CN212062984U - 一种微波产生系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例公开了一种微波产生系统。该系统包括波长可调光源、偏振控制器、第一环行器、光纤、第一滤波器、光学微腔及第一光电探测器；光学微腔包括衬底和位于衬底一侧的支撑柱和腔体；波长可调光源用于提供泵浦光；偏振控制器用于调节泵浦光的偏振方向，以调整耦合效率；泵浦光在光学微腔中激发背向布里渊激光，在光学微腔内发生四波混频效应，产生耗散克尔孤子频率梳；第一滤波器用于滤除泵浦光和背向布里渊激光，以使耗散克尔孤子频率梳传输至第一光电探测器产生微波信号。本实用新型的技术方案，利用背向布里渊激光产生耗散克尔孤子频率梳，用高速光电探测器转化为微波信号，无需引入复杂电学装置，有利于实现系统的小型化和集成化。
Description
技术领域
本实用新型实施例涉及微波信号生成技术，尤其涉及一种微波产生系统。
背景技术
低相噪微波源在光通信网络、雷达、激光雷达以及基础研究中具有广泛的应用。传统的电子振荡器难以产生高频谱纯度的高频微波。近些年，用高速光探测器将多束相位锁定的激光的光信号转换为微波信号受到广泛的关注。
其中，为了进一步实现微波源的小型化，已经利用微腔孤子频率梳产生了高频低相噪的微波信号。通过微腔孤子频率梳产生的微波信号的相噪与泵浦激光的相噪、相对强度噪声有关，激光的功率不稳定性、微腔与光纤耦合的不稳定性导致的腔内功率抖动、泵浦激光与腔模之间的失谐抖动、微腔的热噪声以及机械噪声等因素均会影响微波信号的相噪。目前为了降低基于微腔孤子频率梳产生的微波的噪声，需要用低噪声的激光器作为泵浦源并且加入复杂的电学组件来稳定孤子功率、泵浦与腔模失谐，或者引入一个额外的微波源对孤子重频进行注入锁定。这些方法需要加入复杂的光学和电学组件，不利于低相噪微波源的小型化。
实用新型内容
本实用新型实施例提供一种微波产生系统，该系统先在光学微腔中产生背向布里渊激光，然后利用背向布里渊激光产生耗散克尔孤子频率梳，由于背向布里渊激光相对于波长可调光源发出的泵浦光来说具有线宽窄、噪声低的优点，而且泵浦光工作在蓝失谐的热稳定状态，可以借助背向布里渊激光产生相对更加稳定的光孤子，降低孤子梳齿的线宽，用高速光电探测器转化为微波信号，从而产生相噪更低的微波信号，并且无需引入复杂电学装置，有利于实现微波产生系统的小型化和集成化。
本实用新型实施例提供一种微波产生系统，包括波长可调光源、偏振控制器、第一环行器、光纤、第一滤波器、光学微腔以及第一光电探测器；
所述波长可调光源的输出端与所述偏振控制器的输入端连接，所述偏振控制器的输出端与所述第一环行器的第一端连接，所述第一环行器的第二端与所述光纤连接，所述第一环行器的第三端与所述第一滤波器的输入端连接，所述第一滤波器的输出端与所述第一光电探测器连接；
所述光纤从所述第一环行器的第二端延伸至所述光学微腔，延伸至所述光学微腔的所述光纤包括锥状结构，所述光纤通过所述锥状结构与所述光学微腔耦合；
其中，所述光学微腔包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和腔体；
所述波长可调光源用于提供泵浦光，所述泵浦光经过所述偏振控制器和所述第一环行器后耦合入所述光纤；
所述偏振控制器用于调节所述泵浦光的偏振方向，以调整所述泵浦光与所述光学微腔的耦合效率；
所述泵浦光通过所述锥状结构耦合入所述光学微腔，所述泵浦光在所述光学微腔中激发背向布里渊激光，所述背向布里渊激光在所述光学微腔内发生四波混频效应，产生耗散克尔孤子频率梳；
所述耗散克尔孤子频率梳耦合入所述光纤，并从所述第一环行器的第二端输入，从所述第一环行器的第三端输出；
所述第一滤波器用于滤除所述泵浦光和所述背向布里渊激光，以使所述耗散克尔孤子频率梳传输至所述第一光电探测器产生微波信号。
可选的，还包括设置于所述波长可调光源和所述偏振控制器之间的光放大器，所述光放大器用于将所述泵浦光放大。
