阅读说明：本技术 一种基于激光器相控阵列的线性啁啾微波信号产生装置 (Linear chirp microwave signal generating device based on laser phased array ) 是由 李念强 张仁恒 周沛 于 2020-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明属于微波光子技术领域,为解决现有微波信号产生装置输出功率不高的问题公开了一种基于激光器相控阵列的线性啁啾微波信号产生装置,包括：外部光源激光器、光衰减器、第一偏振控制器、强度调制器、波形发生器、第二偏振控制器、光环行器、激光器相控阵列和光电二极管。激光器相控阵列由多个节点激光器集成,外部光信号只注入到激光器相控阵列中的一个节点激光器,在适当的注入功率下,激发激光器相控阵列的单周期振荡输出,激光器相控阵列中的所有节点激光器间采用负折射率引导和增益引导的波导结构,使得具有相同的振荡频率和相位,实现了输出功率增强；具有高度集成性、高功率化及产生多路并行的同频同相线性啁啾微波信号的优点。(The invention belongs to the technical field of microwave photon, and discloses a linear chirp microwave signal generating device based on a laser phased array, which aims to solve the problem that the output power of the existing microwave signal generating device is not high, and comprises: the device comprises an external light source laser, an optical attenuator, a first polarization controller, an intensity modulator, a waveform generator, a second polarization controller, an optical circulator, a laser phased array and a photodiode. The laser phased array is integrated by a plurality of node lasers, external optical signals are only injected into one node laser in the laser phased array, single-period oscillation output of the laser phased array is excited under proper injection power, and a waveguide structure with negative refractive index guide and gain guide is adopted among all the node lasers in the laser phased array, so that the laser phased array has the same oscillation frequency and phase, and output power enhancement is realized; the method has the advantages of high integration, high power and capability of generating multi-path parallel same-frequency same-phase linear chirp microwave signals.)

一种基于激光器相控阵列的线性啁啾微波信号产生装置

技术领域

本发明涉及微波光子技术和雷达领域，具体涉及基于光注入激光器相控阵列的线性啁啾微波信号产生装置。

背景技术

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质实现激光输出的器件。它体积小、寿命长，并采用简单的注入电流的方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。由于这些优点，半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面得到了广泛的应用。线性啁啾波形是雷达最常用的发射信号波形，能够通过脉冲压缩技术来提高雷达的探测距离及探测精度。近年来，随着光子学技术的发展，研究人员开始用半导体激光器等光子学器件代替传统的电子器件来产生线性啁啾微波信号，从而解决电子器件在中心频率和带宽方面具有的局限性。例如：基于扫频光电振荡器的线性啁啾微波信号产生方案(参见[P. Zhou， F. Zhang， and S. Pan， “Generation of linearfrequency-modulated waveforms by a frequency-sweeping optoelectronicoscillator，” Journal of Lightwave Technology 36(18)， 3927-3934 (2018).])；基于双极化平行马赫-曾德尔调制器的产生方案(参见[P. Li， L. Yan， J. Ye， X. Zou， B.Luo， and W. Pan， “Photonic approach for the generation of switchable down-，up-， and dual-chirped linear frequency-modulated microwave signals，” OpticsLetters 45(7)， 1990-1993 (2020).])。这些方案都是使用半导体激光器来产生线性啁啾微波信号。一般情况下，半导体激光器温度越高，波长越长，但这也会导致发光强度减小。

因此多数半导体激光器的驱动电流限制在20 mA左右，其输出功率在几十mW左右。随着现代通信对于激光器输出功率的要求越来越高，单个半导体激光器已越来越不能满足输出功率的要求。通过波导耦合技术，将多个激光器集成在一起形成线阵或者面阵，可以到达几kW的光功率输出。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于激光器相控阵列的线性啁啾微波信号产生装置及方法，以解决现有常用方法呈现的缺点—（1）单个半导体激光器输出功率不高，（2）分立激光器系统尺寸过大，能耗过高。基于相控阵列的优势，本装置还具有可实现多路并行的同频同相信号输出的特点。

