CN111478176A - 基于半导体激光器单周期振荡的波形产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于半导体激光器单周期振荡的波形产生装置及方法，属于微波光子技术领域。主激光器的输出光经过微波信号源的相位调制后同时注入n个从激光器激发n个从激光器的单周期振荡态。设置光注入强度和从激光器的工作电流，使得各个从激光器在相位调制光边带锁定下的单周期振荡频率满足谐波频率关系，并且具有稳定的相位关系，因此可以实现傅里叶合成。独立控制每一个从激光器单周期振荡输出光信号的功率和相位，经光电转换后可以获得定制的微波任意波形信号。本发明无需光学频率梳、成本低、结构简单；无需复杂的滤波和选频、易于操作、产生信号质量高；产生微波任意波形信号的频率高达几十GHz。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子技术领域，具体涉及基于光注入半导体激光器单周期振荡的波形产生装置及方法。
背景技术
微波任意波形产生技术是一种可以根据需求输出具有任意波形形状的微波信号的技术，微波任意波形可为雷达、导航、超声和仪表***等提供信号源，其在民用以及军事等领域有广泛应用。研究人员一直没有停止过相关研究：传统微波任意波形产生是在电子学领域基于直接数字频率合成来实现的，受限于电子器件本身属性，其生成的任意波形信号频率以及带宽都比较低，通常为几百MHz到几GHz。近年来，随着光子学技术的发展，研究人员开始用光子学器件代替传统的电子器件来产生任意微波波形，从而解决电子器件在频率和带宽方面具有的局限性。例如：利用空间光调制器或可编程光处理器对宽带光谱信号进行逐根谱的单独操线控来产生任意波形的方案(参见[Z.Jiang,D.E.Leaird,andA.M.Weiner,“Optical arbitrary waveform generation and characterization usingspectral line-by-line control,”Journal of Lightwave Technology 24(7),2487-2494(2006).])；基于光学频率梳的任意波形产生方案(参见[W.Xie,Z.Xia,Q.Zhou,H.Shi,Y.Dong,and W.Hu,“Photonic generation of low phase noise arbitrary chirpedmicrowave waveforms with large time-bandwidth product,”Optics Express 23(14),18070-18079(2015).])；基于两个级联马赫-曾德尔调制器作为脉冲整形器的产生方案(参见[Y.He,Y.Jiang,Y.Zi,G.Bai,J.Tian,Y.Xia,X.Zhang,R.Dong,and H.Luo,“Photonicmicrowave waveforms generation based on two cascaded single-drive Mach-Zehnder modulators,”Optics Express 26(6),7829-7841(2018).])。目前报道的任意波形产生方案大多受限于高速电光调制器、光学频率梳和光学滤波器。光学频率梳和和光学滤波器的使用一方面使得***结构复杂且成本较高，另一方面光域滤波整形的精度较低导致产生信号的信号质量较差。
发明内容
本发明为解决现有基于光学频率梳和和光学滤波器的方案结构复杂、光域滤波整形精度较低的问题，提供基于半导体激光器单周期振荡的波形产生装置，包括：主激光器、相位调制器、微波信号源、1×n光耦合器、n个单周期振荡支路、n×1光耦合器和光电探测器；所述相位调制器上设置有光输入端以及射频输入端；光电探测器上设置有输入端和输出端；
主激光器的输出端、相位调制器的光输入端、1×n光耦合器的输入端依次连接，微波信号源的输出端与相位调制器的射频输入端连接；
