CN114665373A - 耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置，本振信号产生模块包括激光器阵列、光偏振控制器a、光环形器和光耦合器，激光器阵列包括至少两个纳米激光器通过倏逝场耦合，每个纳米激光器均依次连接有光偏振控制器a、光环形器和光耦合器，由纳米激光器发射的光信号经过光偏振控制器a、光环形器和光耦合器分成三路；反馈模块包括第一反馈回路和第二反馈回路，其中两路光信号分别通过第一反馈回路和第二反馈回路注入到纳米激光器；光电转换模块连接光耦合器，另外一路光信号通过光电转换模块拍频产生毫米波信号。本发明具有体积小、集成度高的优势，其能够获得的毫米波信号具有双路、频率高、大宽带和灵活可调谐的优点。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子技术领域，尤其是指一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置及方法。
背景技术
得益于大带宽、高频率、高可靠性等特性，毫米波在军事和民生等领域具有广阔的应用前景。特别是，微波光子技术由于其能有效打破传统电子技术的瓶颈在近年来得到极大关注。微波光子技术主要包括四个部分：微波/毫米信号的产生、处理、控制和分布。其中第一步是微波光子信号的产生。在十数年的发展中，研究人员提出并验证了大量的方案，包括直接调制技术、光外差技术、外调制技术、锁模半导体激光器、光电振荡器和单周期振荡等。在上述的方案中，基于单周期振荡动力学的光子微波产生具有许多的优点，例如：近单边带频谱，最大限度地减少了功率损失，全光器件配置的低成本和广泛可调的振荡频率并且摆脱弛豫振荡的限制。典型的方案有利用连续波光注入半导体激光器产生单周期振荡，并采用反馈模式稳定微波信号(参见[S.-C.Chan,S.-K.Hwang,and J.-M.Liu,"Period-oneoscillation for photonic microwave transmission using an optically injectedsemiconductor laser,"Opt.Express 15(22),14921-14935(2007)])；有基于光注入谐波调制产生单周期振荡的方案(参见[L.Fan,G.Xia,J.Chen,X.Tang,Q.Liang,and Z.Wu,"High-purity 60GHz band millimeter-wave generation based on optically injectedsemiconductor laser under subharmonic microwave modulation,"Opt.Express 24,18252-18265(2016).])；有基于光注入产生单周期振荡，光纤布拉格光栅反馈稳定微波信号的方案(参见[S.S.Li,X.Zou,L.Wang,A.Wang,W.Pan,and L.Yan,"Stable period-oneoscillations in a semiconductor laser under optical feedback from anarrowband fiber Bragg grating,"Opt Express 28,21286-21299(2020).])；有基于光注入垂直腔表面发射激光器与双光反馈的方案(参见[C.Xue,D.Chang,Y.Fan,S.Ji,Z.Zhang,H.Lin,P.S.Spencer,and Y.Hong,"Characteristics of microwave photonicsignal generation using vertical-cavity surface-emitting lasers with opticalinjection and feedback,"J.Opt.Soc.Am.B 37(5),1394-1400(2020).])；有基于自旋激光器与单光反馈方案(参见[Y.Huang,P.Zhou,and N.Li,"Broad tunable photonicmicrowave generation in an optically pumped spin-VCSEL with optical feedbackstabilization,"Opt.Lett.46(13),3147-3151(2021).])。但是上述这些方法的微波信号源大多为多个独立的光学器件所构成，系统集成度低、结构尺寸大且成本较高。