可选的，所述光放大器为半导体光放大器；
所述微波产生系统还包括第一准直器、光隔离器和第二准直器；
所述第一准直器、所述半导体光放大器、所述光隔离器和所述第二准直器在所述波长可调光源和所述偏振控制器之间沿光路依次排列；
所述第一准直器的输入端与所述波长可调光源的输出端耦合，用于将所述泵浦光准直后输入所述半导体光放大器；
所述半导体光放大器用于将所述泵浦光放大；
所述光隔离器用于使放大后的泵浦光单向传输；
所述第二准直器的输出端与所述偏振控制器的输入端连接。
可选的，所述光放大器为光纤放大器；
所述波长可调光源与所述光纤放大器的输入端连接；
所述光纤放大器的输出端与所述偏振控制器连接。
可选的，还包括设置于所述光放大器和所述偏振控制器之间的第二滤波器，所述第二滤波器用于滤除所述光放大器的自发辐射光。
可选的，还包括设置于所述光放大器和所述偏振控制器之间的可调衰减器，所述可调衰减器用于调整放大后的泵浦光的输出功率。
可选的，还包括第一耦合器、第二耦合器、第二光电探测器、第三光电探测器、示波器、光谱仪、频谱仪以及相噪仪；
从所述光学微腔延伸出的所述光纤与所述第二光电探测器连接，所述第一滤波器的输出端与所述第一耦合器的输入端连接，所述第一耦合器的第一输出端与所述第三光电探测器连接，第二输出端与所述第一光电探测器连接，所述第一光电探测器与所述频谱仪和所述相噪仪连接，所述第二光电探测器和所述第三光电探测器均与所述示波器连接，所述示波器用于输出所述第二光电探测器和所述第三光电探测器探测的时域波形，所述频谱仪和所述相噪仪分别测量微波信号的频谱和相噪；
所述第二耦合器的输入端与所述第一环行器的第三端连接，所述第二耦合器的第一输出端与所述第一滤波器的输入端连接，第二输出端与所述光谱仪连接，所述光谱仪用于测量所述第二耦合器的第二输出端的输出光谱。
可选的，所述第一滤波器包括光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅用于反射所述泵浦光和所述背向布里渊激光，透射所述耗散克尔孤子频率梳；
所述微波产生系统还包括第二环行器，所述第二环行器的第一端与所述第二耦合器的第一输出端连接，所述第二环行器的第二端与所述第一滤波器的输入端连接，所述第二环行器的第三端与所述光谱仪连接；
所述光谱仪还用于测量所述第二环行器的第三端的输出光谱。
可选的，所述波长可调光源为波长可调激光器。
可选的，所述光学微腔的衬底材料包括硅，所述腔体的材料包括二氧化硅。
本实用新型实施例提供的微波产生系统，包括波长可调光源、偏振控制器、第一环行器、光纤、第一滤波器、光学微腔以及第一光电探测器；其中，光学微腔包括衬底和位于衬底一侧的支撑柱和腔体；通过波长可调光源提供泵浦光，泵浦光处于光学微腔的蓝失谐区，具有良好的热稳定性；泵浦光经过偏振控制器和第一环行器后耦合入光纤；通过偏振控制器调节泵浦光的偏振方向，以调整泵浦光与光学微腔的耦合效率；泵浦光在光学微腔中激发背向布里渊激光，产生背向布里渊激光的模式以及相应的模式族正好处于反常色散区，背向布里渊激光在光学微腔内发生四波混频效应，产生耗散克尔孤子频率梳；耗散克尔孤子频率梳耦合入光纤，并从第一环行器的第二端输入，从第一环行器的第三端输出；通过第一滤波器滤除泵浦光和背向布里渊激光，以使耗散克尔孤子频率梳传输至第一光电探测器产生微波信号。本实施例提供的微波产生系统，无需引入复杂电学装置，即可产生低相噪的微波信号，有利于实现光孤子产生系统的小型化和集成化。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种微波产生系统的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一种微腔布里渊-克尔孤子频率梳产生原理示意图；
图3是本实用新型实施例提供的一种光学微腔的结构示意图；
图4是本实用新型实施例提供的另一种微波产生系统的结构示意图；
图5是本实用新型实施例提供的又一种微波产生系统的结构示意图；