其中n为支路的个数，所述1×n光耦合器上设有一个光输入端和n个输出端，相位调制光信号通过1×n光耦合器后被耦合成n个支路，并分别从对应输出端耦合入n个单周期振荡支路；所述n×1光耦合器上设有n个输入端和一个输出端，n个单周期振荡支路分别从对应端口耦合入n×1光耦合器并从其输出端导出；n×1光耦合器的输出端与光电探测器输入端相连，微波任意波形信号从所述光电探测器的输出端导出；
所述的n个单周期振荡支路中每一个支路中均包括第一光衰减器、光环行器、从激光器、第二光衰减器、光纤移相器；其中光环行器上设置a端口、b端口、c端口；每一个支路上沿着光传播方向均依次设置所述的第一光衰减器、光环行器、从激光器、第二光衰减器、光纤移相器；
在每一支路中，光信号通过主第一光衰减器后经光环行器的a端口导入光环行器，由光环行器的b端口导出并注入到从激光器中，从激光器发出的光信号经光环行器的b端口导入光环行器、光环行器的c端口输出的光信号依次进入第二光衰减器和光纤移相器；光纤移相器的输出的信号连接到n×1光耦合器的对应输入端。
进一步的，所述从激光器为输出端不带隔离器的单模分布反馈式半导体激光器或分布布拉格反射激光器。
进一步的，所述1×n光耦合器和n×1光耦合器的各个支路中功率平均分配。
基于半导体激光器单周期振荡的波形产生方法，其包括以下步骤：
步骤一、主激光器产生连续光信号输入相位调制器，微波信号源产生频率为fm的单频微波信号驱动相位调制器，得到带有高阶边带的相位调制光信号，每条光边带的频率间隔为fm；所述相位调制光信号经1×n光耦合器被耦合入n个单周期振荡支路，每一个支路中均包括第一光衰减器、光环行器、从激光器、第二光衰减器、光纤移相器；在第i单周期振荡支路中，设置第一光衰减器和从激光器的工作电流，使得从激光器的单周期振荡频率被相位调制光信号的第i阶调制光边带锁定为ifm(i＝1,2,3…n)。
步骤二、设置第i单周期振荡支路中的第二光衰减器和光纤移相器控制该支路中从激光器单周期振荡输出光信号的功率和相位来控制待光电转换的ifm傅里叶频率分量(i＝1,2,3…n)；所述n×1光耦合器将此n路从激光器单周期振荡输出的光信号进行耦合后输入至光电探测器完成光电转换，实现n路傅里叶频率分量的合成，获得定制的微波任意波形信号。
进一步的，其特征在于：所述第i支路中从激光器工作在频率为ifm的单周期振荡态，而非注入锁定态，从激光器的输出经光电探测可产生频率为ifm的微波信号(i＝1,2,3…n)。
本发明的有益效果为：本发明提出的基于半导体激光器单周期振荡的波形产生装置及方法，与当前技术方案比较，一方面本装置核心器件为商用单模半导体激光器，无需高速电光调制器、光学频率梳和光学滤波器，具有结构简单、成本低以及易于操控的优点，另一方面半导体激光器工作在单周期振荡态使得产生的微波任意波形信号具有频率高、大带宽和灵活调谐的优点。
附图说明
图1为基于半导体激光器单周期振荡的波形产生装置示意图；
图2为产生微波三角波的光频谱及电频谱示意图；
图3为产生的微波三角波信号的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
基于半导体激光器单周期振荡的波形产生装置，图1是发明提供的基于半导体激光器单周期振荡的波形产生装置示意图：包括主激光器、相位调制器、微波信号源、1×n光耦合器、n个单周期振荡支路、n×1光耦合器和光电探测器；所述相位调制器上设置有光输入端以及射频输入端；光电探测器上设置有输入端和输出端；
主激光器的输出端、相位调制器的光输入端、1×n光耦合器的输入端依次连接，微波信号源的输出端与相位调制器的射频输入端连接；
其中n为支路的个数，所述1×n光耦合器上设有一个光输入端和n个输出端，相位调制光信号通过1×n光耦合器后被耦合成n个支路，并分别从对应输出端耦合入n个单周期振荡支路；所述n×1光耦合器上设有n个输入端和一个输出端，n个单周期振荡支路分别从对应端口耦合入n×1光耦合器并从其输出端导出；n×1光耦合器的输出端与光电探测器输入端相连，微波任意波形信号从所述光电探测器的输出端导出；
