CN115425512A - 一种基于单片集成正交双孤子光梳的微波产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片集成正交偏振双孤子光梳的微波产生方法，利用可调谐激光器输出连续激光作为泵浦激光，并输入进调制器内调制，以及放大和滤波处理后得到正交的泵浦激光；再将正交泵浦激光分别经过放大器进行功率放大后，由耦合器合并为一束，并经环形器输入至光学微腔；同时将另一个可调谐激光器输出的辅助激光，经过偏振控制器和放大器后通过环形器输入至光学微腔；最后通过多次调谐辅助激光波长，使光学微腔在红失谐区内激发出正交双孤子光梳，再进行滤波和广电转换后产生出微波信号。

Description

一种基于单片集成正交双孤子光梳的微波产生方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于单片集成正交 双孤子光梳的微波产生方法。

背景技术

微波信号源是现代电子系统的重要组成部分，在通信、雷达、电子对抗、 卫星导航、遥测遥控等众多领域都有广泛的应用，大量电子设备和系统的功能 实现都直接依赖于所用频率源的性能。例如，在雷达系统中，高稳定性、低相 位噪声的信号源，能够提高雷达对动目标的分辨能力；在卫星导航系统中，高 质量的信号源能够给系统提供一个稳定的时间基准，从而实现更加准确的定位。 可见，随着电子技术的不断发展，各类电子系统对微波频率源的要求越来越高， 研究宽频带、低相噪、低杂散的微波频率源具有十分重要的意义。

传统上，微波频率源信号是通过电子振荡器产生，并通过对低频振荡源进 行多次倍频和放大来产生高频的微波信号，但是这种传统方法随着频率的提高 会受到很大的限制，会导致产生的高频微波信号相位噪声显著劣化，且成本高 昂。因此，传统的电学方法已经无法满足高频率、低噪声、高功率微波信号产 生的要求。

近些年来，人们开始尝试利用光学的方法来产生微波信号，相比于传统电 生微波信号方法，光生微波方法具有大带宽、低损耗、宽调谐范围和抗电磁干 扰等优点。在众多光生微波方案中，基于光频率梳的光生微波方案凭借出色的 噪声性能，越来越受到研究人员的关注。尤其值得关注的是，近年来一种崭新 的光频梳产生方案，即基于光学微腔中克尔效应产生的克尔光梳，被提出并广 泛应用，为光学分频器以及超低相噪微波信号发生的实现提供了全新的工具。 但是，我们注意到，基于微腔克尔光梳的光生微波信号的频率由光梳梳齿间隔 决定，而克尔光梳梳齿间隔通常由光学微腔几何尺寸决定。一个光学微腔一旦被制备完成，其几何尺寸也将固定下来，无法改变。因此，基于克尔光梳的微 波信号的频率是固定的，无法灵活调节。针对这一难题，研究人员提出利用两 个光学微腔，分别产生两个重复频率不同的克尔光梳，利用这两个光梳对应梳 齿间的拍频信号产生微波信号。由于两个光梳的重复频率不同，根据游标效应 我们知道，不同梳齿对可产生一系列频率差为两个光梳重频差的微波信号。这 一方案成功解决了光生微波信号频率调谐的难题，但是由于两个克尔光梳分别 在两个不同的光学微腔中产生，环境噪声、微腔热噪声、激光器频率噪声会劣 化两个光梳间的相干性，从而劣化微波信号噪声特性。为了解决这一难题，研 究人员又提出在同一微腔中同时产生两个克尔光梳。该方案可以有效缓解噪声 导致的微波信号劣化，但是由于两个光梳在同一偏振的不同波长的谐振波长处 产生，两个光梳的重频差很小，往往只有几MHz。因此，光生微波信号的可调 谐性很差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于单片集成正交双孤 子光梳的微波产生方法，通过在单个光学微腔中产生偏振正交双光梳，从而产 生低噪声、频率可调谐的微波信号。

为实现上述发明目的，本发明一种基于单片集成正交双孤子光梳的微波产 生方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、产生正交的双泵浦激光；

(1.1)、利用调制器调制出泵浦光的边带；

将可调谐激光器作为泵浦激光源，输出波长可调的连续泵浦光，再通过光 纤输入到调制器；同时，微波源产生微波正弦信号并作为调制信号输入至调制 器；

在调制器中，调制器利用调制信号对连续泵浦光进行调制，得到多个边带 的泵浦光信号，再将多个边带的泵浦光信号进放大器的放大和带通滤波器的滤 波处理，保留幅值最高的两根边带信号；