因此，目前迫切需要一种系统集成度低、结构尺寸小且成本低的毫米波信号产生装置及方法。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的技术缺陷，提供一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置及方法，其采用至少两个纳米激光器通过倏逝场耦合构成激光器阵列，一方面使用高度集成的激光器阵列产生频率可调的单周期振荡信号，无需任何电光调制器、光学频率梳和光学滤波器，具有体积小、集成度高的优势，另一方面其能够同时产生至少两路的单周期振荡信号，其频率不受弛豫振荡信号的影响，并且进一步采用反馈回路对光子微波信号的线宽进行压缩以及相位进行进一步稳定，以使获得的毫米波信号具有双路、频率高、大宽带和灵活可调谐的优点。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置，包括：
本振信号产生模块，其包括激光器阵列、光偏振控制器a、光环形器和光耦合器，所述激光器阵列包括至少两个纳米激光器，至少两个纳米激光器通过倏逝场耦合产生单周期振荡信号，每个纳米激光器均依次连接有光偏振控制器a、光环形器和光耦合器，由所述纳米激光器发射的光信号经过所述光偏振控制器a、光环形器和光耦合器分成三路；
反馈模块，其包括第一反馈回路和第二反馈回路，所述第一反馈回路和第二反馈回路的输入端共同连接所述光耦合器，输出端共同连接所述光环形器，其中两路光信号分别通过所述第一反馈回路和第二反馈回路注入到纳米激光器；
光电转换模块，其连接所述光耦合器，另外一路光信号通过所述光电转换模块拍频产生毫米波信号。
在本发明的一个实施例中，所述激光器阵列为波导耦合激光器阵列。
在本发明的一个实施例中，至少两个纳米激光器的间距可调，通过调节纳米激光器的间距改变单周期振荡信号的频率。
在本发明的一个实施例中，至少两个纳米激光器通过倏逝场耦合产生单周期振荡信号的方法包括：
提供一衬底；
至少两个相同的纳米激光器嵌入在所述衬底上形成倏逝场耦合，在配置好频率失谐和激光器分离比后，至少两个纳米激光器同时产生至少两路单周期振荡信号，至少两路单周期振荡信号的振荡频率相同。
在本发明的一个实施例中，所述第一反馈回路和所述第二反馈回路的结构相同，均包括：
延迟光纤，其连接所述光耦合器，所述延迟光纤用于接收所述光耦合器输出的其中两路光信号；
可变光衰减器，其连接所述延迟光纤，所述可变光衰减器用于调节所述光信号的反馈强度；
光偏振控制器b，其连接所述可变光衰减器，所述光偏振控制器b用于调节入射光的偏振态。
在本发明的一个实施例中，所述第一反馈回路和所述第二反馈回路包含的延迟光纤的长度不等。
在本发明的一个实施例中，与至少两个纳米激光器对应的第一反馈回路包含的延迟光纤的长度相等或不等，与至少两个纳米激光器对应的第二反馈回路包含的延迟光纤的长度相等或不等。
在本发明的一个实施例中，所述光电转换模块包括：
光隔离器，其连接所述光耦合器，所述光隔离器用于接收所述光耦合器输出的另外一路光信号，并保持单向传输；
光电探测器，其连接所述光隔离器，所述光电探测器用于拍频产生毫米波信号。
此外，本发明还提供一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生方法，该方法通过如上述所述的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置实现，该方法包括：
至少两个纳米激光器发射的光信号经过光偏振控制器a、光环形器和光耦合器分成三路；
其中两路光信号分别通过所述第一反馈回路和第二反馈回路注入到纳米激光器；
另外一路光信号通过所述光电转换模块拍频产生毫米波信号。
在本发明的一个实施例中，该方法包括：
至少两个纳米激光器的数量为两个；
一个纳米激光器产生的单周期振荡信号经过对应连接的光偏振控制器a、光环形器和光耦合器分成三路光信号，其中两路光信号经反馈回路的延迟光纤、可变光衰减器和光偏振控制器b注入到该纳米激光器，另外一路光信号经光隔离器注入到光电探测器中拍频产生一毫米波信号；
另一个纳米激光器产生的单周期振荡信号经过对应连接的光偏振控制器a、光环形器和光耦合器分成三路光信号，其中两路光信号经反馈回路的延迟光纤、可变光衰减器和光偏振控制器b注入到该纳米激光器，另外一路光信号经光隔离器注入到光电探测器中拍频产生另一毫米波信号。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明采用至少两个纳米激光器通过倏逝场耦合构成激光器阵列，一方面使用高度集成的激光器阵列产生频率可调的单周期振荡信号，无需任何电光调制器、光学频率梳和光学滤波器，具有体积小、集成度高的优势，另一方面其能够同时产生至少两路的单周期振荡信号，其频率不受弛豫振荡信号的影响，并且进一步采用反馈回路对光子微波信号的线宽进行压缩以及相位进行进一步稳定，以使获得的毫米波信号具有双路、频率高、大宽带和灵活可调谐的优点。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明提供的一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置的结构示意图。