所述的n个单周期振荡支路中每一个支路中均包括第一光衰减器、光环行器、从激光器、第二光衰减器、光纤移相器；其中光环行器上设置a端口、b端口、c端口；每一个支路上沿着光传播方向均依次设置所述的第一光衰减器、光环行器、从激光器、第二光衰减器、光纤移相器；
在每一支路中，光信号通过主第一光衰减器后经光环行器的a端口导入光环行器，由光环行器的b端口导出并注入到从激光器中，从激光器发出的光信号经光环行器的b端口导入光环行器、光环行器的c端口输出的光信号依次进入第二光衰减器和光纤移相器；光纤移相器的输出的信号连接到n×1光耦合器的对应输入端。
图1仅为本方案装置各个技术特征之间的连接关系示意图，图1中的各部件的形状仅仅表示其示意，并不构成对其形状和结构的限定。
本发明所涉及的基于半导体激光器单周期振荡的波形产生装置及方法的具体工作原理如下：
本发明主要基于光注入半导体激光器的单周期振荡非线性动力学状态。具有任意波形形状的周期波形可以进行傅里叶级数展开，即包含基频正弦(余弦)波分量和一系列谐波分量。因此，通过在时域生成对应于上述基频正弦(余弦)波分量和谐波分量的微波信号并进行合成能够生产所需的微波波形信号。本发明通过一个主激光器同时注入到n个从激光器，使得n个从激光器均工作在单周期振荡态，且相应的各单周期振荡频率满足谐波频率关系；通过对主激光器的输出光进行相位调制，产生的高阶相位调制光边带依次锁定各从激光器的单周期振荡光信号；各从激光器输出的单周期振荡光信号经过光电探测器拍频后生成对应于各傅立叶频率的单频微波信号并进行合成；根据所需的微波任意波形信号，对各支路的光衰减器和光纤移相器进行控制，实现对从激光器单周期振荡输出光信号也即待光电转换傅里叶频率分量的功率和相位的控制，获得微波任意波形产生。
本发明所涉及的基于半导体激光器单周期振荡的波形产生方法的具体步骤为：
步骤一、主激光器产生连续光信号输入相位调制器，微波信号源产生频率为fm的单频微波信号驱动相位调制器，得到带有高阶边带的相位调制光信号，每条光边带的频率间隔为fm；所述相位调制光信号经1×n光耦合器被耦合入n个单周期振荡支路，每一个支路中均包括第一光衰减器、光环行器、从激光器、第二光衰减器、光纤移相器；在第i单周期振荡支路中，设置第一光衰减器和从激光器的工作电流，使得从激光器的单周期振荡频率被相位调制光信号的第i阶调制光边带锁定为ifm(i＝1,2,3…n)。
步骤二、设置第i单周期振荡支路中的第二光衰减器和光纤移相器控制该支路中从激光器单周期振荡输出光信号的功率和相位来控制待光电转换的ifm傅里叶频率分量(i＝1,2,3…n)；所述n×1光耦合器将此n路从激光器单周期振荡输出的光信号进行耦合后输入至光电探测器完成光电转换，实现n路傅里叶频率分量的合成，获得定制的微波任意波形信号。
进一步的，其特征在于：所述第i支路中从激光器工作在频率为ifm的单周期振荡态，而非注入锁定态，从激光器的输出经光电探测可产生频率为ifm的微波信号(i＝1,2,3…n)。
为了便于理解本发明技术方案，下面对上述装置的原理以产生微波三角波波形为例进行介绍：
周期三角波f(t)可用叠加形式的傅里叶级数表示为：
其中，A和ω分别是f(t)的振幅和频率。可以看出，三角波f(t)在频域上主要包含等于重复频率f＝ω/2π的1倍，3倍，5倍的谐波分量，其中高于5次谐波的频率分量由于幅度较小可以忽略。因此，可以利用本发明中的从激光器的单周期振荡生成相位关系稳定的1次、3次及5次谐波分量进行合成以产生微波三角波波形。图2为基于本发明装置及其方法产生微波三角波的光频谱及电频谱示意图：第一行是产生的1次谐波的光频谱和电频谱示意图，第二行是产生的3次谐波的光频谱和电频谱示意图，第三行是产生的5次谐波的光频谱和电频谱示意图；第i次谐波的光频谱中包括两个主要的光频分量fML与fML-ifm，其中fML是再生的主激光器频率分量，fML分量携带高阶相位调制边带，边带间的频率间隔为fm；在i阶相位调制边带锁定下，fML与fML-ifm两个光频分量拍频产生频率为ifm的电信号(i＝1,3,5)。每一个从激光器的单周期振荡态输出对应傅里叶级数展开中的一个谐波，根据三角波的傅里叶变换公式中各傅里叶频率的幅度和相位，调整相应的光衰减器和光纤移相器，在光电探测器的输出端生成微波三角波波形信号。图3为基于本发明产生的微波三角波波形的示意图。
