CN104466620A - 一种基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源 - Google Patents

Abstract

一种基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，涉及光通信器件领域，包括主要由光学微腔、带通滤波器、光放大器和光耦合器组成的光学环路，以及一个光耦合器；光学微腔用于形成频率间隔固定的周期性梳状滤波；带通滤波器用于从光学微腔输出的多频率光信号中，选取出两个相邻频率的光信号；光放大器用于在光学环路中产生光功率增益，实现两个相邻频率光信号激射，形成双频激光；光耦合器用于将双频激光的部分光功率耦合输出；光电探测器用于接收光耦合器输出的双频激光，利用光学拍频效应获得光生微波信号；本发明提升微波信号的频率稳定性，抑制光生微波信号的相位噪声。

Description

一种基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源

技术领域

本发明涉及光通信器件领域，具体来讲涉及一种基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源。

背景技术

相位噪声低且频率可调谐的微波或毫米波在很多领域中有着广泛的应用，它们包括：雷达***、无线通信、软件定义无线电以及现代仪器。通常而言，高频率的微波或毫米波是通过将低频的稳定振荡信号多次倍频获得的。这一方案***复杂、成本较高且不利于微波信号的传输。为了克服这些缺点，光生微波技术应运而生。

光外差法(Optical Heterodyning)是微波光子学中应用最为广泛的一项光生微波技术。光外差法最直接的实现方式即是采用两束独立的激光，令其在光探测器中拍频。光探测器是一种平方率检波器件，因此当两束波长不同的光同时进入光探测器时，它们会在其中产生拍频效应，同时在光探测器的电输出端口产生一个频率等于两束光频率之差的微波信号。只要光探测器的响应带宽足够大，由光外差法产生的上述微波信号在理论上可以达到THz级别。然而，通过光外差法得到光生微波信号的关键在于如何得到相位稳定并且相干的光源。因为对于两个独立的激光器(尤其是半导体激光器)而言，其输出光没有相干性，随机相位噪声非常严重，而且各自温度和偏置电流的变化也会引起激射波长的漂移，从而造成差频信号频率的漂移。用这种方法产生的微波信号频率不稳定、噪声非常大，实用性较差。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，提升微波信号的频率稳定性，抑制光生微波信号的相位噪声。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，包括主要由光学微腔、带通滤波器、光放大器和光耦合器组成的光学环路，以及一个光耦合器；光学微腔用于形成频率间隔固定的周期性梳状滤波；带通滤波器用于从光学微腔输出的多频率光信号中，选取出两个相邻频率的光信号；光放大器用于在光学环路中产生光功率增益，实现两个相邻频率光信号激射，形成双频激光；光耦合器用于将双频激光的部分光功率耦合输出；光电探测器用于接收光耦合器输出的双频激光，利用光学拍频效应获得光生微波信号。

在上述技术方案的基础上，光学环路中还包括光延迟线，用于增加光学环路的长度，提升出射双频激光的相干性。

在上述技术方案的基础上，所述光学延迟线的长度大于等于10^-6m且小于等于10⁴m，光学损耗大于等于10^-4dB/m且小于等于10⁴dB/m，光学延迟线的材质为硅单晶、Si₃N₄、SiO_xN_y或SiO₂。