图2为本发明提供的纳米激光器波导原理图。
图3为本发明的时序图。
图4为本发明的光谱图。
图5为本发明的一频谱图。
图6为本发明的另一频谱图。
图7为本发明提供的一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生方法的流程示意图。
说明书附图标记说明如下：11、激光器阵列；12、光偏振控制器a；13、光环行器；14、光耦合器；21、延迟光纤；22、可变光衰减器；23、光偏振控制器b；31、光隔离器；32.光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
请参阅图1所示，本发明实施例提供一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置，包括：
本振信号产生模块，其包括激光器阵列11、光偏振控制器a12、光环形器13和光耦合器14，所述激光器阵列11包括至少两个纳米激光器，至少两个纳米激光器通过倏逝场耦合产生单周期振荡信号，每个纳米激光器均依次连接有光偏振控制器a12、光环形器13和光耦合器14，由所述纳米激光器发射的光信号经过所述光偏振控制器a12、光环形器13和光耦合器14分成三路；
反馈模块，其包括第一反馈回路和第二反馈回路，所述第一反馈回路和第二反馈回路的输入端共同连接所述光耦合器14，输出端共同连接所述光环形器13，其中两路光信号分别通过所述第一反馈回路和第二反馈回路注入到纳米激光器；
光电转换模块，其连接所述光耦合器14，另外一路光信号通过所述光电转换模块拍频产生毫米波信号。
在本实施例公开的一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置中，本发明采用至少两个纳米激光器通过倏逝场耦合构成激光器阵列，一方面使用高度集成的激光器阵列产生频率可调的单周期振荡信号，无需任何电光调制器、光学频率梳和光学滤波器，具有体积小、集成度高的优势，另一方面其能够同时产生至少两路的单周期振荡信号，其频率不受弛豫振荡信号的影响，并且进一步采用反馈回路对光子微波信号的线宽进行压缩以及相位进行进一步稳定，以使获得的毫米波信号具有双路、频率高、大宽带和灵活可调谐的优点。
在本实施例公开的一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置中，所述激光器阵列11为波导耦合激光器阵列，至少两个波导的间距可调，通过调节波导的间距改变单周期振荡信号的频率，具体不做限定。本实施例中至少两个纳米激光器通过倏逝场耦合，处于弱耦合状态而非注入锁定。
作为优选地，至少两个纳米激光器的数量为两个，两个纳米激光器通过倏逝场耦合产生单周期振荡信号的方法包括：提供一衬底；两个相同的纳米激光器嵌入在所述衬底上形成倏逝场耦合，在配置好频率失谐和激光器分离比后，至少两个纳米激光器同时产生至少两路单周期振荡信号，至少两路单周期振荡信号的振荡频率相同。在本实施例中，激光器中的增益材料纳米线可以是磷化铟InP纳米线，氧化锌ZnO纳米线，氮化镓GaN纳米线等，本发明不做限定。
在本实施例公开的一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置中，光电转换模块输出的毫米波信号线宽/相噪较大，限制了其性能。因此本发明提出增加反馈回路降低毫米波信号的线宽，从而提升性能。本发明中的反馈回路为全光反馈或电光反馈。基于游标效应，双光反馈能够提升单周期振荡信号的品质。
所述第一反馈回路和所述第二反馈回路的结构相同，均包括延迟光纤21、可变光衰减器22和光偏振控制器b23，延迟光纤21连接所述光耦合器14，所述延迟光纤21用于接收所述光耦合器14输出的其中两路光信号；可变光衰减器22连接所述延迟光纤21，所述可变光衰减器22用于调节光信号的反馈强度；光偏振控制器b23连接所述可变光衰减器22，所述光偏振控制器b23用于控制入射光的偏振态。
其中，上述第一反馈回路和所述第二反馈回路包含的延迟光纤21的长度不等。例如第一反馈回路包含的延迟光纤21的长度小于第二反馈回路包含的延迟光纤21的长度。还有，与两个纳米激光器对应的第一反馈回路包含的延迟光纤21的长度相等或不等，与两个纳米激光器对应的第二反馈回路包含的延迟光纤21的长度相等或不等。
在上述实施例中，选择延迟光纤21来传输信号，利用预先设定好的延迟光纤21将耦合激光器发射的单周期振荡信号传送至光电转换模。基于延迟光纤21色散小、传输带宽大、衰减小的优点，适合传输高频信号。此外，也可使用空间光传输信号，依据实际情况选择合适的传输方式，本发明不做限定。