以上所述仅为本发明装置的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，应当指出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。
Claims (6)
1.基于半导体激光器单周期振荡的波形产生装置，其特征在于包括主激光器、相位调制器、微波信号源、1´n光耦合器、n个单周期振荡支路、n´1光耦合器和光电探测器；所述相位调制器上设置有光输入端以及射频输入端；光电探测器上设置有输入端和输出端；
主激光器的输出端、相位调制器的光输入端、1´n光耦合器的输入端依次连接，微波信号源的输出端与相位调制器的射频输入端连接；
其中n为支路的个数，所述1´n光耦合器上设有一个光输入端和n个输出端，相位调制光信号通过1´n光耦合器后被耦合成n个支路，并分别从对应输出端耦合入n个单周期振荡支路；所述n´1光耦合器上设有n个输入端和一个输出端，n个单周期振荡支路分别从对应端口耦合入n´1光耦合器并从其输出端导出；n´1光耦合器的输出端与光电探测器输入端相连，微波任意波形信号从所述光电探测器的输出端导出；
所述的n个单周期振荡支路中每一个支路中均包括第一光衰减器、光环行器、从激光器、第二光衰减器、光纤移相器；其中光环行器上设置a端口、b端口、c端口；每一个支路上沿着光传播方向均依次设置所述的第一光衰减器、光环行器、从激光器、第二光衰减器、光纤移相器；
在每一支路中，光信号通过第一光衰减器后经光环行器的a端口导入光环行器，由光环行器的b端口导出并注入到从激光器中，从激光器发出的光信号经光环行器的b端口导入光环行器、光环行器的c端口输出的光信号依次进入第二光衰减器和光纤移相器；光纤移相器的输出的信号连接到n´1光耦合器的对应输入端。
2.根据权利要求1所述的基于半导体激光器单周期振荡的波形产生装置，其特征在于：所述从激光器为输出端不带隔离器的单模分布反馈式半导体激光器或分布布拉格反射激光器。
3.根据权利要求1所述的基于半导体激光器单周期振荡的波形产生装置，其特征在于：所述1´n光耦合器和n´1光耦合器的各个支路中功率平均分配。
4.基于半导体激光器单周期振荡的波形产生方法，其特征在于，使用权利要求1所述的基于半导体激光器单周期振荡的波形产生装置生成微波任意波形，包括以下步骤：
步骤一、主激光器产生连续光信号输入相位调制器，微波信号源产生频率为f m的单频微波信号驱动相位调制器，得到带有高阶边带的相位调制光信号，每条光边带的频率间隔为f m；所述相位调制光信号经1´n光耦合器被耦合入n个单周期振荡支路，每一个支路中均包括第一光衰减器、光环行器、从激光器、第二光衰减器、光纤移相器；在第i单周期振荡支路中，设置第一光衰减器和从激光器的工作电流，使得从激光器的单周期振荡频率被相位调制光信号的第i阶调制光边带锁定为if m(i=1, 2, 3… n)。
5.步骤二、设置第i单周期振荡支路中的第二光衰减器和光纤移相器控制该支路中从激光器单周期振荡输出光信号的功率和相位来控制待光电转换的if m傅里叶频率分量(i=1, 2, 3… n)；所述n´1光耦合器将此n路从激光器单周期振荡输出的光信号进行耦合后输入至光电探测器完成光电转换，实现n路傅里叶频率分量的合成，获得定制的微波任意波形信号。
6.根据权利要求4所述的基于半导体激光器单周期振荡的波形产生方法，其特征在于：所述第i支路中从激光器工作在频率为if m的单周期振荡态，而非注入锁定态，该状态下从激光器的输出经光电探测产生频率为if m的微波信号(i=1, 2, 3… n)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |