵活地控制，获得宽频带、快速调谐的扫频激光。
2.根据权利要求1所述的一种片上集成激光扫频装置，其特征在于：所述的电光调制器(4)和可调光耦合器(5)采用适用于有源器件制造的光子集成工艺平台进行加工，包含硅、铌酸锂晶体/薄膜、磷化铟所对应的光子集成工艺平台。
3.根据权利要求1所述的一种片上集成激光扫频装置，其特征在于：所述的可调光耦合器(5)为马赫曾德尔干涉结构，其两个干涉臂为等长或不等长；两臂上设置有加热器，具有热调功能。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种片上集成激光扫频装置，其特征在于：所述的电光调制器(4)的输出从可调光耦合器(5)的②端口输入，然后由③端口输出给从激光器(6)，从激光器(6)注入锁定后输出的窄线宽、宽调谐范围的激光经可调光耦合器(5)的③端口输入至可调光耦合器(5)，①端口输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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