在本实施例公开的一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置中，所述光电转换模块包括光隔离器31和光电探测器32，光隔离器31连接所述光耦合器14，所述光隔离器31用于接收所述光耦合器14输出的另外一路光信号；光电探测器32连接所述光隔离器31，所述光隔离器31用于拍频产生毫米波信号。其产生毫米波信号的原理为:两个纳米激光器的输出呈现自持的强度振荡，其光谱包括两个主要的频率分量：红移的腔谐振频率和再生的注入光频率分量，这两个光谱分量在光电探测器32中拍频可产生毫米波信号。
通过数值仿真模拟了所述的耦合激光器阵列产生单周期振荡信号，建立速率方程如下：
其中，YA,YB表示归一化电场，MA和MB分别表示激光器A和激光器B中的归一化载流子密度，φ表示A,B场的相位差值，Δf表示激光器A和激光器B的频率差，τn表示载流子寿命，αH表示线宽增强因子，Q表示归一化的泵浦速率。当激光器A与B之间的频率失谐为0时，单周期振荡频率近似为：
其中，τp表示光子寿命，d/a表示激光分离比，d表示激光器A、B之间的距离，a表示纳米线的长度，ne表示有源区材料的有效折射率，nclad表示空气折射率，C表示常数。耦合激光器分离比与泵浦强度共同主导了单周期振荡频率。
在本发明的一个优选实施方式中，以磷化铟InP纳米线材料为例展示本发明的内容。首先图2展示了纳米线激光器阵列的耦合波导结构，其中n1(＝3.4)是InP的反射指数，n2(＝1.5)是衬底的反射指数，InP纳米线的长度为5μm，a(＝230nm)是InP纳米线的的直径，g为单位长度下的增益，α是单位长度下的衰减系数。在合适的耦合参数下，InP纳米线激光器能够产生两路单周期振荡信号，如图3所示，其振荡频率不受半导体激光器弛豫振荡的限制。此时，激光器A/B的输出呈现自持的强度振荡，其光谱包括两个主要的频率分量：红移的腔谐振频率和再生的注入光频率分量，如图4所示。这两个光谱分量在光电探测器中拍频可产生毫米波信号。图5中展示了基于本发明装置产生的毫米波信号，通过减小耦合激光器之间的分离比，其频率f能够增大至百GHz。此外在没有外光反馈的情况下，毫米波线宽约为5MHz，图6可知，增加了光反馈回路后，毫米波的线宽进一步压缩到了50KHz，获得了高频窄线宽的高质量光子微波信号。
本发明具有结构简单、成本低、易集成的优势；且无需复杂的滤波和选频，易于操作、信号质量高，其能产生两路毫米波信号，频率可达百GHz。
实施例二
下面对本发明实施例二公开的一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生方法进行介绍，下文描述的一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生方法通过如上述所述的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置实现，其与上文描述的一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置可相互对应参照。
请参阅图7所示，本发明实施例二公开了一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生方法，包括：
S101：至少两个纳米激光器发射的光信号经过光偏振控制器a、光环形器和光耦合器分成三路；
S102：其中两路光信号分别通过所述第一反馈回路和第二反馈回路注入到纳米激光器；
S103：另外一路光信号通过所述光电转换模块拍频产生毫米波信号。
在本实施例公开的一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生方法中，在优选的一个实施方式中，至少两个纳米激光器的数量为两个；一个纳米激光器产生的单周期振荡信号经过对应连接的光偏振控制器a、光环形器和光耦合器分成三路光信号，其中两路光信号经反馈回路的延迟光纤、可变光衰减器和光偏振控制器b注入到该纳米激光器，另外一路光信号经光隔离器注入到光电探测器中拍频产生一毫米波信号；另一个纳米激光器产生的单周期振荡信号经过对应连接的光偏振控制器a、光环形器和光耦合器分成三路光信号，其中两路光信号经反馈回路的延迟光纤、可变光衰减器和光偏振控制器b注入到该纳米激光器，另外一路光信号经光隔离器注入到光电探测器中拍频产生另一毫米波信号。
本实施例的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生方法通过前述的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置实现，因此该方法的具体实施方式可见前文中的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。