本发明提供了一种基于激光器相控阵列的线性啁啾微波信号产生装置，包括：外部光源激光器、光衰减器、第一偏振控制器、强度调制器、波形发生器、第二偏振控制器、光环行器、激光器相控阵列和光电二极管；其中：所述的激光器相控阵列由在特定平面波导耦合下的多个节点激光器封装集成，所述外部光源激光器、光衰减器、第一偏振控制器、强度调制器、第二偏振控制器通过光纤顺次相连；波形发生器的输出端通过射频线连接于强度调制器的射频端；第二偏振控制器的输出端连接到光环形器的第一个端口；激光器相控阵列的输出端连接到光环形器的第二个端口；光环器的第三个端口与光电二极管相连接；线性啁啾微波信号从光电二极管的输出端导出。

阵列中的节点激光器通过渐逝场耦合的方式连接在一起，渐逝场耦合是通过周期性改变折射率的实部， 使阵列运行时每个单元光场的峰值分布在低折射率区。因此每个发光单元的输出光束之间能够具有相干性，即实现位相的锁定，这样就可以得到相干光输出，不仅光束质量得到改善，而且输出相干能量也会得到集中和增大。激光器相控阵列是由特定平面波导结构实现耦合的多个节点激光器生长并封装在一起的集成器件。外部光信号只注入到激光器相控阵列中的一个节点激光器，在适当的注入功率下，激发激光器相控阵列的单周期振荡输出，激光器相控阵列中的所有节点激光器间采用负折射率引导和增益引导的波导结构，使得它们具有相同的振荡频率和相位，因此可实现输出功率增加。对注入光信号进行强度调制，经光电转换后可以获得线性啁啾微波信号。通过外部耦合选择输出，可实现多路线性啁啾信号的同时产生。

更进一步的方案为：节点激光器间距为1 μm~100 μm。

更优方案为：所述外部光源激光器的发射频率大于激光器相控阵列的总电场自由谐振频率，即正频率失谐；外部光源激光器只注入激光器相控阵列中的一个节点激光器，激光器相控阵列中的其余节点激光器与被注入的节点激光器保持相同频率偏置，频率偏置大小与失谐频率大小相等。

更优方案为：所述外部光源激光器注入激光器相控阵列中的一个节点激光器，该节点激光器呈现出单周期振荡态，激光器相控阵列中其余所有节点激光器均被激发为单周期振荡态，激光器相控阵列中的所有节点激光器振荡频率及相位均相同。

更优方案为：波形发生器产生的类锯齿波波形输入到强度调制器上对外部光源激光器输出的光信号进行强度调制，激光器相控阵列输出的光信号经光电二极管完成光电转换，产生线性啁啾微波信号。

本发明提出的一种基于激光器相控阵列的线性啁啾微波信号产生装置，与当前技术比较，具有以下优点：

1、本装置具有高度可集成性。所述激光器相控阵列是由在特定平面波导耦合下的多个激光器封装集成，各激光器节点间距为1 μm~100 μm，尺寸远小于当前分立激光器器件。

2、本装置具有高功率化及多路并行。只需注入到激光器相控阵列中的一个节点激光器，便可实现阵列中所有节点激光器同频同相振荡行为，不仅激光器相控阵列的输出功率远高于单一半导体激光器的输出功率，而且可以产生多路并行的同频同相线性啁啾微波信号。

附图说明如下：

图1为本发明提供的基于激光器相控阵列的线性啁啾微波信号产生装置示意图；

图2为节点激光器a输出的光谱图；

图3为节点激光器b输出的光谱图；

图4为输出的单频微波信号频谱图；

图5为输出的线性啁啾微波信号的时域波形图；

图6为输出的线性啁啾微波信号的时间-频率图；

其中：1-外部光源激光器、2-光衰减器、3-第一偏振控制器、4-强度调制器、5-波形发生器、6-第二偏振控制器、7-光环行器、8-激光器相控阵列、9-光电二极管。