(1.2)、利用偏振控制器产生TE模式泵浦光和TM模式泵浦光；

利用偏振控制器分别对两根边带信号的偏振态进行调整，使其中一根边带 信号的偏振态与光学微腔的TE模式对齐，另一根边带信号的偏振态与光学微腔 的TM模式对齐，从而得到TE模式泵浦光和TM模式泵浦光；

(1.3)、利用耦合器合成正交的双泵浦激光；

将TE模式泵浦光和TM模式泵浦光输入掺铒光纤放大器进行光功率放大 后，再利用耦合器将两束光合并为一束激光，然后由第一环形器的端口1输入， 由端口2输出至光学微腔内；同时，第一环形器的端口3连接功率计，用于监 测辅助激光输入至光学微腔内的光功率；

(2)、产生辅助激光；

另外选用一个可调谐激光器作为辅助激光源输出辅助激光，再利用偏振控 制器调整辅助激光的偏振态，使辅助激光的偏振态与光学微腔的TE模式或TM 模式对齐，然后利用掺铒光纤放大器进行功率放大后由第二环形器的端口1输 入，由端口2输出至光学微腔内；同时在第二环形器的端口3连接光谱仪与光 滤波器；

(3)、产生偏振正交双孤子光梳；

(3.1)、利用辅助激光加热效应使泵浦激光进入微腔谐振峰；

将泵浦激光和辅助激光分别从不同的方向输入到光学微腔中，观察功率计 的功率值，当功率值达到阈值时，调谐辅助激光波长进入光学微腔的谐振峰， 此时，由于光学微腔的热非线性效应，谐振峰将往长波长方向移动，使得泵浦 激光被动地进入光学微腔的谐振峰并处于谐振峰蓝失谐区；

(3.2)、调谐微腔谐振峰波长产生偏振正交双孤子光梳；

再次调谐辅助激光的波长，由于光学微腔的热非线性效应，使谐振峰往短 波长方向移动，从而使泵浦激光相对谐振峰位置向长波长方向移动，并通过光 谱仪观察到泵浦激光平滑地从蓝失谐区过渡到红失谐区；然后继续调谐辅助激 光波长，并通过光谱仪观察泵浦激光是否在红失谐区中产生偏振正交双孤子光 梳，如果产生，则进入步骤(4)；否则，更换可调谐激光器的波长，再返回步 骤(1)；

(4)、产生微波信号

光学微腔输出正交双孤子光梳，并使用光滤波器滤出正交双孤子光梳，然 后输入至光电探测器转换成电信号，从而产生微波信号。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于单片集成正交偏振双孤子光梳的微波产生方法，利用可调谐激 光器输出连续激光作为泵浦激光，并输入进调制器内调制，以及放大和滤波处 理后得到正交的泵浦激光；再将正交泵浦激光分别经过放大器进行功率放大后， 由耦合器合并为一束，并经环形器输入至光学微腔；同时将另一个可调谐激光 器输出的辅助激光，经过偏振控制器和放大器后通过环形器输入至光学微腔； 最后通过多次调谐辅助激光波长，使光学微腔在红失谐区内激发出正交双孤子 光梳，再进行滤波和广电转换后产生出微波信号。

同时，本发明基于单片集成正交双孤子光梳的微波产生方法还具有以下有 益效果：

(1)、偏振正交双光梳在单个光学微腔中产生，可有效抑制因外部环境因 素带来的双光梳间相干特性劣化，实现更高的系统集成度、更小的功耗、更小 的体积；

(2)、与同偏振双孤子光梳方案相比，本技术方案有两个方面的优势：(a) 由于正交方案的两个模式间的互相干扰更小，对孤子锁模过程影响更小，更容 易实现正交双孤子的产生；(b)与同偏振双孤子相比，正交孤子的梳齿间隔更 大，从而可以实现光生微波信号更大范围的调节。并且正交模式的模式间隔还 可通过改变波导横截面积进行优化，更加灵活；

(3)、偏振正交双光梳在单个光学微腔中产生，可有效避免因环境噪声、 微腔热噪声等因素造成的双光梳相干性劣化，即光生微波信号可以获得更低的 噪声特性；

(4)、本发明通过引入辅助激光，可以克服光梳孤子锁定过程中的热不稳 定性，降低产生正交双孤子光梳的难度，从而降低系统复杂度；相比于快速激 光扫频方案，该方案可实现正交双孤子锁模状态的独立调整，具有更高的灵活 性。