另外，由于本实施例的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生方法通过前述的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置实现，因此其作用与上述装置的作用相对应，这里不再赘述。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于，包括：
本振信号产生模块，其包括激光器阵列、光偏振控制器a、光环形器和光耦合器，所述激光器阵列包括至少两个纳米激光器，至少两个纳米激光器通过倏逝场耦合产生单周期振荡信号，每个纳米激光器均依次连接有光偏振控制器a、光环形器和光耦合器，由所述纳米激光器发射的光信号经过所述光偏振控制器a、光环形器和光耦合器分成三路；
反馈模块，其包括第一反馈回路和第二反馈回路，所述第一反馈回路和第二反馈回路的输入端共同连接所述光耦合器，输出端共同连接所述光环形器，其中两路光信号分别通过所述第一反馈回路和第二反馈回路注入到纳米激光器；
光电转换模块，其连接所述光耦合器，另外一路光信号通过所述光电转换模块拍频产生毫米波信号。
2.根据权利要求1所述的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于：所述激光器阵列为波导耦合激光器阵列。
3.根据权利要求1或2所述的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于：至少两个纳米激光器的间距可调，通过调节纳米激光器的间距改变单周期振荡信号的频率。
4.根据权利要求1所述的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于，至少两个纳米激光器通过倏逝场耦合产生单周期振荡信号的方法包括：
提供一衬底；
至少两个相同的纳米激光器嵌入在所述衬底上形成倏逝场耦合，在配置好频率失谐和激光器分离比后，至少两个纳米激光器同时产生至少两路单周期振荡信号，至少两路单周期振荡信号的振荡频率相同。
5.根据权利要求1所述的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于，所述第一反馈回路和所述第二反馈回路的结构相同，均包括：
延迟光纤，其连接所述光耦合器，所述延迟光纤用于接收所述光耦合器输出的其中两路光信号；
可变光衰减器，其连接所述延迟光纤，所述可变光衰减器用于调节所述光信号的反馈强度；
光偏振控制器b，其连接所述可变光衰减器，所述光偏振控制器b用于控制入射光的偏振态。
6.根据权利要求5所述的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于：所述第一反馈回路和所述第二反馈回路包含的延迟光纤的长度不等。
7.根据权利要求5所述的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于：与至少两个纳米激光器对应的第一反馈回路包含的延迟光纤的长度相等或不等，与至少两个纳米激光器对应的第二反馈回路包含的延迟光纤的长度相等或不等。
8.根据权利要求1所述的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置，其特征在于，所述光电转换模块包括：
光隔离器，其连接所述光耦合器，所述光隔离器用于接收所述光耦合器输出的另外一路光信号，并保持单向传输；
光电探测器，其连接所述光隔离器，所述光电探测器用于拍频产生毫米波信号。
9.一种耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生方法，其特征在于，该方法通过如权利要求1-8任一项所述的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生装置实现，该方法包括：
至少两个纳米激光器发射的光信号经过光偏振控制器a、光环形器和光耦合器分成三路；
其中两路光信号分别通过所述第一反馈回路和第二反馈回路注入到纳米激光器；
另外一路光信号通过所述光电转换模块拍频产生毫米波信号。
10.根据权利要求9所述的耦合纳米激光器阵列周期振荡毫米波信号产生方法，其特征在于，包括：
至少两个纳米激光器的数量为两个；
一个纳米激光器产生的单周期振荡信号经过对应连接的光偏振控制器a、光环形器和光耦合器分成三路光信号，其中两路光信号经反馈回路的延迟光纤、可变光衰减器和光偏振控制器b注入到该纳米激光器，另外一路光信号经光隔离器注入到光电探测器中拍频产生一毫米波信号；
另一个纳米激光器产生的单周期振荡信号经过对应连接的光偏振控制器a、光环形器和光耦合器分成三路光信号，其中两路光信号经反馈回路的延迟光纤、可变光衰减器和光偏振控制器b注入到该纳米激光器，另外一路光信号经光隔离器注入到光电探测器中拍频产生另一毫米波信号。
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