CN115459859B - 基于光注入锁定动态选频的光子学超宽带太赫兹跳频源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光注入锁定动态选频的光子学超宽带太赫兹跳频源结构，属于太赫兹信号产生技术领域。本发明的跳频源结构基于光频率梳频率集模块产生的光频率梳信号，利用频率控制器提供的电流驱动信号改变半导体激光器工作频率，使其选择的光频率梳齿也发生相应的改变，以此实现频率集中不同频道的光频率梳齿选择。并将选择的输出光经光环形器第三端口输出至合束装置，并与参考光合束后进入光电探测器进行平方律检测获得太赫兹跳频信号。与传统电子学跳频源相比，本发明具有明显的跳频带宽优势，工作频率高且灵活可控，能够应用于新一代太赫兹通信与雷达***，提升其抗干扰、抗截获能力。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹信号产生技术领域，具体涉及一种基于光注入锁定动态选频的光子学超宽带太赫兹跳频源，适用于新一代毫米波/太赫兹通信及雷达探测成像等领域。
背景技术
跳频源应用于通信和雷达领域，是一种输出信号频率在较大频率范围内以近似无序的方式快速变化的射频信号产生装置，能够使***具有较好的抗干扰和抗截获能力。
现有的基于微波光子学的跳频源其实现跳频信号产生通常采用频率合成或频率切换式两种方式。频率合成式光子学跳频源，以光电振荡器跳频源为例，是利用具备高速频率切换能力的光电频率合成器产生跳频信号。已有文献(Optical Fiber CommunicationConference,2014,W1J.2)报道的光电振荡器能够实现输出在8.65GHz和17.1GHz之间来回切换。但是，当前的电光调制器、电滤波器、射频放大器等的工作频率和工作带宽，难以实现振荡频率高达百GHz的光电反馈环路，导致光电振荡器跳频源无法工作在毫米波高频段和太赫兹频段。频率切换式光子学跳频源则是在预先产生的频率集中利用光电频率选择器进行选频，并输出跳频信号。已有文献(Optics Letters,2018,43(2):279-282)报道了利用受激布里渊增益的开关实现了在8GHz和13.58GHz信号之间以100ps的跳频速率进行切换。这种实现方法大多采用将多个不同频率的微波信号调制在光上，然后利用可调谐微波光子滤波器在这些频率中来回切换，产生跳频输出。其频率成分来源本质上还是电子学办法，难以实现毫米波高频段与太赫兹频段的跳频输出，且跳频带宽和频点数量十分有限。
综上可见，当前微波光子跳频源存在如下三点局限与不足：第一，工作频率范围均处于25GHz以下的微波频段，100GHz以上的太赫兹频段的跳频源技术尚属研究空白；第二，跳频带宽较小，还未充分发挥光子学技术的带宽优势；第三，大多数集中在两个频点之间的跳频速率的提升而忽略了其他指标，频道数量明显少于电子学跳频源。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术中存在的不足，提出一种基于光注入锁定动态选频的光子学超宽带太赫兹跳频源，在频率控制器的控制下，通过半导体激光器对光频率梳频率集模块提供的光频率梳信号进行动态选频，实现了太赫兹频段跳频信号的产生，同时还可以在不同频道之间进行切换、且跳频带宽更宽。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光注入锁定动态选频的光子学超宽带太赫兹跳频源，包括光频率梳频率集模块、光环形器、参考激光器、合束装置、光探测器、频率控制器以及半导体激光器；
所述光频率梳频率集模块与光环形器的第一端口连接，用于产生光频率梳信号作为跳频源的频率集；
所述光环形器第二端口与半导体激光器对接，所述光环形器第三端口与合束装置的第一输入端连接；
所述参考激光器与合束装置的第二输入端连接，用于发出参考光；
所述合束装置的输出端与光探测器连接，用于将参考光与光环形器第三端口提供的光进行合束；
所述光探测器用于对合束光进行平方律检测，使其由光频下变换至太赫兹频段，产生太赫兹频段的跳频信号；
所述频率控制器连接半导体激光器，将根据实际应用需求生成的二进制跳频序列译码量化后转换成电流驱动信号；
所述半导体激光器为无内置光隔离器的半导体激光器；
光频率梳信号从光环形器第一端口进入后，再从光环形器第二端口注入半导体激光器中，且在注入过程中与半导体激光器工作频率相邻的梳齿发生注入锁定；此时，通过电流驱动信号驱动半导体激光器工作频率发生改变，使得注入锁定选择的频率梳齿也发生相应的改变，锁定状态的输出光经光环形器第三端口输出至合束装置，并与参考光合束后进入光电探测器进行平方律检测获得太赫兹跳频信号。
进一步的，所述合束装置为光耦合器。
进一步的，所述光频率梳频率集模块由激光器、强度调制器、相位调制器、微波源、分路器、第一放大器、移相器和第二放大器组成；
所述激光器通过光纤依次连接强度调制器、相位调制器；
所述微波源用于向分路器提供微波信号；分路器将微波信号分成两路；其中一路经第一放大器放大后传输至强度调制器，另一路依次经移相器和第二放大器后传输至相位调制器；
激光器用于产生光源传输给强度调制器；强度调制器施加偏置电压使其工作在正交点，根据第一放大器提供的微波信号对光源进行强度调制得到频率间隔相等的超宽带多频点光频率梳信号传输至相位调制器；相位调制器根据第二放大器提供的微波信号对接收的频率梳信号进行相位调整提升超宽带多频点频率梳信号的平坦度后，作为跳频源的频率集输出。
进一步的，所述光频率梳频率集模块包括激光器、双驱马赫曾德尔调制器、微波源、分路器、第一放大器和移相器；
所述激光器连接双驱马赫曾德尔调制器，用于向双驱马赫曾德尔调制器提供光源；
所述微波源用于向分路器提供微波信号，分路器将微波信号分成两路；其中一路经第一放大器传输至双驱马赫曾德尔调制器，另一路依次经第二放大器、移相器传输至双驱马赫曾德尔调制器；
所述双驱马赫曾德尔调制器施加偏置电压使其工作在正交点，在两路微波信号的驱动下使光源形成频率间隔相等的超宽带多频点光频率梳信号作为跳频源的频率集输出，且超宽带多频点光频率梳信号在形成过程中通过移相器调整光谱提升平坦度。
进一步的，所述光电探测器为PIN型结构或单行载流子结构的光电探测器。
采用上述技术方案后，本发明具有了以下有益效果：
1、本发明的跳频源是基于光频率梳频率集模块产生的光频率梳信号，利用频率控制器提供的电流驱动信号改变半导体激光器工作频率，使其选择的光频率梳齿也发生相应的改变，以此实现频率集中不同频道的光频率梳齿选择。一方面可以根据实际需求实现动态选频，提升产品适用范围；另一方面将频率成分来源由传统的电学获取模式替换为光学模式，能够以高达百MHz量级的精度，对光频率梳频率集中的梳齿进行滤波放大。
2、通过合束装置将动态选频选出的频率与参考光外差拍频频率合成，解决了现有技术无法实现毫米波高频段与太赫兹频段的跳频输出的问题，提升了跳频源工作频率的同时，增加了频点数量、拓宽了跳频带宽。
3、本发明的太赫兹跳频源，其跳频带宽、频道数量以及频道间隔，可以通过改变光频率梳频率集的梳齿间隔和梳齿数量来进行调控，频率范围灵活可控。
附图说明
图1为本发明提出的太赫兹频段光子学超宽带跳频源结构示意图；
图2为本发明提出的基于半导体激光器光注入锁定技术的动态选频原理示意图；
图3为本发明提供的实施例注入锁定范围随注入光功率比变化曲线图；
图4为本发明提供的实施例1***组成示意图；
图5为本发明提供的实施例2***组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。本发明的跳频源实施过程中各部件频率范围应符合：1、半导体激光器的频率调谐范围应大于跳频带宽；2、光电探测器其工作频率范围大于跳频源最高输出频率。
如图1所示，一种基于光注入锁定动态选频的光子学超宽带太赫兹跳频源，包括光频率梳频率集模块、光环形器、参考激光器、光耦合器、光探测器、频率控制器以及半导体激光器；
所述光频率梳频率集模块与光环形器的第一端口连接，用于产生光频率梳信号作为跳频源的频率集；
所述光环形器第二端口与半导体激光器对接，所述光环形器第三端口与光耦合器的第一输入端连接；
所述参考激光器与光耦合器的第二输入端连接，用于发出参考光；
所述光耦合器的输出端与光探测器连接，用于将参考光与光环形器第三端口提供的光进行合束；
所述光探测器用于对合束光进行平方律检测，使其由光频下变换至太赫兹频段，产生太赫兹频段的跳频信号；
所述频率控制器连接半导体激光器，用于将根据实际应用需求生成的二进制跳频序列译码量化后转换成电流驱动信号；
所述半导体激光器为无内置光隔离器的半导体激光器。
本实施例是通过光频率梳频率集模块、半导体激光器、频率控制器、和光环形器的共同作用下实现的光注入锁定选频。所述的光注入锁定动态选频技术原理如图2所示：光频率梳频率集模块输出光频率梳信号经光环形器1端口注入至2端口的半导体激光器，频率相邻的梳齿与之发生注入锁定；此时，频率控制器产生的电流驱动信号驱动半导体激光器并使其频率随之变化，所选择的频率梳梳齿也发生相应的改变，锁定状态的输出光经光环形器3端口输出至光耦合器，并与参考光合束后进入光电探测器进行平方律检测，经外差拍频合成太赫兹跳频信号。
图3所示为分布反馈式(DFB)半导体激光器注入锁定范围随注入光功率比变化关系的仿真结果，所使用的DFB激光器自由运行频率为193.4068THz、功率为4dBm、线宽为10MHz，注入光采用的是一个单频连续激光器。外部注入光功率与DFB激光器自由运行功率比值范围为-10dB至-50dB，同时注入光的频率范围在DFB激光器自由运行频率±3GHz范围内扫描。图3(a)所示阴影部分为光注入DFB激光器能够建立注入锁定状态的区域，对相同的注入光功率比，所对应的注入锁定区横坐标频率范围大小即为该注入比下的注入锁定范围。图3(b)所示为注入锁定范围随着注入光功率比的变化曲线拟合结果，可见注入锁定范围大小与注入光功率比的平方根呈线性关系。可见，本实施例方案具有可行性。
下面通过两个太赫兹宽带跳频源的具体实施例对上述技术方案做详细阐述：
实施例1
一种基于光注入锁定动态选频的光子学超宽带太赫兹跳频源，中心频率0.12THz，频道间隔0.5GHz，频道数量30个，如图4所示为实施例1的结构示意图。激光器通过第一光纤与强度调制器连接，强度调制器输出经第二光纤输入至相位调制器，强度调制器施加偏置电压使其工作在正交点，微波源输出的微波信号经分路器后，一路经放大器1加载至强度调制器，另一路经移相器和放大器加载至相位调制器。激光经强度和相位两级调制后产生光频率梳，并输入至光环形器1端口，随后经光环形器2端口注入半导体激光器，半导体激光器输出经光环器3端口输出。跳频序列发生器产生二进制信号输入至译码器，译码器对跳频序列进行解码得到跳频源频率信息，然后经频率控制器控制半导体激光器的频率，参考激光器输出与光环形器3端口输出经光耦合器合路后进入光电探测器，拍频产生太赫兹跳频信号。
用于光频率梳产生的激光器波长为1550nm，参考激光器波长为1550.9616nm，二者外差拍频产生频率为0.12THz的太赫兹信号。强度调制器施加0.5倍半波电压的直流偏置使其工作在正交点，微波源产生0.5GHz的微波信号驱动强度调制器和相位调制器，经放大器1放大后的驱动电压设置为强度调制器半波电压的3倍，产生30根频率间隔为0.5GHz的光频率梳作为跳频源的频率集，30个通道的总跳频带宽为15GHz。
实施例2
一种基于光注入锁定动态选频的光子学超宽带太赫兹跳频源，中心频率0.34THz，频道间隔2GHz，频道数量15个，如图5所示为实施例2的结构示意图。激光器经第一光纤与双驱马赫曾德尔调制器相连，调制器上施加0.5倍半波电压的直流偏置使其工作在正交点，微波源输出微波信号经分路器分为两路，一路经放大器1、另一路经放大器2移相器分别驱动调制器的两臂并对光信号调制产生光频率梳，调节移相器获得平坦光谱并作为跳频源的频率集。光频率梳频率集经环形器1端口注入至2端口处的半导体激光器，半导体激光器输出经环形器3端口输出。跳频序列发生器产生二进制信号输入至译码器，译码器对跳频序列进行解码获得跳频源频率信息，然后经频率控制器控制半导体激光器的频率，使其与不同频率的梳齿发生注入锁定，并将其放大后输出。半导体激光器输出与参考激光器输出经光耦合器2合束并输入光电探测器，拍频产生太赫兹跳频信号。
用于光频率梳产生的激光器波长为1550nm，参考激光器波长为1552.7276nm，二者外差拍频产生频率为0.34THz的太赫兹信号。施加0.5倍半波电压的直流偏置使双驱马赫曾德尔工作在正交点，微波源产生2GHz的微波信号经分路器分为两路分别驱动调制器的两臂，其中一路经放大器1放大后的驱动电压为调制器半波电压的2.5倍，另一路经放大器2放大后驱动电压为半波电压的3倍，正交工作点下两臂驱动电压造成90度相位差以满足平坦光谱条件，产生约15根频率间隔为2GHz的平坦光频率梳作为跳频源的频率集，15个通道的总跳频带宽为30GHz。
通过上述阐述不难发现，本发明是在基于光电融合发展思想衍生出的光子学跳频源基础上，将频率切换与频率合成相结合实现工作在毫米波高频段与太赫兹频段的超宽带多频点跳频源，相较于传统电子学跳频源相比，本发明具有明显的跳频带宽优势，工作频率高且灵活可控，能够应用于新一代太赫兹通信与雷达***，提升其抗干扰、抗截获能力。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于光注入锁定动态选频的光子学超宽带太赫兹跳频源，包括光频率梳频率集模块、光环形器、参考激光器、合束装置、光探测器、频率控制器以及半导体激光器，其特征在于：
所述光频率梳频率集模块与光环形器的第一端口连接，用于产生光频率梳信号作为跳频源的频率集；
所述光环形器第二端口与半导体激光器对接，所述光环形器第三端口与合束装置的第一输入端连接；
所述参考激光器与合束装置的第二输入端连接，用于发出参考光；
所述合束装置的输出端与光探测器连接，用于将参考光与光环形器第三端口提供的光进行合束；
所述光探测器用于对合束光进行平方律检测，使其由光频下变换至太赫兹频段，产生太赫兹频段的跳频信号；
所述频率控制器连接半导体激光器，将根据实际需求生成的二进制跳频序列译码量化后转换成电流驱动信号；
所述半导体激光器为无内置光隔离器的半导体激光器；
光频率梳信号从光环形器第一端口进入后，再从光环形器第二端口注入半导体激光器中，且在注入过程中与半导体激光器工作频率相邻的梳齿发生注入锁定；此时，通过电流驱动信号驱动半导体激光器工作频率发生改变，使得注入锁定选择的频率梳齿也发生相应的改变，锁定状态的输出光经光环形器第三端口输出至合束装置，并与参考光合束后进入光电探测器进行平方律检测获得太赫兹跳频信号。
2.根据权利要求1所述一种基于光注入锁定动态选频的光子学超宽带太赫兹跳频源，其特征在于：所述光频率梳频率集模块由激光器、强度调制器、相位调制器、微波源、分路器、第一放大器、移相器和第二放大器组成；
所述激光器通过光纤依次连接强度调制器、相位调制器；
所述微波源用于向分路器提供微波信号；分路器将微波信号分成两路；其中一路经第一放大器放大后传输至强度调制器，另一路依次经移相器和第二放大器后传输至相位调制器；
激光器用于产生光源传输给强度调制器；强度调制器施加偏置电压使其工作在正交点，根据第一放大器提供的微波信号对光源进行强度调制得到频率间隔相等的超宽带多频点光频率梳信号传输至相位调制器；相位调制器根据第二放大器提供的微波信号对接收的频率梳信号进行相位调整提升超宽带多频点频率梳信号的平坦度后，作为跳频源的频率集输出。
3.根据权利要求1所述一种基于光注入锁定动态选频的光子学超宽带太赫兹跳频源，其特征在于：所述光频率梳频率集模块包括激光器、双驱马赫曾德尔调制器、微波源、分路器、第一放大器和移相器；
所述激光器连接双驱马赫曾德尔调制器，用于向双驱马赫曾德尔调制器提供光源；
所述微波源用于向分路器提供微波信号，分路器将微波信号分成两路；其中一路经第一放大器传输至双驱马赫曾德尔调制器，另一路依次经第二放大器、移相器传输至双驱马赫曾德尔调制器；
所述双驱马赫曾德尔调制器施加偏置电压使其工作在正交点，在两路微波信号的驱动下使光源形成频率间隔相等的超宽带多频点光频率梳信号作为跳频源的频率集输出，且超宽带多频点光频率梳信号在形成过程中通过移相器调整光谱提升平坦度。
4.根据权利要求1所述的一种基于光注入锁定动态选频的光子学超宽带太赫兹跳频源，其特征在于：所述光电探测器为PIN型结构或单行载流子结构的光电探测器。
5.根据权利要求2或3所述的一种基于光注入锁定动态选频的光子学超宽带太赫兹跳频源，其特征在于：所述合束装置为光耦合器。
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