图6是本实用新型实施例提供的又一种微波产生系统的结构示意图；
图7是本实用新型实施例提供的又一种微波产生系统的结构示意图；
图8是本实用新型实施例提供的又一种微波产生系统的结构示意图；
图9是本实用新型实施例中一种泵浦光和布里渊光的透射谱曲线示意图；
图10是本实用新型实施例中一种示波器采集的波形示意图；
图11是本实用新型实施例中得到的两种孤子状态的光谱及频谱示意图；
图12是本实用新型实施例中相噪仪测试的微波信号相噪曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。需要注意的是，本实用新型实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本实用新型实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在利用微腔孤子频率梳产生微波信号时，微波信号是孤子频率梳的梳齿之间的拍频信号，微波信号的频率即为孤子的重频，取决与微腔的自由光谱范围(FSR)，目前已经在氟化镁晶体微腔、氧化硅微盘腔、氮化硅微腔中实现了X带和K带的微波源。为了实现较低的相位噪声，需要利用低噪声的激光器和复杂的锁定技术。
在某一现有技术中，利用窄线宽频率稳定的半导体分布式反馈激光器(需要自注入锁定)作为泵浦激光，通过机械抛光得到本征半高宽为35kHz，FSR为9.9GHz的微腔，利用两个棱镜分别作为输入输出耦合器，产生宽光谱的孤子后，将光电探测器进行光电转化的微波信号进行放大和滤波，最终得到9.9GHz微波信号，相噪为-60dBc/Hz@10Hz，-90dBc/Hz@100Hz，-170dBc/Hz@10MHz。该技术不能集成化，技术复杂，需要高品质因子(Q)的微腔和窄线宽频率稳定的泵浦源。
在另一现有技术中，利用FSR为14.09GHz，Q值为1.3×109的氟化镁回音壁模式谐振腔作为样品，用电光调制器进行PDH(Pound-Drever-Hall)锁定来稳定泵浦激光与腔模的失谐，用声光调制器来进行孤子功率的主动锁定，预稳定后微波信号的相噪大约为-40dBc/Hz@10Hz，-140dBc/Hz@10kHz，-140dBc/Hz@1MHz。引入一个频率与由孤子产生的微波信号接近的微波源驱动相位调制器或振幅调制器进行孤子重复率的注入锁定，可以使得得到的微波信号相噪优于引入的微波源。预稳定后再进行自注入锁定的相噪大约为-60dBc/Hz@10Hz，-130dBc/Hz@10kHz，-140dBc/Hz@1MHz，在偏频小于100Hz时，相噪有明显的降低。但这种微波产生系统不能集成化，技术复杂，需要额外的光学和电学组件。
在另一现有技术中，利用FSR为22GHz，Q值为1.8×108的氧化硅微盘腔作为样品，外腔二极管激光器作为泵浦源。由于氧化硅有较大的热非线性系和激光在腔模红失谐的热不稳定性(产生孤子状态泵浦激光需要调节到腔模的红失谐)，难以直接通过调节激光器得到孤子，该系统用单边带调制器快速扫描激光频率至100GHz/μs,将泵浦激光从蓝失谐调至红失谐得到孤子态，并且用PDH锁定泵浦激光失谐，得到的微波源的相噪大约为-30dBc/Hz@100Hz，-90dBc/Hz@10kHz，-130dBc/Hz@1MHz。
以上的基于微腔孤子频率梳产生微波信号的方法存在以下不足之处：
氟化镁晶体腔不利于集成化；由于热效应的存在，氧化硅材料的微腔实现孤子状态需要复杂的调节过程；氮化硅微腔的制作工艺较为复杂。泵浦光在自由运转状态下产生的微波源的相噪相对较高，对孤子功率、泵浦光失谐进行锁定以及对孤子进行注入锁定需要引入电学部分，如电光调制器、声光调制器、伺服控制器、射频源等。这些电学器件的引入，大大增加了系统的复杂性，不利于未来低相噪微波源的小型化。另外，普通商用射频源价格非常昂贵，也极大增加了系统搭建的成本。