在上述技术方案的基础上，所述光学微腔为硅基微环型谐振腔，该光学微腔与其外部的两根波导相互耦合，形成上下话路结构，实现梳状滤波功能。

在上述技术方案的基础上，所述带通滤波器的光学带宽与所述光学微腔的自由谱宽度的比值大于等于1且小于等于3。

在上述技术方案的基础上，所述光放大器为掺铒光纤放大器、半导体光放大器、拉曼光放大器、布里渊光放大器、光参量放大器中的一种。

在上述技术方案的基础上，所述光学环路中光放大器产生的光学增益大于两个相邻频率的光信号在该光学环路中传输一周的光学损耗。

在上述技术方案的基础上，所述光电探测器为硅基锗波导型光电探测器，其响应带宽大于或等于光学微腔的自由谱宽度。

在上述技术方案的基础上，所述光电探测器为独立器件，或者与光学环路中的任意器件集成一体。

在上述技术方案的基础上，所述光学环路中的光学微腔、带通滤波器、光放大器、和光耦合器为各自独立器件，或者部分/全部集成在同一芯片上。

本发明的有益效果在于：

由于两个相邻频率光信号激射形成双频激光，都是由同一个光学微腔和光学环路产生的，因此具有高度相关性。

此外，双频激光的频率差等同于光学微腔的自由谱宽度，由光学微腔的群折射率和周长所决定，不会因温度、振动等因素的影响而变化，提升微波信号的频率稳定性。

再者，光学环路中的光延迟线增加了腔长，使双频激光线宽缩窄，提升了激光的相干性，因此，所述双频激光在进行差频时，可以抑制光生微波信号的相位噪声，频率稳定性大幅提升。

附图说明

图1为本发明实施例基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源示意图；

图2为本发明实施例中光学微腔输出光谱的示意图；

图3为本发明实施例中经过光学微腔和带通滤波器后的光谱示意图；

图4为本发明实施例中光耦合器输出的双频激光实测光谱图。

附图标记：

10-光学环路，11-光学微腔，12-带通滤波器，13-光放大器，14-光延迟线，15-光耦合器，20-光探测器。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，包括光学环路10和光电探测器20两部分，光学环路10主要由光学微腔11、带通滤波器12、光放大器13和光耦合器15组成，本实施例中，光学环路10还包括光延迟线14。光学环路10用于产生两个频率不同的激光，即双频激光，光电探测器20用于接收从光耦合器15中输出的双频激光，再利用光学差频效应获得光生微波信号。

具体的，光学微腔11用于周期性选取多个频率差异固定的光，形成频率间隔固定的周期性梳状滤波。光学微腔11可以基于硅、Si₃N₄、SiO_xN_y(氮氧化硅)或SiO₂材料制作，也可以基于其他光波导材料制作；形状可以是环形、盘型或其他回音壁式结构，光学微腔11与其外部的两根波导相互耦合，形成上下话路结构，实现梳状滤波功能。较为优选的，光学微腔11为硅基微环型谐振腔，可通过CMOS兼容工艺在硅晶圆上加工形成。硅基微环型谐振腔实现对光波长的选择，满足微环谐振条件的波长可以从微环另一端波导中输出，而其他无法谐振的波长则被阻挡。

如图2所示，微环传输谱中的谐振峰是周期性出现的，FSR(FreeScale Range，自由谱宽度)即定义为相邻谐振峰之间的光频率差，可表示成：

$\mathrm{FSR}=\mathrm{\Δf}=\frac{c}{n_{g}2\mathrm{\πR}}---\left(1\right)$

其中，R为微环半径，n_g为群折射率，c为真空中光的传播速度。由此可见，硅基微环型谐振腔的相邻谐振峰的FSR，只由微环半径和环波导的群折射率所决定，而这两者在微环加工完成之后都已确定，因而输出的光信号之间的频率差异十分稳定。

带通滤波器12用于从光学微腔11输出的多频率光信号中，滤波选取出两个相邻频率的光信号，阻塞其余频率的光信号，因此其他光信号无法在光学环路中形成谐振，使得在光学环路10中只有两个频率的光实现激射，如图3所示，为经过光学微腔11和带通滤波器12共同滤波后，输出的光谱示意图。所述带通滤波器12的光学带宽与所述光学微腔11的FSR的比值大于等于1且小于等于3。

光放大器13用于在光学环路10中产生光功率增益，提供给带通滤波器12滤出的两个相邻频率光信号，实现两个相邻频率光信号激射，形成双频激光。所述光学环路10中光放大器13产生的光学增益大于两个相邻频率的光信号在该光学环路10中传输一周的光学损耗。光放大器13可以是掺铒光纤放大器、半导体光放大器、拉曼光放大器、布里渊光放大器、光参量放大器中的一种，本实施例中优选为掺铒光纤放大器，在光学环路10中产生光功率增益，使两个相邻频率光信号达到激射条件。

