CN116247510A - 一种自注入太赫兹光频梳系统 - Google Patents

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刘涵
李子平
马旭红
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Abstract

本发明涉及一种自注入太赫兹光频梳系统，其中，太赫兹量子级联激光器作为光频梳源，通过自拍频产生的拍频信号并传输到第一T型偏置器中；第一T型偏置器用于将拍频信号传输至分波器；分波器用于将拍频信号分成两路，一路传输到环形器中参与自注入，另一路连接到频谱分析仪中进行实时检测；环形器用于保持参与自注入的拍频信号在回路中的单向传输；移相器用于对参与自注入的拍频信号进行相位匹配；第二T型偏置器用于将相位匹配后的拍频信号注入到太赫兹量子级联激光器；频谱分析仪用于实时检测得到的自注入拍频信号。本发明能够提高系统的稳定性，满足作为高频光电振荡器的要求。

Description

一种自注入太赫兹光频梳系统
技术领域
本发明涉及半导体光电器件应用技术领域，特别是涉及一种自注入太赫兹光频梳系统。
背景技术
随着全球第五代(5G)无线通信、雷达监视系统等的高速发展，微波频段不断提高，对高频、高光谱纯度和频率可传输的射频信号的需求日益升高，进而产生重量轻、体积小、低成本射频信号发生器的需求，然而传统微波技术无法适应高频大宽带信号的传输和处理，微波光子学技术应运而生。光子学器件可以产生微波、毫米波、太赫兹频段的高频电磁信号，且具有频率高、相噪性能好、结构紧凑、易集成等优点。其中，光电振荡器(OEO)因其产生超低相位噪声的稳定高频信号优势，被认为是微波光子学中的关键技术。
太赫兹量子级联激光器(THzQCL)作为一种半导体电泵浦辐射源，具有高功率、易集成等优点，是实现太赫兹光频梳的理想载体。光学频率梳是指频域分布为一系列高度稳定且等间距分布的激光源，在时域上表现为严格的周期性包络函数曲线。光频梳的相邻模式之间相互作用，产生的拍频信号位于微波波段，该信号被应用于表征QCL光频梳的稳定性和模式间相干性，同时也可以作为稳定微波信号，THzQCL可以作为实现光电振荡器的重要器件。
光频梳往往会受到外界温度、湿度、电流、机械振动等多方面的影响，不能完全发挥宽带、低相位噪声、高频率稳定性的优势。在射频频段，光频梳的不稳定性表现为拍频信号的抖动，限制了超稳定、低相噪的微波信号产生，常采用射频注入实现对拍频信号的稳频，但由于射频注入需要额外的微波信号源装置，不仅成本增高，且微波信号源的频谱纯度、稳定度和相噪直接影响高品质的微波信号的产生，很难完全实现拍频信号的稳频。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种自注入太赫兹光频梳系统，能够提高系统的稳定性，满足作为高频光电振荡器的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种自注入太赫兹光频梳系统，包括太赫兹量子级联激光器、第一T型偏置器、分波器、环形器、移相器和第二T型偏置器；所述太赫兹量子级联激光器作为光频梳源，通过自拍频产生的拍频信号并传输到所述第一T型偏置器中；所述第一T型偏置器用于将所述拍频信号传输至所述分波器；所述分波器用于将所述拍频信号分成两路，一路传输到所述环形器中参与自注入，另一路连接到频谱分析仪中进行实时检测；所述环形器用于保持参与自注入的拍频信号在回路中的单向传输；所述移相器用于对参与自注入的拍频信号进行相位匹配；所述第二T型偏置器用于将相位匹配后的拍频信号注入到所述太赫兹量子级联激光器；所述频谱分析仪用于实时检测得到的自注入拍频信号。