具体实施方式

如附图1所示，是本发明的基于激光器相控阵列的线性啁啾微波信号产生装置系统框图。该装置能产生线性啁啾微波波形，线性啁啾微波波形的带宽达3 GHz，时宽达1 μs。

在图1中，包括：外部光源激光器1、光衰减器2、第一偏振控制器3、强度调制器4、波形发生器5、第二偏振控制器6、光环行器7、激光器相控阵列8和光电二极管9，其中：所述的激光器相控阵列8由多个节点激光器封装集成，所述外部光源激光器、光衰减器2、第一偏振控制器3、强度调制器4、第二偏振控制器6通过光纤顺次相连；波形发生器5的输出端通过射频线连接于强度调制器的射频端；第二偏振控制器6的输出端连接到光环形器7的第一个端口；激光器相控阵列8的输出端连接到光环形器7的第二个端口；光环器7的第三个端口与光电二极管9相连接；线性啁啾微波信号从光电二极管9的输出端导出。

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激光器相控阵列的线性啁啾微波信号产生装置的具体工作过程如下：

本发明主要基于外部光注入到激光器相控阵列的光注入结构来激发激光器相控阵列8的单周期振荡非线性动力学状态。设置外部光源激光器的发射频率大于激光器相控阵列8的总电场自由谐振频率，即正频率失谐，外部光源激光器只注入激光器相控阵列8中的一个节点激光器，激光器相控阵列8中的其余节点激光器与被注入的节点激光器保持相同频率偏置，频率偏置大小与失谐频率大小相等。调节光衰减器2控制注入光信号的强度大小，在合适的注入功率范围内，激光器相控阵列8中所有节点激光器都实现单周期振荡非线性动力学输出，并且振荡频率都相同，由光电二极管9完成光电转换后，产生单频微波信号。在此基础上，波形发生器5输出类锯齿波的波形信号，该波形信号调制到强度调制器4上对外部光源激光器1的输出光进行强度调制。光电二极管9输出的单频微波信号转变为线性啁啾微波信号。通过调节外部光源激光器发射的频率，可以改变产生的线性啁啾微波信号频率范围；通过调节波形发生器5输出波形的幅度，可以改变产生的线性啁啾微波信号的带宽；通过调节波形发生器5输出波形的时间周期，可以改变产生的线性啁啾微波信号的时间周期。

以两个节点激光器封装成的激光器相控阵列8为例，对本发明装置产生线性啁啾微波信号的效果进行说明：

激光器相控阵列8中的两个节点激光器分别为节点激光器a与节点激光器b，外部光源激光器发射的光信号只注入到节点激光器a中，节点激光器b不受注入。其中节点激光器a的发射频率为230.6096 THz，外部光源激光器的发射频率比节点激光器a高15 GHz，即外部光源激光器与节点激光器a之间的频率失谐为15 GHz，节点激光器b的发射频率比节点激光器a的发射频率高15 GHz，即节点激光器b与节点激光器a之间的频率偏置为15 GHz。在适当的注入功率下，激光器相控阵列8工作在单周期振荡态。图2是节点激光器a的光谱图；图3是节点激光器b的光谱图。可以看出，节点激光器a与节点激光器b振荡频率相同。由光电二极管9完成光电转换后，产生单频微波信号。图4是单频微波信号的频谱图。波形发生器5输出频率为1 MHz的类锯齿波形信号，光电二极管9输出的单频微波信号转变为线性啁啾微波信号。图5为线性啁啾微波信号的时域波形图；图6为线性啁啾微波信号的时间-频率图。可以看出，在1 μs的周期内线性啁啾微波信号的频率随着时间线性增加。因此，本发明通过采用上述技术方案，可获得线性啁啾微波信号。因此具有高度集成性、高功率化及产生多路并行的同频同相线性啁啾微波信号的优点。

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之内。