光延迟线14用于增加光学环路10的长度，提升出射双频激光的相干性。光学延迟线14的长度大于等于10^-6m且小于等于10⁴m，光学损耗大于等于10^-4dB/m且小于等于10⁴dB/m，光学延迟线14的材质为硅单晶、Si₃N₄、SiO_xN_y或SiO₂。

光耦合器15用于将光学环路10中双频激光的部分光功率耦合出来，输入到光电探测器20中。如图4所示，为光耦合器15输出的双频激光实测光谱图，表明通过光学微腔11和带通滤波器12共同作用，在光学环路10中只产生了两个频率的激光，这两个激光的频率间隔由光学微腔11的FSR决定。

光电探测器20用于接收光耦合器15输出的双频激光，利用光学差频效应产生光生微波信号，光生微波信号的频率等于光学微腔11的FSR，由于温度和外部扰动基本不会对光学微腔11的FSR产生影响，因此所述光生微波信号的频率较为稳定。光电探测器20的材料可以是InGaAsP化合物半导体、GeSnSi化合物半导体、或石墨烯等其他光电探测材料。本实施例中光电探测器20为硅基锗波导型光电探测器，其响应带宽大于或等于光学微腔11的FSR。

本发明基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，光学环路10中的各个器件可以为独立的器件，或者部分集成在同一个芯片或模块上，或者所有器件集成在一个芯片中。光电探测器20可以为独立器件，也可以与光学环路10中的任意器件集成一体。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，其特征在于，包括主要由光学微腔、带通滤波器、光放大器和光耦合器组成的光学环路，以及一个光耦合器；光学微腔用于形成频率间隔固定的周期性梳状滤波；带通滤波器用于从光学微腔输出的多频率光信号中，选取出两个相邻频率的光信号；光放大器用于在光学环路中产生光功率增益，实现两个相邻频率光信号激射，形成双频激光；光耦合器用于将双频激光的部分光功率耦合输出；光电探测器用于接收光耦合器输出的双频激光，利用光学拍频效应获得光生微波信号。

2.如权利要求1所述基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，其特征在于：光学环路中还包括光延迟线，用于增加光学环路的长度，提升出射双频激光的相干性。

3.如权利要求2所述基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，其特征在于：所述光学延迟线的长度大于等于10^-6m且小于等于10⁴m，光学损耗大于等于10^-4dB/m且小于等于10⁴dB/m，光学延迟线的材质为硅单晶、Si₃N₄、SiO_xN_y或SiO₂。

4.如权利要求1所述基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，其特征在于：所述光学微腔为硅基微环型谐振腔，该光学微腔与其外部的两根波导相互耦合，形成上下话路结构，实现梳状滤波功能。

5.如权利要求1所述基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，其特征在于：所述带通滤波器的光学带宽与所述光学微腔的自由谱宽度的比值大于等于1且小于等于3。

6.如权利要求1所述基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，其特征在于：所述光放大器为掺铒光纤放大器、半导体光放大器、拉曼光放大器、布里渊光放大器、光参量放大器中的一种。

7.如权利要求1所述基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，其特征在于：所述光学环路中光放大器产生的光学增益大于两个相邻频率的光信号在该光学环路中传输一周的光学损耗。

8.如权利要求1所述基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，其特征在于：所述光电探测器为硅基锗波导型光电探测器，其响应带宽大于或等于光学微腔的自由谱宽度。

9.如权利要求1所述基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，其特征在于：所述光电探测器为独立器件，或者与光学环路中的任意器件集成一体。

10.如权利要求1所述基于光学微腔的频率稳定型光生微波信号源，其特征在于：所述光学环路中的光学微腔、带通滤波器、光放大器、和光耦合器为各自独立器件，或者部分/全部集成在同一芯片上。