所述太赫兹量子级联激光器的激射端口和接收端口分别连接微带线，所述太赫兹量子级联激光器的电极与陶瓷片相连，所述陶瓷片和微带线封装在热沉上，并通过所述热沉固定在H型样品架上。
所述H型样品架两端的凹槽用于固定所述微带线，实现所述微带线与高频同轴线缆的连接。
所述第一T型偏置器的混合端口与所述太赫兹量子级联激光器的微带线相连，AC端口与所述分波器相连。
所述第一T型偏置器与所述分波器之间设置有带通滤波器和低噪声放大器，所述带通滤波器用于滤除拍频信号之外的其他信号，所述低噪声放大器用于放大所述拍频信号。
所述移相器与所述第二T型偏置器之间设置有低噪声放大器，所述低噪声放大器用于放大相位匹配后的拍频信号。
所述第二T型偏置器的混合端口与所述低噪声放大器相连，DC端口与电流源相连接，AC端口与所述太赫兹量子级联激光器的注入端口的微带线相连。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过将拍频信号滤波放大后，利将光频梳的拍频信号直接注入回激光器，最终得到稳定的拍频信号，表现为拍频信号的线宽显著降低和相位噪声的减小，极大地提高了输出射频信号的稳定性。本发明无需对激光器的拍频信号进行外部射频注入操作，用自注入的方式简化系统同时提高了系统稳定性，实现了THzQCL自注入系统作为光电振荡器的应用，得到超低相位噪声的高频信号。
附图说明
图1是本发明实施方式的原理图；
图2是本发明实施方式的结构示意图；
图3是本发明实施方式的样品架结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种自注入太赫兹光频梳系统，该系统利用一个THz波段的QCL作为辐射源，激射出的电学拍频信号通过反馈回路自注入到光频梳中，并利用移相器调节拍频信号相位，得到低相位噪声的高稳定射频信号，实现THzQCL自注入系统作为光电振荡器的应用。
如图1所示，本实施方式的原理如下：
光频梳由载波包络偏移频率fceo和重复频率frep两个参数确定，其中第N根梳齿可以表示为：
f＝fceo+Nfrep
其中重复频率frep在微波频段表现为拍频信号fB，在数值上fB等于frep，这是由光频梳模式之间的相干性决定的。
从相位匹配的角度出发，考虑光频梳的第n个和第n+1个模式，第n个模式的波矢为kn，第n+1个模式的波矢为kn+1，拍频信号的波矢为kB，相位匹配满足以下关系：
kn+1＝kn+kB
在光频梳中，满足相位匹配条件即可满足四波混频的相位匹配条件，即满足以下关系：
kn+1+kn-1＝2kn
其中kn+1、kn和kn-1分别表示三条连续光频梳模式的波矢，因此对拍频信号的相位调整可以加强光频梳模式之间的四波混频锁定，从而在微波频域上得到稳定的拍频信号。
如图2所示，本实施方式中的自注入太赫兹光频梳系统，包括太赫兹量子级联激光器、T型偏置器1、分波器、环形器、移相器和T型偏置器2。
其中，所述太赫兹量子级联激光器的激射端口和接收端口分别连接微带线，且太赫兹量子级联激光器上电极与陶瓷片相连，一起封装在热沉上，通过热沉固定在H型样品架上。如图3所示，H型样品架保证封装在热沉上激光器的散热，且固定在低温制冷系统中，保证激光器的正常工作，H型样品架的两端凹槽用于固定激光器两端微带线与高频同轴线缆的连接，用于发射和接收拍频信号。电流源通过陶瓷片与激光器连接，为激光器激射出光频梳光谱供电并控制供电电流。
