一种微波频率梳生成方法、装置与流程

本发明涉及一种微波频率梳生成方法、装置，属于微波光子技术领域。

背景技术：

微波频率梳是是指一系列频率间隔相等的梳状微波信号。由于具有频率分量多，频率范围宽，谱线间距精密度高等特点，在通信、雷达、测量和成像等领域具有广泛的应用。例如微波频率梳信号可在电子战系统中提供同步信号，用于很大带宽内的检测处理；在射频干扰测试中，微波频率梳可以模拟辐射，用于电磁兼容性(EMC)测试；在捷变频雷达中，微波频率梳可用于同时提供数十个以上高纯度频点。此外高精细度的微波频率梳信号还被用于高性能微波光子滤波器(参见[W.Wei et al.,"Software-defined microwave photonic filter with high reconfigurable resolution,"Scientific Reports,2016；6:35621,DOI:10.1038/srep35621.])和高精度荧光成像系统中(参见[E.D.Diebold et al.,"Digitally synthesized beat frequency multiplexing for sub-millisecond fluorescence microscopy,"Nature Photonics,2013；7:806–810,DOI:10.1038/nphoton.2013.245)。

传统的微波频率梳信号通过电子技术产生，如基于晶体三极管、变容二级管、阶跃恢复二极管或非线性传输线等。但是电子技术产生的微波频率梳信号一方面在高频段频谱分量衰减明显，难以获得几GHz或者更大的带宽，另一方面需要外部信号源驱动，且梳齿间距难以灵活调节。近年来，研究人员提出了多种基于光子技术的微波频率梳信号产生方法，其中最主要的是基于光学频率梳产生微波频率梳的方法，包括：将光频梳信号直接经光电探测器拍频得到微波频率梳信号；将光频梳信号与一直流光载波或者梳距不同的另一光频梳信号在光电探测器中拍频产生微波频率梳信号。但目前这些方法均存在明显的问题，一方面光学频率梳系统自身复杂，成本高昂；另一方面所产生的微波频率梳信号梳线功率不均衡，梳齿间距精细度差(数GHz以上)、稳定度差，且梳齿间距难以调节。这些问题使得目前基于光子技术的微波频率梳信号产生方法难以满足实际应用的需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，基于微波光子技术，提供一种微波频率梳生成方法、装置，可产生大带宽，梳齿间距高精细，并且带宽、中心频率及梳齿间距均可调谐的微波频率梳信号。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种微波频率梳生成方法，首先将幅度可调制的直流光信号注入到半导体激光器中，使所述半导体激光器工作在单周期振荡态；然后将所述半导体激光器的输出光信号分成上下两路，上路经过光电转换和延时、放大后作为反馈信号重新调制到半导体激光器上，形成光电反馈环路；下路光信号送入光电探测器进行光电转换；对所述直流光信号的幅度进行调制，使得所述直流光信号的幅度呈周期性的线性变化，且使得所述光电反馈环路的延时量为所述直流光信号幅度线性变化周期的整数倍，此时下路光电探测器的输出即为微波频率梳信号。

优选地，通过调整注入参数和/或所述直流光信号与半导体激光器自由运行时输出频率之间的频率失谐，使所述半导体激光器工作在单周期振荡态。

进一步地，该方法还包括：通过对所述直流光信号的偏振态进行调整，使得所述半导体激光器获得最大的注入效率。

进一步地，该方法还包括：通过调整注入参数的变化范围，来改变所产生微波频率梳信号的带宽。

进一步地，该方法还包括：通过调整未对直流光信号的幅度进行调制时的初始注入参数及直流光信号与半导体激光器自由运行时输出频率之间的频率失谐，来改变所产生微波频率梳信号的工作频段或中心频率。

一种微波频率梳生成装置，包括：

光注入模块，用于生成幅度可调制且幅度调制周期可调的直流光信号；

半导体激光器，含射频调制端口，其可工作在单周期振荡态；

光环行器，其包括沿光传输方向依次相邻排布的第一～第三端口，第一～第三端口分别与光注入模块的输出端、半导体激光器的输出端、光分束器的输入端连接；

光分束器，用于将光环行器第三端口输出光信号分成上下两路；

光电延时反馈模块，其输入端、输出端分别连接所述光分束器的上路输出端、所述半导体激光器的射频调制端口，用于对所述光分束器上路输出光信号进行光电转换和延时、放大后作为反馈信号重新调制到所述半导体激光器上；

光电探测器，用于将所述光分束器下路输出光信号转换为微波信号。

优选地，所述光注入模块包括：

光源，用于产生直流光信号；

光幅度控制器，其光信号输入端、输出端分别与光源、光环行器的第一端口连接，用于调制光源所产生直流光信号的幅度；

控制信号产生器，其输出端与光幅度控制器的控制信号输入端连接，用于产生驱动光幅度控制器所需的控制信号。

进一步地，所述光注入模块还包括连接于光幅度控制器的输出端与光环行器的第一端口之间的偏振控制器，其用于对光幅度控制器所输出的幅度调制直流光信号的偏振态进行控制。

优选地，所述光幅度控制器为电光幅度调制器，或电光马赫曾德尔调制器，或电光偏振调制器，或电吸收调制器。

优选地，所述光电延时反馈模块包括：

光电探测器，用于光电转换；

延时线，用于在光域或在电域对所传输信号进行延时；

放大器，用于在光域或在电域对所传输信号进行放大。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明可产生高频(数GHz至数十GHz)、大带宽(数GHz以上)、高精细度(梳齿间距可达MHz量级)的微波频率梳信号；

(2)本发明所产生的微波频率梳信号的梳齿间距、带宽及中心频率均可调谐；

(3)本发明无需高速电光调制器，对所用光幅度控制器的调制带宽需求不超过100MHz；无需高速率的控制信号，能利用原始的低频低速控制信号(低于100MHz)作为系统输入直接产生微波频率梳信号；具有结构简单、实现成本低廉的优点。

附图说明

图1为本发明微波频率梳生成装置的基本结构示意图；

图2为本发明微波频率梳生成装置一个优选实施例的结构示意图；

图3为控制信号时域波形；

图4为产生的微波频率梳信号的频谱图；

图5为Span 200MHz时的频谱图。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明的思路是将幅度可调制的直流光信号作为半导体激光器的注入光信号，使得半导体激光器工作在单周期振荡态，然后将此时半导体激光器的输出光信号分成上下两路，上路经过光电转换和延时、放大后作为反馈信号重新调制到半导体激光器上，形成光电反馈环路；下路光信号送入光电探测器进行光电转换以生成所需微波信号。通过对所注入直流光信号进行调制，使得所注入直流光信号的幅度呈周期性线性变化，并使得幅度变化周期(即单周期振荡频率随时间线性变化的周期)与反馈环路的延时量相匹配(即光电反馈环路的延时量为直流光信号幅度线性变化周期的整数倍)，则此时下路光电探测器的输出即为具有高精细度梳齿的微波频率梳信号。调节相应参数便可以很方便地对所产生微波频率梳信号的梳齿间距、带宽及中心频率进行调谐。

根据上述思路即可得到本发明微波频率梳生成装置，其基本结构如图1所示，包括：

光注入模块，用于生成幅度可调制且幅度调制周期可调的直流光信号；

半导体激光器，含射频调制端口，其可工作在单周期振荡态；

光环行器，其包括沿光传输方向依次相邻排布的第一～第三端口，第一～第三端口分别与光注入模块的输出端、半导体激光器的输出端、光分束器的输入端连接；

光分束器，用于将光环行器第三端口输出光信号分成上下两路；

光电延时反馈模块，其输入端、输出端分别连接所述光分束器的上路输出端、所述半导体激光器的射频调制端口，用于对所述光分束器上路输出光信号进行光电转换和延时、放大后作为反馈信号重新调制到所述半导体激光器上；

光电探测器，用于将所述光分束器下路输出光信号转换为微波信号。

优选地，所述光注入模块包括：

光源，用于产生直流光信号；

光幅度控制器，其光信号输入端、输出端分别与光源、光环行器的第一端口连接，用于调制光源所产生直流光信号的幅度；

控制信号产生器，其输出端与光幅度控制器的控制信号输入端连接，用于产生驱动光幅度控制器所需的控制信号。

进一步地，所述光注入模块还包括连接于光幅度控制器的输出端与光环行器的第一端口之间的偏振控制器，其用于对光幅度控制器所输出的幅度调制直流光信号的偏振态进行控制。

优选地，所述光幅度控制器为电光幅度调制器，或电光马赫曾德尔调制器，或电光偏振调制器，或电吸收调制器。

优选地，所述光电延时反馈模块包括：

光电探测器，用于光电转换；

延时线，用于在光域或在电域对所传输信号进行延时；

放大器，用于在光域或在电域对所传输信号进行放大。

为了便于公众理解，下面以本发明微波频率梳生成装置的一个优选实施例来对本发明技术方案进行进一步详细说明。

图2显示了本发明微波频率梳生成装置一个优选实施例的具体结构，其包括：光注入模块、半导体激光器、光环行器、光分束器、光电延时反馈模块，光电探测器。

如图2所示，本实施例中的光注入模块包括：可产生直流光信号的激光器1、光幅度控制器、控制信号发生器。所述光幅度控制器的光信号输入端与激光器1连接，用于调制激光器1所产生直流光信号的幅度；该光幅度控制器为可通过电控制信号对输入光信号的幅度进行控制的电光器件，例如可以采用现有的电光幅度调制器、电光马赫曾德尔调制器、电光偏振调制器、电吸收调制器等。控制信号发生器的输出端与光幅度控制器的控制信号输入端连接，用于产生驱动光幅度控制器所需的电控制信号。通过设置合适的控制信号发生器输出电控制信号，可驱动光幅度控制器将直流光信号的幅度调制为随时间呈线性变化且变化周期可调的信号。考虑到所注入直流光信号的偏振态对于注入效率有一定影响，为了获得最大的注入效率，本实施例中还在光幅度控制器的输出端增设了一个偏振控制器，可利用该偏振控制器对所注入直流光信号的偏振态进行调节，以获得最大的注入效率。

本实施例中的激光器2为可工作于单周期振荡态的半导体激光器。

本实施例中的光环行器为三端口光环行器(需要说明的是，更多端口的光环行器同样可以使用)，如图2所示，其端口1连接光注入模块的输出端(本实施例中即为偏振控制器的输出端)，端口2连接激光器2的输出端，端口3连接光分束器的输入端。

本实施例中的光分束器输入端连接光环形器的端口3，两个输出端分别连接光电延时反馈模块的输入端(本实施例中即为光纤延迟线的输入端)和光电探测器2的输入端。光电探测器2的输出端连接微波放大器2(对光电探测器2的输出信号进行放大)的输入端，微波放大器2的输出端即为整个微波频率梳生成装置的输出端。

如图2所示，本实施例中的光电延时反馈模块包括：光纤延迟线，光电探测器1，微波放大器1。其中一定长度的光纤延迟线(普通单模光纤即可)提供一定的反馈延时量，使得反馈环路内产生一系列均匀分布的纵模，且纵模模式间隔等于反馈环路延时量的倒数。其输入端与光分束器的一个输出端连接，输出端与光电探测器1的输入端连接。光电探测器1用于将延时后的光信号转换成微波信号，其输出端与微波放大器1的输入端连接。微波放大器1，其输入端与光电探测器1的输出端连接，输出端与半导体激光器的射频调制端口连接，用于放大光电探测器输出的微波信号，提供足够的反馈信号功率。需要说明的是，其中延时、放大可在光电转换之前或之后进行，即延时、放大可在光域或者电域实现，例如，可先通过光电探测器进行光电转换，然后对转换后微波信号进行延时，最后对微波信号进行放大；或者，先对光信号进行放大，然后进行延时，最后进行光电转换。

利用该装置生成微波频率梳信号的过程具体为：激光器1产生频率为f_m的直流光信号输入光幅度控制器；同时控制信号发生器产生控制信号C(t)驱动光幅度控制器；光幅度控制器输出的直流光信号经过偏振控制器后输入到光环行器的端口1；激光器2在自由运行时其输出频率为f_s，激光器1与激光器2的频率失谐为f_i(f_i＝f_m-f_s)；激光器2的输出与光环行器的端口2相接，即直流光信号注入到激光器2中；注入强度通常用注入参数ξ表征，ξ的定义为注入激光器2的光功率与激光器2自由运行输出光功率比值的平方根；偏振控制器用于控制所注入直流光信号的偏振态以获得最大的注入效率；光环行器的端口3将激光器2的输出光信号通过光分束器分成上下两路，一路光信号送入光纤延时线，此路光信号在获得一定延时量后送入光电探测器1实现光电信号转换，光电探测器1产生的电信号经微波放大器1放大后反馈调制到激光器2的射频输入端，实现光电延时反馈。通过引入此光电延时反馈环路，可使得反馈环路内产生一系列均匀分布的纵模，且其模式间隔f_d等于反馈环路延时量T_D的倒数1/T_D。光分束器的另一路输出端连接光电探测器2的输入端，光电探测器2实现光电信号转换后，把电信号送入微波放大器2的输入端，微波放大器2放大此电信号后输出电信号，此信号即是整个装置的输出信号；通过设置合适的注入参数ξ和/或激光器1与激光器2间的频率失谐f_i，使得所述直流光注入下的激光器2工作在单周期振荡态。光电探测器2输出的微波信号频率即单周期振荡频率f_o，其在很大范围内与注入参数ξ成线性关系；设置控制信号C(t)，使得所述注入直流光信号的幅度随时间周期(周期为T)线性变化，且使得所述注入直流光信号的幅度变化周期与反馈环路的延时相匹配(即反馈环路的延时T_D是控制信号周期T的整数倍)，此时，光电反馈环路中某一特定纵模频率经过光电延时后重新调制到半导体激光器上，形成光电反馈环路，当刚好与此时半导体激光器单周期振荡频率一致时，能得到反馈增强。而此时其它纵模则不满足匹配条件。因此，当控制信号使得单周期振荡频率随时间周期性的线性变化时，本装置能够产生一系列相位关系固定的频率分量，且频率间隔为光电反馈环路中的纵模间隔，该信号即为微波频率梳信号。

当所使用光幅度控制器的幅度传递函数为理想的线性函数时，控制信号C(t)采用锯齿波信号即可产生微波频率梳信号；当光幅度控制器的幅度传递函数不是理想的线性函数时，需根据光幅度控制器的幅度传递函数对控制信号C(t)进行相应修正以产生微波频率梳信号。

进一步地，改变控制信号C(t)的幅度能够改变所述注入参数ξ的变化范围，进而能够改变所产生微波频率梳信号的带宽；改变控制信号C(t)的周期T及相应反馈环路的延时T_D能够改变所产生微波频率梳信号的梳齿间距；改变未加控制信号C(t)时的初始注入参数ξ及激光器1与激光器2的频率失谐f_s可改变所产生微波频率梳信号的工作频段或中心频率。

为了加深公众理解，下面对本发明的技术原理进行进一步说明：

激光器1产生的直流光信号为E₁(t)＝E_mexp(j2πf_mt)，其中E_m为幅度，f_m为频率。该直流光信号输入到光幅度控制器，这里以马赫曾德尔调制器为例，马赫曾德尔调制器的驱动信号为控制信号发生器产生的控制信号C(t)。光幅度控制器输出的直流光信号经过偏振控制器后输入到光环行器的1端口；激光器2是自由运行(无光注入)时输出频率为f_s的半导体激光器，其自由运行时光信号表示为E₂(t)＝E_sexp(j2πf_st)，其中E_s为幅度，f_s为频率。激光器1与激光器2的频率失谐为f_i(f_i＝f_m-f_s)；激光器2的输出与光环行器的2端口相接，即所述直流光信号注入到激光器2中；所述偏振控制器用于控制所述注入直流光信号的偏振态以获得最大的注入效率；注入强度用注入参数ξ表征，ξ定义为注入激光器2的光功率与激光器2自由运行时输出光功率比值的平方根，即

其中P_inj和E_inj分别是经过光环行器2端口注入到激光器2的光信号的功率和幅度，P_s是激光器2自由运行时的输出功率；所述光环行器的3端口输出端连接光分束器的输入端，光分束器将输入光信号分成上下两路。一路光信号送入光纤延时线，光信号在获得一定延时量后送入光电探测器1实现光电信号转换，光电探测器1产生的电信号经微波放大器1放大后反馈调制到激光器2的射频输入端，实现延时反馈。通过引入此光电延时反馈环路，可使得反馈环路内产生一系列均匀分布的纵模，且其模式间隔f_d等于反馈环路延时量T_D的倒数1/T_D。

光分束器的另一路输出端连接光电探测器2的输入端，光电探测器2实现光电信号转换后，把电信号送入微波放大器2的输入端，微波放大器2放大此电信号后输出电信号，此信号即是整个装置的输出信号；通过设置合适的注入参数ξ和/或激光器1与激光器2间的频率失谐f_i，使得所述直流光注入下的激光器2工作在单周期振荡态。此时激光器2输出的光信号中包含两个主要的光波长，分别是再生的光注入波长f_m和红移的腔模式波长f_s’。该双波长信号经过光环行器3端口输入到光分束器，然后输入到光电探测器2中，光电探测器2实现光电转换后输出的微波信号的频率即单周期振荡频率为f_o(f_o＝f_m-f_s’)，f_o在很大范围内与注入参数ξ成线性关系。设置控制信号C(t)，使得所述注入直流光信号的幅度随时间周期(周期为T)线性变化，因为本实施例中所使用的光幅度控制器(马赫曾德尔调制器)的幅度传递函数为非理想的线性函数，所以需根据光幅度控制器的幅度传递函数对控制信号C(t)进行相应修正。修正后的控制信号时域波形如图3。调节马赫曾德尔调制器的偏置电压对应于强度调制传递函数的正交点以获得较好的调制线性度及线性动态范围。最终实现所述直流光信号的幅度随时间线性周期变化，即注入参数ξ及相应的单周期振荡频率随时间线性周期变化。设置控制信号周期与反馈环路的延时相匹配(即反馈环路的延时T_D是控制信号周期T的整数倍)。相应的，光注入条件下半导体激光器的单周期振荡频率随时间线性变化的周期与反馈环路的延时相匹配，此时，某一特定纵模频率经过光电延时后重新调制到半导体激光器上，形成光电反馈环路，当刚好与此时半导体激光器单周期振荡频率一致时，能得到反馈增强。而该时刻其它纵模则不满足匹配条件。因此，当控制信号使得单周期振荡频率随时间周期性的线性变化时，本装置能够产生一系列相位关系固定的频率分量，且频率间隔是反馈环路纵模间隔f_d，该信号即为微波频率梳信号。

根据上述分析可以看出，改变控制信号的幅度能够改变所述注入参数ξ的变化范围，进而能够改变所产生微波频率梳信号的带宽；改变控制信号C(t)的周期T及相匹配的环路反馈延时量T_D能够改变所产生微波频率梳信号的梳齿间隔；改变未加控制信号C(t)时注入参数ξ的初始值及激光器1与激光器2的波长失谐f_i可改变所产微波频率梳信号的工作频段或中心频率。

根据上述理论分析可知，本发明能产生高载波频率、大带宽的微波频率梳信号，并且带宽、梳齿间隔、中心频率均可调谐。

为了验证本发明技术方案的效果，进行了实验验证。实验中激光器1的波长固定为1553.304nm，激光器2为商用分布式反馈半导体激光器，实验中偏置电流设在在31.7mA时自由运行的波长和功率分别为1553.321nm和5.62dBm，实验中控制信号产生器产生的周期控制信号频率为27.1MHz(周期36.9ns)，幅度约为0.8V。图3是测得的控制信号的波形。图4为在控制信号作用下，微波频率梳产生装置产生的微波频率梳信号的频谱图，该微波频率梳的频率范围约为12.5-14.3GHz，中心频率为13.4GHz，图5为频谱图局部放大图(Span 200MHz)，所产生的梳齿间隔为27.1MHz，对应反馈延时量即为36.9ns。即控制信号的周期与反馈延时环路的延时量相同。

该试验充分验证了本发明技术方案所具有的优异效果，其不但可产生高频(数GHz至数十GHz)、大带宽(数GHz以上)、梳齿间隔高精细(MHz量级)的微波频率梳信号，同时，所生成微波频率梳信号的梳齿间隔、带宽及中心频率均可调谐；此外，本发明还具有实现简单、实现成本低廉的优点。