附图说明

图1是本发明基于单片集成正交双孤子光梳的微波产生架构图；

图2是本发明基于单片集成正交双孤子光梳的微波产生方法流程图；

图3是氮化硅微环腔的Q值和色散特性测试结果；

图4是典型的偏振正交双孤子光谱图；

图5是偏振正交双孤子光梳独立产生的过程；

图6是光生微波信号频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更 好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设 计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于单片集成正交双孤子光梳的微波产生架构图。

在本实施例中，如图1所示，整个装置分三个支路，其中，在单个光学微 腔中产生偏振正交双光梳包括泵浦光支路和辅助激光支路，以及将偏振正交双 光梳转换为微波信号的微波支路；下面我们结合图1对本发明一种基于单片集 成正交双孤子光梳的微波产生方法进行详细说明，如图2所示，具体包括以下 步骤：

S1、产生正交的双泵浦激光；

S1.1、利用调制器调制出泵浦光的边带；

将可调谐激光器作为泵浦激光源，输出波长可调的连续泵浦光，再通过光 纤输入到调制器；同时，微波源产生微波正弦信号并作为调制信号输入至调制 器；

在调制器中，调制器利用调制信号对连续泵浦光进行调制，得到多个边带 的泵浦光信号，再将多个边带的泵浦光信号进放大器的放大，用于弥补调制器 的插入损耗，然后通过带通滤波器的滤波处理，滤除光放大器引入的自发辐射 噪声，保留幅值最高的两根边带信号；

S1.2、利用偏振控制器产生TE模式泵浦光和TM模式泵浦光；

利用偏振控制器分别对两根边带信号的偏振态进行调整，使其中一根边带 信号的偏振态与光学微腔的TE模式对齐，另一根边带信号的偏振态与光学微腔 的TM模式对齐，从而得到TE模式泵浦光和TM模式泵浦光；

S1.3、利用耦合器合成正交的双泵浦激光；

将TE模式泵浦光和TM模式泵浦光输入掺铒光纤放大器进行光功率放大 后，再利用耦合器将两束光合并为一束激光，然后由第一环形器的端口1输入， 由端口2输出至光学微腔内；同时，第一环形器的端口3连接功率计，用于监 测辅助激光输入至光学微腔内的光功率；

S2、产生辅助激光；

另外选用一个可调谐激光器作为辅助激光源输出辅助激光，再利用偏振控 制器调整辅助激光的偏振态，使辅助激光的偏振态与光学微腔的TE模式或TM 模式对齐，然后利用掺铒光纤放大器进行功率放大后由第二环形器的端口1输 入，由端口2输出至光学微腔内；同时在第二环形器的端口3连接光谱仪与光 滤波器，其中，光谱仪用于监测产生正交双孤子光梳过程中光谱的变化过程， 光滤波器用于滤除光学微腔产生的双孤子光梳；

S3、产生偏振正交双孤子光梳；

S3.1、利用辅助激光加热效应使泵浦激光进入微腔谐振峰；

将泵浦激光和辅助激光分别从不同的方向输入到光学微腔中，观察功率计 的功率值，当功率值达到阈值时，调谐辅助激光波长进入光学微腔的谐振峰， 当辅助激光进入谐振峰时，我们观察功率计显示功率将会持续下降，此时，由 于光学微腔的热非线性效应，谐振峰将往长波长方向移动，使得泵浦激光被动 地进入光学微腔的谐振峰并处于谐振峰蓝失谐区，此时观察光谱仪可以发现光 谱显示光梳状态处于主级光梳态或者次级光梳态；

S3.2、调谐微腔谐振峰波长产生偏振正交双孤子光梳；

再次调谐辅助激光的波长，由于光学微腔的热非线性效应，使谐振峰往短 波长方向移动，从而使泵浦激光相对谐振峰位置向长波长方向移动，此时观察 光谱仪可以发现泵浦激光产生的光梳逐渐密集，当光梳状态从主级光梳态到次 级光梳态直至混沌光梳态依次变化，由于辅助激光可以抵消掉泵浦激光进入谐 振峰红失谐区产生的热效应的影响，因此通过光谱仪观察到泵浦激光可以平滑 地从蓝失谐区过渡到红失谐区，并且可以在红失谐区内稳定存在，此时可以观 察到光梳状态从混沌光梳态转换到多孤子光梳态；

然后继续调谐辅助激光波长，并通过光谱仪观察泵浦激光是否在红失谐区 中产生偏振正交双孤子光梳，如果产生，则进入步骤S4；否则，更换可调谐激 光器的波长，再返回步骤S1；

S4、产生微波信号

光学微腔输出正交双孤子光梳，并使用光滤波器滤出正交双孤子光梳，然 后输入至光电探测器转换成电信号，从而产生微波信号。

为了说明本发明在单个光学微腔中同时产生两个偏振正交复用克尔光梳的 可行性，采用一个具体实施例进行实验验证。

首先测试了氮化硅微环腔的Q值和色散特性，测试结果如图3所示：自由 频谱宽度FSR＝100GHz，如图3中的第一幅图所示，TE模式的品质因子 Q＝2.3*10⁶，如图3中的第二幅图所示，TM模式的品质因子Q＝7.9*10⁵；如图3 中的第一幅图所示，TE模式线宽83.5MHz，如图3中的第二幅图所示，TM模 式线宽241.5MHz。如图3中最下方第三幅图所示，两种模式都具有异常色散， 且TE模式的D₂/2π＝0.869MHz，TM模式的D₂/2π＝0.530MHz。

在本实施例中，基于片上氮化硅光学微腔产生的正交偏振双孤子光梳的原 理图如图4(a)所示。实施例中使用到的光学微腔如图4(b)所示，用两个微 透镜来对输入输出端透镜光纤的光斑进行聚焦、光路进行校准，将光可以顺利 经过光学微腔中，从而封装成低损耗的光学微腔器件。泵浦激光来自可调谐激 光器，设置中心波长为1602.8nm。泵浦激光经调制器后，利用滤波器分别滤出 两束光来作为TE模式和TM模式的泵浦光。使用两个偏振控制器来对两束光调 节偏振态，使其分别对准TE模式与TM模式。模式对准后的两束光分别使用掺 铒光纤放大器将功率放大至32.5dBm和32dBm。将放大后的两束光使用一个25： 75的光耦合器合并后输入进光学微腔的一端。其中，TE泵浦光是25％的一路， TM泵浦光是75％的一路。为了抑制微光的热非线性，还使用了一个可调谐激光 器作为辅助激光，中心波长设置为1535nm，使用偏振控制器将辅助光偏振态与 TM模式对准，再由掺铒光纤放大器将功率放大至32dBm后输入光学微腔的另 一端。当辅助激光从蓝失谐区进入腔模式时，微腔被加热，所有谐振峰红移， 使得TE模式和TM模式泵浦激光被动地从红失谐区进入谐振峰内。通过适当地 设置两个泵浦激光器之间的频率失谐，可以平衡掉微腔内的热流，泵浦激光可 以顺利扫描完整个谐振峰区域而没有明显的热效应。通过独立调谐TE模式和 TM模式泵浦激光的泵浦失谐参数，可以在微腔内产生不同的孤子光谱，如图4 (c)所示，为典型的偏振正交双孤子光谱图。

为了说明本发明中产生的两个正交光梳的相互影响弱，图5(i)至(vi)展 示了偏振正交双孤子光梳独立产生的过程。实验中，首先产生了以1550nm为中 心的TM模式孤子微梳，如图5(i)所示。然后将TE模式泵浦光调谐进入另一 个TE模式谐振峰内(约1600nm)，TE模式泵浦光从蓝失谐区到红失谐区分别 经过低噪声初级光梳态(见图5(ii))、次级光梳态(见图5(iii))、高噪声混沌 态(见图5(iv))、多孤子态(见图5(v))，最终到达单孤子态(见图5(vi))。 在这个过程中，可以发现TM模式的孤子光梳几乎不受影响。因为TE模式泵浦 光和TM模式泵浦光是偏振正交，它们之间通过四波混频的非线性相互作用被 有效抑制，由此两个模式的泵浦光可以独立产生孤子光梳而不受彼此影响。

为了更好地说明本发明的技术效果以及如何产生基于单片集成光学微腔正 交双孤子光梳的光生微波信号，在上述实施例的基础上进行一些改进。在本次 实施例中没有采用两个独立的可调谐激光器来作为泵浦激光源，而是使用一个 可调谐激光器激光器配合调制器来调制产生两束光分别作为TE模式泵浦光和 TM模式泵浦光。TE模式和TM模式泵浦光源来自同一光源，可以提升以此产 生的正交偏振复用孤子光梳的相干性。本次实验中所产生偏振正交双孤子光梳 的光生微波信号装置如图1所示。实验中使用一个可调谐激光器作为泵浦激光 源，中心波长位置在193.866THz，同时调制器由工作在17.506GHz的微波源驱 动，滤除三阶调制边带作为TE模式泵浦光和TM模式泵浦光。两束光经过偏振 控制器分别与TE模式、TM模式对准后，再经过掺铒光纤放大器放大功率后， 利用耦合器合并成一束光输入光学微腔。后续实验步骤与上一实施例相同。在 本次实验中产生了的正交偏振孤子光梳的光谱图如图6(a)所示。将光信号输 入光电探测器转换成电信号，由此产生了基于单光学微腔正交双孤子光梳的光 生微波信号。使用频谱仪拍频电信号，显示出来两个正交模式间距差距约为 1.1GHz，即产生的微波信号间隔1.1GHz，如图6(b)所示。观测频谱仪可以发 现微波信号的线宽约4.4kHz，如图6(c)所示，可以证明产生的微波信号相干 性良好。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域 的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对 本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定 的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发 明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于单片集成正交双孤子光梳的微波产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、产生正交的双泵浦激光；

(1.1)、利用调制器调制出泵浦光的边带；

将可调谐激光器作为泵浦激光源，输出波长可调的连续泵浦光，再通过光纤输入到调制器；同时，微波源产生微波正弦信号并作为调制信号输入至调制器；

在调制器中，调制器利用调制信号对连续泵浦光进行调制，得到多个边带的泵浦光信号，再将多个边带的泵浦光信号进放大器的放大和带通滤波器的滤波处理，保留幅值最高的两根边带信号；

(1.2)、利用偏振控制器产生TE模式泵浦光和TM模式泵浦光；

利用偏振控制器分别对两根边带信号的偏振态进行调整，使其中一根边带信号的偏振态与光学微腔的TE模式对齐，另一根边带信号的偏振态与光学微腔的TM模式对齐，从而得到TE模式泵浦光和TM模式泵浦光；

(1.3)、利用耦合器合成正交的双泵浦激光；

将TE模式泵浦光和TM模式泵浦光输入掺铒光纤放大器进行光功率放大后，再利用耦合器将两束光合并为一束激光，然后由第一环形器的端口1输入，由端口2输出至光学微腔内；同时，第一环形器的端口3连接功率计，用于监测辅助激光输入至光学微腔内的光功率；

(2)、产生辅助激光；

另外选用一个可调谐激光器作为辅助激光源输出辅助激光，再利用偏振控制器调整辅助激光的偏振态，使辅助激光的偏振态与光学微腔的TE模式或TM模式对齐，然后利用掺铒光纤放大器进行功率放大后由第二环形器的端口1输入，由端口2输出至光学微腔内；同时在第二环形器的端口3连接光谱仪与光滤波器；

(3)、产生偏振正交双孤子光梳；

(3.1)、利用辅助激光加热效应使泵浦激光进入微腔谐振峰；

将泵浦激光和辅助激光分别从不同的方向输入到光学微腔中，观察功率计的功率值，当功率值达到阈值时，调谐辅助激光波长进入光学微腔的谐振峰，此时，由于光学微腔的热非线性效应，谐振峰将往长波长方向移动，使得泵浦激光被动地进入光学微腔的谐振峰并处于谐振峰蓝失谐区；

(3.2)、调谐微腔谐振峰波长产生偏振正交双孤子光梳；

再次调谐辅助激光的波长，由于光学微腔的热非线性效应，使谐振峰往短波长方向移动，从而使泵浦激光相对谐振峰位置向长波长方向移动，并通过光谱仪观察到泵浦激光平滑地从蓝失谐区过渡到红失谐区；然后继续调谐辅助激光波长，并通过光谱仪观察泵浦激光是否在红失谐区中产生偏振正交双孤子光梳，如果产生，则进入步骤(4)；否则，更换可调谐激光器的波长，再返回步骤(1)；

(4)、产生微波信号

光学微腔输出正交双孤子光梳，并使用光滤波器滤出正交双孤子光梳，然后输入至光电探测器转换成电信号，从而产生微波信号。

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