本实施方式通过一个自由运行的太赫兹量子级联激光器正常激射出光频梳光谱，在射频频段得到拍频信号，经移相器对拍频信号进行相位调整，并注入回激光器的反馈回路端口，在激光器谐振腔内与原始拍频信号相互作用，最终得到稳定的拍频信号，本实施方式中无需对光频梳进行额外的外部射频注入等操作，即得到高稳定的拍频信号，实施方式中产生的稳定拍频信号由光频梳的自探测机制获得。
传输路径中，激光器光频梳在射频频段的拍频信号通过微带线传输到T型偏置器1，经过T型偏置器1的AC端口传输到带通滤波器，T型偏置器1的作用是避免直流信号的干扰，带通滤波器用于滤除频域中拍频信号周围的杂波。拍频信号经带通滤波器传输到低噪声放大器1，用于放大光频梳自探测得到的拍频信号。低噪声放大器1与分波器连接，拍频信号经分波器被分为两路，一路连接频谱分析仪对拍频信号进行实时检测，另一路连接反馈回路参与自注入。
反馈路径中，经分波器分波用于自注入的拍频信号首先传输到环路器中，保证信号的单向传输，避免信号的反向传输造成干扰；环路器与移相器连接，移相器对反馈路径中的拍频信号进行相位调整；相位调整后的拍频信号输入到第二低噪声放大器中，用于放大经移相器相位补偿及分波器衰减后的拍频信号，以满足自注入的功率需求；T型偏置器2接收相位调整并放大后的拍频信号，DC端与电流源连接，增加光频梳拍频信号的功率，拍频信号经AC端口通过微带线连接到激光器的接收端口。
反馈路径中的拍频信号经移相器相位调整后自注入到激光器，在激光器谐振腔内与原始拍频信号相互作用，激光器光频梳模式之间达到相位匹配，模式之间相干性增强，频谱分析仪检测到的拍频信号稳定性更强，表现为频率抖动更小，相位噪声更低，拍频信号的线宽更窄。整个自注入系统作为光电振荡器产生低相位噪声的高稳定射频信号。
由此可见，本发明无需对激光器的拍频信号进行外部射频注入，将THzQCL自探测得到的拍频信号直接注入回激光器，即可得到稳定的拍频信号。采用这种自注入的方式简化系统的同时提高了系统稳定性，对于实现THzQCL自注入系统作为光电振荡器的应用具有重要意义。
采用上述装置测量自注入太赫兹光频梳系统得到的稳定拍频信号，具体包括以下步骤：
步骤S1：提供太赫兹量子级联激光器和H型样品架。激光器谐振腔的前后端面2mm位置分别提供用于阻抗匹配的微带线，微带线通过金线与激光器前后端面连接，微带线通过新型H型样品架凹槽与高频同轴线缆连接；陶瓷片通过金线与激光连接，通过探针与电流源连接为激光器供电；将激光器置于可工作的温度环境(液氦制冷环境)之下；激光器的激射频率随驱动电流呈现线性移动，光频梳的中心频率为4.2THz，光频梳重复频率为6.15GHz，即拍频信号频率为6.15GHz。
步骤S2：提供2个T型偏置器。T型偏置器的工作频段均为100kHz～40GHz，T型偏置器1的混合端口通过高频同轴线缆与激射端口微带线连接，AC端口通过高频同轴线缆与带通滤波器连接；T型偏置器2的混合端口和AC端口分别通过高频同轴线缆连接低噪声放大器2、注入端口微带线。
步骤S3：提供带通滤波器、2个微波低噪声放大器。带通滤波器的通带频率为5.6GHz～7GHz，2个微波低噪声放大器的增益为30dB，工作范围均为1～18GHz，低噪声放大器通过高频同轴线缆连接其他器件。
步骤S4：提供分波器、环路器、移相器。分波器工作频段为1GHz～40GHz，分波器输入1端口与微波低噪声放大器连接，输出功率衰减10dB的3端口与频谱分析仪连接，输出4端口与环路器连接；环路器输入端口与分波器连接，输出端口与移相器连接；移相器工作频段4GHz～8GHz；连接方式均为高频同轴线缆连接。
