CN103401141B - 一种基于直接调制分布反馈式半导体激光器的光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直接调制分布反馈式半导体激光器的光电振荡器。本发明利用半导体激光器在张弛振荡频率处具有最大调制效率的特性，用一个分布反馈式半导体激光器同时实现了电光转换和光子微波滤波的功能，无需额外的电光调制器和窄带电滤波器。通过对激光器偏置电流和工作温度的调谐实现对激光器张弛振荡频率的调谐，最终实现对光电振荡器的大范围频率调谐。

Description

一种基于直接调制分布反馈式半导体激光器的光电振荡器

技术领域

本发明涉及光电振荡器技术领域，特别是一种基于直接调制分布反馈式半导体激光器的宽带频率可调谐的光电振荡器。

背景技术

在卫星通信、雷达***、精密仪器仪表以及高精度测量等应用中，常常需要高信号质量、频率可调的微波信号。所谓信号质量主要是指微波信号的短期频率稳定性，即相位噪声，以及长期稳定性，即频率漂移。传统的高质量微波信号源一般采用声储能元件（例如石英晶体）或者微波储能元件（例如介质腔）构成谐振腔。但是这些储能元件只在低频段拥有几个高Q值的谐振点，要获得高频微波信号需要通过倍频的方法产生，但倍频会带来信号相噪性能的显著下降。1996年X.SteveYao和LuteMaleki首次提出了光电振荡器。光电振荡器利用高Q值的光电谐振腔储存微波的能量，能够产生高频谱纯度、低相位噪声的微波、毫米波信号，且相位噪声特性与频率无关，不会随着频率的提高而下降。因此与传统微波振荡器相比，光电振荡器在需要低噪声高频信号源的领域更具优势。

传统结构的光电振荡器一般由一个激光源和一个光电反馈回路组成，光电反馈回路包含电光调制器，长距离光纤，高速光电探测器，微波放大器，窄带微波滤波器，微波耦合器等光电子器件。光纤长度越长，光电反馈回路的储能时间就越长，信号的相位噪声就会越小，与此同时，光电振荡器的模式间隔会减小，因此需要高Q值的微波滤波器来保证光电振荡器的单模振荡。另外，频率可调性是微波信号源的一个重要特性，但由于很难生产高Q值宽带可调的微波滤波器，传统结构的光电振荡器只有几十到几百MHz的频率调谐范围。此外，高速电光调制器和高Q值微波滤波器价格昂贵，从应用的角度来说成本有待降低。

因此，目前迫切需要本领域研究人员解决的一个技术问题就是：如何能够创新地提出一种经济实用、结构紧凑的光电振荡器，以解决现有技术中存在的不足，并能同时有效满足光电振荡器的宽带可调谐。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于直接调制分布反馈式半导体激光器的光电振荡器，用以实现光电振荡器的经济实用、结构紧凑和宽带可调谐。

技术方案：本发明的一种基于直接调制分布反馈式半导体激光器的光电振荡器是基于一个不包含电光调制器和电滤波器的结构简单的光电振荡环，该光电振荡环包括分布反馈式半导体激光器、单模光纤、10:90光分路器、光电转换器、低噪声宽频微波放大器、10:90电分路器、电可调衰减器；其中，分布反馈式半导体激光器、单模光纤、10:90光分路器、光电转换器通过光纤顺次相连；光电转换器、低噪声宽频微波放大器、10:90电分路器、电可调衰减器、分布反馈式半导体激光器通过微波同轴线顺次相连；通过调节分布反馈式半导体激光器的偏置电流和工作温度，在10:90电分路器的90%端发生宽带频率可调谐的高质量微波信号。

所述的分布反馈式半导体激光器是普通商用的带内部隔离器的单模激光器。

所述的单模光纤是G.652标准单模光纤。

所述的10:90光分路器是由一个输入端口即端口①和两个输出端口组成的光耦合器；其中第一个输出端口即端口②输出10%的能量，第二个输出端口即端口③输出90%的能量。

所述的10:90电分路器是由一个输入端口即端口④和两个输出端口即端口⑤和端口⑥组成的电耦合器；其中端口5输出10%的能量，端口6输出90%的能量。

所述的电可调衰减器衰减量应大于20dB。

有益效果：从上述技术方案可以看出，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于直接调制分布反馈式半导体激光器的光电振荡器，利用半导体激光器在张弛振荡频率处具有最大调制效率的特性，用一个分布反馈式半导体激光器同时实现了电光转换和光子微波滤波的功能，无需额外的电光调制器和高Q值微波滤波器，结构简单，经济实用。

2、本发明提供的基于直接调制分布反馈式半导体激光器的光电振荡器，通过对激光器偏置电流和工作温度的调谐实现对激光器张弛振荡频率的调谐，最终实现对光电振荡器的大范围频率调谐，调谐方式简单方便、易于实现。

3、本发明提供的基于直接调制分布反馈式半导体激光器的光电振荡器，可以在很宽的范围内进行微波频率的调谐，调谐范围仅受限于分布反馈式半导体激光器的设计参数和封装水平、光电转换器及低噪声宽带微波放大器的带宽。

4、本发明提供的基于直接调制分布反馈式半导体激光器的光电振荡器，由于利用了单模光纤作为高Q值的微波储能元件，该光电振荡器输出的微波信号具有极佳的相位噪声特性。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明作进一步说明，其中：

图1是本发明提供的一种基于直接调制分布反馈式半导体激光器的光电振荡器的结构示意图。

图2是实例1中振荡频率为8.752GHz时光电振荡器输出的光信号谱形。

图3是实例1中产生的调谐范围为2.659～8.752GHz的微波信号。

图4是实例1中产生的频率为8.752GHz的微波信号的相位噪声曲线图。

具体实施方式

为达到上述目的，本发明公开了一种基于直接调制分布反馈式半导体激光器的光电振荡器，所述光电振荡器包括：

分布反馈式半导体激光器，一方面用于实现电光转换，将光电振荡器的振荡频率转换为光信号后在光电储存腔中振荡，另一方面利用半导体激光器在张弛振荡频率处具有最大调制效率的特性等效实现光子滤波；

单模光纤，用来作为高Q值微波储能元件，长度为数米至数千米不等；

光分路器，用于将携带振荡频率的光信号按照预设需求选取一部分作为振荡器的光信号输出，剩余部分传输给光电转换器转换为电信号；

光电转换器，用于将携带环腔振荡频率的光信号转换成电信号，并将转换后的电信号传输给微波放大器；

低噪声宽频微波放大器，用于放大光电探测器转化后的微波信号，使光电振荡器***增益大于振荡阈值；

电分路器，用于接收微波放大器所放大的电信号，并按照预设需求选取一部分微波能量作为振荡器的电信号传输，剩余部分传输给电可调衰减器；

电可调衰减器，用于控制环腔增益，使得分布反馈式半导体激光器工作在小信号调制状态。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明提供的基于直接调制分布反馈式半导体激光器的光电振荡器的结构示意图。如图1所示，分布反馈式半导体激光器1发出的激光经过一段单模光纤2传输后被一个10:90光分路器3分为两路，10%的一路（端口②）接到光频谱分析仪9用于监测振荡器输出的光谱信号，90%的那一路（端口③）进入一个光电转换器4，输出电信号经过一个低噪声宽频微波放大器5放大后被一个90:10电分路器6分为两路，90%的一路（端口⑥）接到电频谱分析仪8用于分析振荡器输出的电信号，10%的那一路（端口⑤）经过一个电可调衰减器衰减后接到分布反馈式半导体激光器1的射频口使得环路闭合。端口②和端口⑥分别是本发明的光信号和振荡微波信号的输出端。

【实施例1】参照图1，选择所用主要器件的参数如下：分布反馈式半导体激光器1，3dB带宽为10GHz；单模光纤2，长为2.77Km；光电转换器4，3dB带宽为10GHz，响应率为0.9A/W；低噪声放大器5，小信号放大模式，工作频段为1～18GHz，增益为35dB；可调衰减器7，衰减量在0～30dB之间连续可调。其中所述的分布反馈式半导体激光器1是普通商用的带内部隔离器的单模激光器。所述的单模光纤2是G.652标准单模光纤。所述的光电转换器4是带外部跨阻放的光探测器。实验结果分别如图2、图3、图4所示。可以看到实验产生了2.659～8.752GHz宽带可调谐的微波信号，且产生的微波信号在10kHz频偏处的相位噪声都低于-104dB/Hz。

本发明的工作原理如下：最初，低噪声宽频微波放大器5输出的噪声经过电分路器6和电可调衰减器7之后被加载到分布反馈式半导体激光器1的电输入端。因此分布反馈式半导体激光器1激射的光被低噪声宽频微波放大器5输出的噪声所调制，调制后的信号经过单模光纤2、光分路器3以及光电转换器4之后再次进入低噪声宽频微波放大器5，形成光电正反馈。因为对分布反馈式半导体激光器1进行直接调制已经实现了环路中的电光转换，所以无需额外使用价格昂贵的电光外调制器。另外，由于单模光纤2作为微波延迟线的低损耗、真时延特性，上述光电反馈回路中存在一系列频率等间隔的高Q值振荡模式，每个模式的相位噪声特性极佳。与此同时，由于分布反馈式半导体激光器1在张弛振荡频率处具有最大调制效率，所以环腔初始噪声中对应于张弛振荡频率处的噪点将得到最大反馈增益，经过环腔循环振荡后能量将集中在该频点处，即该频点将成为主模，因而无需高Q值微波滤波器也能实现单模振荡。

此外，由于半导体激光器的张弛振荡频率由下式决定，

$f_r=\sqrt{g{\mathrm{\γ}}_p{P}_0}/2\mathrm{\π}---\left(1\right)$

式中f_r是张弛振荡频率，g为差分光增益系数，γ_p为光子衰减速率，P₀为激光腔内稳态光子密度。因而可以通过仔细设定激光器的设计参数来得到不同的张弛振荡频率，继而得到不同的环腔振荡频率。而对于一个已经制作好的半导体激光器，可以通过改变激光器的偏置电流，继而改变激光腔内稳态光子密度P₀；或者通过改变激光器的工作温度，继而改变激光腔内光子衰减速率γ_p来改变激光器的张弛振荡频率f_r，最终实现环腔振荡频率的改变。简而言之，可以简单地通过改变分布反馈式半导体激光器1的偏置电流和工作温度来实现本发明振荡器输出的振荡频率的调谐。

另外，由于本发明是基于直接调制分布反馈式半导体激光器1实现的光电振荡器，因而最大频率调谐范围由分布反馈式半导体激光器1的调制带宽决定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，其目的只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于直接调制分布反馈式半导体激光器的光电振荡器，其特征在于该光电振荡器包括分布反馈式半导体激光器(1)、单模光纤(2)、10:90光分路器(3)、光电转换器(4)、低噪声宽频微波放大器(5)、10:90电分路器(6)、电可调衰减器(7)；其中，分布反馈式半导体激光器(1)、单模光纤(2)、10:90光分路器(3)、光电转换器(4)通过光纤顺次相连；光电转换器(4)、低噪声宽频微波放大器(5)、10:90电分路器(6)、电可调衰减器(7)、分布反馈式半导体激光器(1)通过微波同轴线顺次相连；通过调节分布反馈式半导体激光器(1)的偏置电流和工作温度，在10:90电分路器(6)的90％端发生宽带频率可调谐的高质量微波信号；

所述的分布反馈式半导体激光器(1)是普通商用的带内部隔离器的单模激光器；

所述的单模光纤(2)是G.652标准单模光纤；

所述的10:90光分路器(3)是由一个输入端口即端口①和两个输出端口组成的光耦合器；其中第一个输出端口即端口②输出10％的能量，第二个输出端口即端口③输出90％的能量；

所述的10:90电分路器(6)是由一个输入端口即端口④和两个输出端口即端口⑤和端口⑥组成的电耦合器；其中端口⑤输出10％的能量，端口⑥输出90％的能量；

所述的电可调衰减器(7)衰减量应大于20dB。