为了解决上述问题，图1所示为本实用新型实施例提供的一种微波产生系统的结构示意图。参考图1，本实施例提供的微波产生系统包括波长可调光源10、偏振控制器20、第一环行器30、光纤40、第一滤波器50、光学微腔60以及第一光电探测器70；波长可调光源10的输出端与偏振控制器20的输入端连接，偏振控制器20的输出端与第一环行器30的第一端连接，第一环行器30的第二端与光纤40连接，第一环行器30的第三端与第一滤波器50的输入端连接，第一滤波器50的输出端与第一光电探测器70连接；光纤40从第一环行器30的第二端延伸至光学微腔60，延伸至光学微腔60的光纤40包括锥状结构(图1中未示出)，光纤40通过锥状结构与光学微腔60耦合；其中，光学微腔60包括衬底和位于衬底一侧的支撑柱和腔体；波长可调光源10用于提供泵浦光，泵浦光经过偏振控制器20和第一环行器30后耦合入光纤40；偏振控制器20用于调节泵浦光的偏振方向，以调整泵浦光与光学微腔60的耦合效率；泵浦光通过锥状结构耦合入光学微腔60，泵浦光在光学微腔中激发背向布里渊激光，背向布里渊激光在光学微腔60内发生四波混频效应，产生耗散克尔孤子频率梳；耗散克尔孤子频率梳耦合入光纤40，并从第一环行器30的第二端输入，从第一环行器30的第三端输出；第一滤波器50用于滤除泵浦光和背向布里渊激光，以使耗散克尔孤子频率梳传输至第一光电探测器70产生微波信号。
其中，波长可调光源10能够输出预设波长范围内可连续调节的泵浦光，例如1550nm波段的泵浦光。波长可调光源10、偏振控制器20、第一环行器30以及第一滤波器50之间均可以采用光纤连接。本实用新型实施例利用布里渊散射原理，先在光学微腔60内产生布里渊激光，然后利用布里渊激光产生耗散克尔孤子频率梳，第一光电探测器70为高速光电探测器，耗散克尔孤子频率梳的梳齿之间的拍频信号被第一光电探测器70接收形成微波信号。通过恰当挑选泵浦光与布里渊光之间的模式间距，可以得到在红失谐区的布里渊激光，而泵浦光处于蓝失谐区。本实用新型实施例解决了目前技术下产生低相噪微波时需要增加各种电学调制装置导致系统不容易小型化的不足。光学微腔60为一种片上集成器件，其中可以集成在作为衬底的硅片上，可以理解的是，光纤40中传输的光在锥状结构产生倏逝场，实现光学微腔60与光纤40的耦合，锥状结构可以通过光纤熔融拉锥得到。通过调节偏振控制器20的状态，可以调节泵浦光与光学微腔60的耦合效率，其中偏振控制器20可以采用三环式或嵌入式偏振控制器，本实用新型实施例对此不作限定。
示例性的，图2所示为本实用新型实施例提供的一种微腔布里渊-克尔孤子频率梳产生原理示意图，单模连续激光作为泵浦光pump正向入射进光学微腔，产生背向布里渊激光b。调节泵浦光pump的波长时，由于泵浦模式和布里渊模式的模式间距相对于布里渊频移有一定间距以及布里渊模式受到的克尔自相位调制，可以使得产生的布里渊激光处于布里渊腔模的红失谐，在布里渊激光到达一定的功率和失谐状态下可以作为泵浦产生孤子频率梳comb，布里渊激光模式与梳的模式属于同一个模式族。后期通过光电探测器可以将光信号转化为微波信号。
为了实现上述过程，具体实施时需要进行以下步骤：
首先，选择合适的泵浦模式和布里渊模式，两个模式间距接近光学微腔中的布里渊频移(约10.8GHz)；布里渊模式及其相应的模式族具有反常色散；
然后，调整泵浦光的功率和偏振态，以及光学微腔与光纤的耦合状态，扫描泵浦光，监测正向泵浦光的功率，反向光梳的功率(第一滤波器(例如光纤布拉格光栅FBG)滤除背向散射的泵浦光和产生的布里渊激光)和反向光谱，直至光梳的功率透射谱有明显的台阶出现，反向光的光谱上有布里渊激光和光梳形成；
缓慢调节泵浦光的波长，直至光谱上有稳定的孤子包络，继续调节泵浦光波长，可以得到不同的光梳状态；
用高速光电探测器将光梳转化为电信号，在频谱仪和相噪仪上测量微波信号的频谱和相噪。
在本实用新型实施例中，泵浦光产生的布里渊激光作为泵浦产生孤子，泵浦光工作在泵浦腔模的蓝失谐，具有热稳定性，可以直接通过热锁来调节泵浦激光。通过调节泵浦光的波长，布里渊激光相对于布里渊腔模的失谐也在改变，布里渊的失谐变化小于泵浦波长变化，当布里渊激光的功率到达孤子阈值并且失谐到达一定状态时，可以得到相对长的孤子台阶。蓝失谐的泵浦光以及相对长的孤子台阶避免了产生孤子时由于红失谐的热不稳定性导致的复杂的调节过程，并且，孤子可以在自由运转下长期稳定存在。泵浦光蓝失谐的稳定性和布里渊激光的窄线宽、低噪声特性使得基于布里渊-克尔孤子的微波源具有低相噪的特性。
本实施例的技术方案，通过波长可调光源提供泵浦光，泵浦光处于光学微腔的蓝失谐区，具有良好的热稳定性；泵浦光经过偏振控制器和第一环行器后耦合入光纤；通过偏振控制器调节泵浦光的偏振方向，以调整泵浦光与光学微腔的耦合效率；泵浦光在光学微腔中激发背向布里渊激光，产生背向布里渊激光的模式以及相应的模式族正好处于反常色散区，背向布里渊激光在光学微腔内发生四波混频效应，产生耗散克尔孤子频率梳；耗散克尔孤子频率梳耦合入光纤，并从第一环行器的第二端输入，从第一环行器的第三端输出；通过第一滤波器滤除泵浦光和背向布里渊激光，以使耗散克尔孤子频率梳传输至第一光电探测器产生微波信号。本实施例提供的微波产生系统，无需引入复杂电学装置，即可产生低相噪的微波信号，有利于实现光孤子产生系统的小型化和集成化。
在上述技术方案的基础上，可选的，波长可调光源为波长可调激光器。
可以理解的是，由于激光具有亮度高、方向性好、单色性好等诸多优点，在具体实施时，波长可调光源可以为波长可调激光器，并通过光纤输出，以产生高功率的泵浦光。
可选的，光学微腔的衬底材料包括硅，腔体的材料包括二氧化硅。
示例性的，图3所示为本实用新型实施例提供的一种光学微腔的结构示意图。参考图3，该光学微腔为包括衬底61和位于衬底一侧的支撑柱62和微盘腔63。衬底61和支撑柱62都可以选用硅，微盘腔63可以选用二氧化硅。在本实施例中，微盘腔63为楔形状，通过控制楔形的倾角，可以改变模式的色散，且微盘腔通过光纤的锥状结构与光纤实现耦合。
图4所示为本实用新型实施例提供的另一种微波产生系统的结构示意图。参考图4，可选的，本实施例提供的微波产生系统还包括设置于波长可调光源10和偏振控制器20之间的光放大器11，光放大器11用于将泵浦光放大。
可以理解的是，在具体实施时，波长可调光源10输出的泵浦光的功率可能较小，无法达到激发出可以发生四波混频的背向布里渊激光的泵浦光的阈值功率，因此可以在波长可调光源10和偏振控制器20之间光路上设置光放大器11，以将泵浦光的功率放大到阈值功率之上。
图5所示为本实用新型实施例提供的又一种微波产生系统的结构示意图。参考图5，可选的，光放大器11为半导体光放大器；微波产生系统还包括第一准直器12、光隔离器13和第二准直器14；第一准直器12、半导体光放大器、光隔离器13和第二准直器14在波长可调光源10和偏振控制器20之间沿光路依次排列；第一准直器12的输入端与波长可调光源10的输出端耦合，用于将泵浦光准直后输入半导体光放大器；半导体光放大器用于将泵浦光放大；光隔离器13用于使放大后的泵浦光单向传输；第二准直器14的输出端与偏振控制器20的输入端连接。
可以理解的是，半导体光放大器较难与光纤集成，波长可调光源10可以通过光纤输出泵浦光，在经过第一准直器12后，将光纤中的传输光转变为自由空间中的平行光，并在通过半导体光放大器提高光功率后对泵浦光进行增益放大，在经过光隔离器13后使得放大后的泵浦光只能沿着正向传输，防止背向反射光对半导体光放大器造成损伤，在经过第二准直器14后将功率放大后的自由空间平行光重新耦合进入至光纤中继续传输。
可选的，光放大器为光纤放大器；波长可调光源与光纤放大器的输入端连接；光纤放大器的输出端与偏振控制器连接。
可以理解的是，光放大器还可以为光纤放大器，光路只在光纤中传输，降低光路的耦合难度。在其他实施例中，也可以选用其他类型的光放大器，本实用新型实施例对此不作限定。
可选的，继续参考图4，该微波产生系统还包括设置于光放大器11和偏振控制器20之间的第二滤波器51，第二滤波器51用于滤除光放大器11的自发辐射光，以提高泵浦光的单色性性能。
可选的，继续参考图4，该微波产生系统还包括设置于光放大器11和偏振控制器20之间的可调衰减器80，可调衰减器80用于调整放大后的泵浦光的输出功率。
可以理解的是，图4所示的第二滤波器51位于可调衰减器80的输出端仅是示意性的，具体实施时并不限定二者的先后关系。
图6所示为本实用新型实施例提供的又一种微波产生系统的结构示意图。参考图6，可选的，本实施例提供的微波产生系统还包括第一耦合器90、第二耦合器91、第二光电探测器92、第三光电探测器93、示波器94、光谱仪95、频谱仪96以及相噪仪97；从光学微腔60延伸出的光纤40与第二光电探测器92连接，第一滤波器50的输出端与第一耦合器90的输入端连接，第一耦合器90的第一输出端与第三光电探测器93连接，第二输出端与第一光电探测器70连接，第一光电探测器70与频谱仪96和相噪仪97连接，第二光电探测器92和第三光电探测器93均与示波器94连接，示波器94用于输出第二光电探测器92和第三光电探测器93探测的时域波形，频谱仪96和相噪仪97分别测量微波信号的频谱和相噪；第二耦合器91的输入端与第一环行器30的第三端连接，第二耦合器91的第一输出端与第一滤波器50的输入端连接，第二输出端与光谱仪95连接，光谱仪95用于测量第二耦合器91的第二输出端的输出光谱。
可以理解的是，为了验证本实用新型实施例提供的微波产生系统是否产生了耗散克尔孤子频率梳，进而产生微波信号，需要进行测试，通过观察示波器94的时域波形和光谱仪95测量的光谱，可以判断是否产生了光孤子频率梳。在具体实施时，第一耦合器90和第二耦合器91可以根据实际需要选择不同分光比的光纤耦合器，本实用新型实施例对此不作限定。
图7所示为本实用新型实施例提供的又一种微波产生系统的结构示意图。参考图7，可选的，第一滤波器50包括光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅用于反射泵浦光和背向布里渊激光，透射耗散克尔孤子频率梳；微波产生系统还包括第二环行器31，第二环行器31的第一端与第二耦合器91的第一输出端连接，第二环行器31的第二端与第一滤波器50的输入端连接，第二环行器31的第三端与光谱仪95连接；光谱仪95还用于测量第二环行器31的第三端的输出光谱。
需要说明的是，上述仅是本实用新型实施例几种示意性的实施例，具体实施时，可以根据实际需求选择所需要的光学器件的组合，以满足实际应用需求。示例性的，图8所示为本实用新型实施例提供的又一种微波产生系统的结构示意图，本实施例以上述实施例为基础，提供一个具体实例。参考图8，该光孤子产生系统包括波长可调光源10、光放大器11、可调衰减器80、第二滤波器51、偏振控制器20、第一环行器30、光纤40、第一滤波器50、光学微腔60、第一光电探测器70、第一耦合器90、第二耦合器91、第二光电探测器92、第三光电探测器93、示波器94、光谱仪95、频谱仪96以及相噪仪97。其中波长可调光源10为1550nm可调谐外腔二极管激光器(ECDL，Toptica CTL1550)，光放大器11为掺铒光纤放大器(EDFA)，第一滤波器50为光纤布拉格光栅，光学微腔60为直径为6mm，厚度为8μm，倾角大约为10°的氧化硅微盘腔，光学微腔60通过标准光刻工艺和氢氟酸湿法刻蚀制作，可以大规模生产。泵浦光经过光放大器11放大后依次经过可调衰减器80(VOA)、第二滤波器51(TBF)、偏振控制器20(FPC)和第一环行器30(Circular)，再通过一根锥状光纤耦合进光学微腔60。正向透射的光经第二光电探测器92(PD2)转换为电信号，然后送入示波器94(OSC)显示正向透射谱。同泵浦光反向的背向布里渊激光与光孤子经过第一环行器30的第二端输入，第三端输出后被第二耦合器91分成两路。一路进入光谱仪95(OSA)，观测产生克尔光频梳情况；另一路在经过第一滤波器50(FBG)将反射的泵浦光与背向布里渊激光滤掉，然后被第一耦合器90分成两路，一路送入第三光电探测器93(PD3)，观测反向透射谱中台阶的产生，另一路进入第一光电探测器70(PD1)生成微波信号，并用频谱仪96(ESA)和相噪仪97(PNA)观察微波信号特性，本实施例中采用的相噪仪为APPH40G。其中第二环行器31的第三端输出的被第一滤波器50反射的泵浦光与背向布里渊激光也可以通过光谱仪95接收。
图9所示为本实用新型实施例中一种泵浦光和布里渊光的透射谱曲线示意图。参考图9，在低功率下，利用光纤马赫曾德干涉仪校准激光的频率，测得的泵浦模式和布里渊模式的本征品质因子(Q)值分别为5.47×107、9.54×107。其中，细实线为实验测量的泵浦模式和布里渊模式的透射谱，粗实线为洛伦兹拟合得到的曲线。
选定好泵浦模式和布里渊模式后，将泵浦功率调节到较高的水平使其远远超过布里渊激光的阈值。本实施例中调节泵浦光的功率至118mW，设置泵浦光的频率扫描速度大约为350MHz/ms，调节光学微腔与光纤锥状结构之间的耦合以及泵浦光的偏振状态，直到光谱仪上能看到布里渊激光和光梳，示波器上光梳功率的透射谱中有明显的台阶出现，这意味着有孤子产生。图10所示为本实用新型实施例中一种示波器采集的波形示意图。参考图10，其中泵浦光透射谱为第二光电探测器92(PD2)探测的正向光功率，光频梳透射谱为第三光电探测器93(PD3)探测的反向光功率，随着泵浦光波长的增加，孤子台阶的功率逐渐增加说明孤子数目逐渐增加，直至台阶消失到达混沌态。在本实施例中，泵浦模式处于过耦合状态，布里渊模式处于弱耦合状态。
本实施例中，孤子台阶较长，并且泵浦光相对于泵浦模式在蓝失谐，可以直接通过热锁的方法，手动调节激光器压电来改变泵浦光波长产生孤子。可以通过背向调节方法，在得到多孤子态后减小泵浦波长，得到单孤子态。图11所示为本实用新型实施例中得到的两种孤子状态的光谱及频谱示意图。其中图11(a)是反向的光谱图，孤子光谱中心的峰值表示的梳线是布里渊激光，由于光谱仪分辨率(0.02nm)的限制，不能分辨出背向散射的泵浦激光。图11(b)是在自由运转状态下，通过高速探测器和频谱仪测得由图11(a)所示的多孤子和单孤子产生的中心频率为11.14GHz的微波信号频谱，其频谱线宽都在100Hz水平(分辨率带宽RBW为100Hz)，小于直接用二极管激光器发射的激光作为泵浦产生的基于孤子频率梳的微波信号的频谱kHz线宽级别。
图12所示为本实用新型实施例中相噪仪测试的微波信号相噪曲线示意图，本实用新型实施例中，所用的光学微腔是氧化硅微盘腔，激光器是外腔二极管激光器，多孤子和单孤子的相噪水平接近，单边带相位噪声(SSB phase noise)为-33dBc/Hz@10Hz，-111dBc/Hz@10kHz，-139dBc/Hz@1MHz，相噪明显低于利用外腔二极管激光器作为在氧化硅微腔中产生孤子频率梳的泵浦源，经过PDH锁定之后的孤子相噪，而且不需要复杂的调节方法和锁定技术，有利于微波产生系统的小型化。
在其他实施例中，还可以利用两个光学微腔来实现克尔孤子，第一个微腔实现布里渊激光，输出的布里渊激光经过放大和调制在第二个微腔中实现克尔孤子，得到低相噪的微波信号；还可以利用布里渊-克尔孤子实现其他波段的微波信号或者THz信号。
注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种微波产生系统，其特征在于，包括波长可调光源、偏振控制器、第一环行器、光纤、第一滤波器、光学微腔以及第一光电探测器；
所述波长可调光源的输出端与所述偏振控制器的输入端连接，所述偏振控制器的输出端与所述第一环行器的第一端连接，所述第一环行器的第二端与所述光纤连接，所述第一环行器的第三端与所述第一滤波器的输入端连接，所述第一滤波器的输出端与所述第一光电探测器连接；
所述光纤从所述第一环行器的第二端延伸至所述光学微腔，延伸至所述光学微腔的所述光纤包括锥状结构，所述光纤通过所述锥状结构与所述光学微腔耦合；
其中，所述光学微腔包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和腔体；
所述波长可调光源用于提供泵浦光，所述泵浦光经过所述偏振控制器和所述第一环行器后耦合入所述光纤；
所述偏振控制器用于调节所述泵浦光的偏振方向，以调整所述泵浦光与所述光学微腔的耦合效率；
所述泵浦光通过所述锥状结构耦合入所述光学微腔，所述泵浦光在所述光学微腔中激发背向布里渊激光，所述背向布里渊激光在所述光学微腔内发生四波混频效应，产生耗散克尔孤子频率梳；
所述耗散克尔孤子频率梳耦合入所述光纤，并从所述第一环行器的第二端输入，从所述第一环行器的第三端输出；
所述第一滤波器用于滤除所述泵浦光和所述背向布里渊激光，以使所述耗散克尔孤子频率梳传输至所述第一光电探测器产生微波信号。
2.根据权利要求1所述的微波产生系统，其特征在于，还包括设置于所述波长可调光源和所述偏振控制器之间的光放大器，所述光放大器用于将所述泵浦光放大。
3.根据权利要求2所述的微波产生系统，其特征在于，所述光放大器为半导体光放大器；
所述微波产生系统还包括第一准直器、光隔离器和第二准直器；
所述第一准直器、所述半导体光放大器、所述光隔离器和所述第二准直器在所述波长可调光源和所述偏振控制器之间沿光路依次排列；
所述第一准直器的输入端与所述波长可调光源的输出端耦合，用于将所述泵浦光准直后输入所述半导体光放大器；
所述半导体光放大器用于将所述泵浦光放大；
所述光隔离器用于使放大后的泵浦光单向传输；
所述第二准直器的输出端与所述偏振控制器的输入端连接。
4.根据权利要求2所述的微波产生系统，其特征在于，所述光放大器为光纤放大器；
所述波长可调光源与所述光纤放大器的输入端连接；
所述光纤放大器的输出端与所述偏振控制器连接。
5.根据权利要求2所述的微波产生系统，其特征在于，还包括设置于所述光放大器和所述偏振控制器之间的第二滤波器，所述第二滤波器用于滤除所述光放大器的自发辐射光。
6.根据权利要求2所述的微波产生系统，其特征在于，还包括设置于所述光放大器和所述偏振控制器之间的可调衰减器，所述可调衰减器用于调整放大后的泵浦光的输出功率。
7.根据权利要求1～6任一所述的微波产生系统，其特征在于，还包括第一耦合器、第二耦合器、第二光电探测器、第三光电探测器、示波器、光谱仪、频谱仪以及相噪仪；
从所述光学微腔延伸出的所述光纤与所述第二光电探测器连接，所述第一滤波器的输出端与所述第一耦合器的输入端连接，所述第一耦合器的第一输出端与所述第三光电探测器连接，第二输出端与所述第一光电探测器连接，所述第一光电探测器与所述频谱仪和所述相噪仪连接，所述第二光电探测器和所述第三光电探测器均与所述示波器连接，所述示波器用于输出所述第二光电探测器和所述第三光电探测器探测的时域波形，所述频谱仪和所述相噪仪分别测量微波信号的频谱和相噪；
所述第二耦合器的输入端与所述第一环行器的第三端连接，所述第二耦合器的第一输出端与所述第一滤波器的输入端连接，第二输出端与所述光谱仪连接，所述光谱仪用于测量所述第二耦合器的第二输出端的输出光谱。
8.根据权利要求7所述的微波产生系统，其特征在于，所述第一滤波器包括光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅用于反射所述泵浦光和所述背向布里渊激光，透射所述耗散克尔孤子频率梳；
所述微波产生系统还包括第二环行器，所述第二环行器的第一端与所述第二耦合器的第一输出端连接，所述第二环行器的第二端与所述第一滤波器的输入端连接，所述第二环行器的第三端与所述光谱仪连接；
所述光谱仪还用于测量所述第二环行器的第三端的输出光谱。
9.根据权利要求1所述的微波产生系统，其特征在于，所述波长可调光源为波长可调激光器。
10.根据权利要求1所述的微波产生系统，其特征在于，所述光学微腔的衬底材料包括硅，所述腔体的材料包括二氧化硅。
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