步骤S5：提供温度控制器，频谱分析仪，2个电流源和一台电脑。电脑上装有控制直流源的Labview程序；电流源通过BNC线缆与T型偏置器2的直流偏置端口相连，增大拍频信号的功率；电脑通过usb线与激光器连接。电流源1为激光器供电，电流源2为微波放大器供电。
步骤S6：电流源为激光器供电，测试过程中，激光器的驱动电流由电脑上的Labview程序控制，温度控制器控制激光器工作温度保持不变，光频梳一直保持稳定状态。
步骤S7：由于量子级联激光器光频梳模式之间的相干性，在频谱分析仪上6.2GHz附近可以观察到拍频信号，利用电脑上的Labview程序可以改变激光器的驱动电流，自注入时尽量选取较强的拍频信号，调节移相器的相位，在频谱分析仪上实时观察拍频信号的变化，经过动态调整在频谱分析仪上观察到线宽明显变窄的拍频信号，表示此时移相器完成相位调整，激光器实现了自注入。
不难发现，本发明借助微波波段成熟的探测、滤波、放大等技术，将激光器光频梳的拍频信号分波，利用移相器对拍频信号相位调整后自注入到激光器中，在谐振腔内相互作用，加强了光频梳模式之间的相干性，最终得到了稳定的拍频信号，表现为射频频段内拍频信号线宽的大幅降低和相位噪声的减小，极大地提高了系统的稳定性，本发明无需对光频梳进行外部射频注入操作，用自注入的方式实现了对系统稳定性的提高，有望作为光电振荡器产生超低噪声的稳定射频信号，在微波光子学领域具有重大应用前景。

Claims (7)

1.一种自注入太赫兹光频梳系统，其特征在于，包括太赫兹量子级联激光器、第一T型偏置器、分波器、环形器、移相器和第二T型偏置器；所述太赫兹量子级联激光器作为光频梳源，通过自拍频产生的拍频信号并传输到所述第一T型偏置器中；所述第一T型偏置器用于将所述拍频信号传输至所述分波器；所述分波器用于将所述拍频信号分成两路，一路传输到所述环形器中参与自注入，另一路连接到频谱分析仪中进行实时检测；所述环形器用于保持参与自注入的拍频信号在回路中的单向传输；所述移相器用于对参与自注入的拍频信号进行相位匹配；所述第二T型偏置器用于将相位匹配后的拍频信号注入到所述太赫兹量子级联激光器；所述频谱分析仪用于实时检测得到的自注入拍频信号。
2.根据权利要求1所述的自注入太赫兹光频梳系统，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器的激射端口和接收端口分别连接微带线，所述太赫兹量子级联激光器的电极与陶瓷片相连，所述陶瓷片和微带线封装在热沉上，并通过所述热沉固定在H型样品架上。
3.根据权利要求2所述的自注入太赫兹光频梳系统，其特征在于，所述H型样品架两端的凹槽用于固定所述微带线，实现所述微带线与高频同轴线缆的连接。
4.根据权利要求1所述的自注入太赫兹光频梳系统，其特征在于，所述第一T型偏置器的混合端口与所述太赫兹量子级联激光器的微带线相连，AC端口与所述分波器相连。
5.根据权利要求1所述的自注入太赫兹光频梳系统，其特征在于，所述第一T型偏置器与所述分波器之间设置有带通滤波器和低噪声放大器，所述带通滤波器用于滤除拍频信号之外的其他信号，所述低噪声放大器用于放大所述拍频信号。
6.根据权利要求1所述的自注入太赫兹光频梳系统，其特征在于，所述移相器与所述第二T型偏置器之间设置有低噪声放大器，所述低噪声放大器用于放大相位匹配后的拍频信号。
7.根据权利要求6所述的自注入太赫兹光频梳系统，其特征在于，所述第二T型偏置器的混合端口与所述低噪声放大器相连，DC端口与电流源相连接，AC端口与所述太赫兹量子级联激光器的注入端口的微带线相连。
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