一种基于垂直腔面发射激光器的微波频率梳的产生方法
阅读说明：本技术 一种基于垂直腔面发射激光器的微波频率梳的产生方法 (Method for generating microwave frequency comb based on vertical cavity surface emitting laser ) 是由 庞海越 樊亚仙 陶智勇 李沼云 刘欢 邹梦强 马静 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于垂直腔面发射激光器的微波频率梳的产生方法,该方法是利用在光电反馈作用下垂直腔面发射激光器呈现出的非线性动力学特性,通过调节光电反馈系统中的光电反馈强度和光电反馈时间,同时产生两路功率均衡、梳线纯净、超宽带、光信号和电信号两种形式、偏振方向正交的线性偏振微波频率梳；光电反馈系统由依次连接的垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光隔离器(OI)、可变光衰减器(VOA)、光分束器(FC)、单模光纤(SMF)、光电探测器(PD)、电放大器(EA)和电耦合器(EC)组成；该方法获得微波频率梳具有功率均衡、梳线纯净、超宽带、偏振方向正交等优点,能够满足更多领域的应用需求。(The invention discloses a method for generating a microwave frequency comb based on a vertical cavity surface emitting laser, which utilizes the nonlinear dynamic characteristics of the vertical cavity surface emitting laser under the action of photoelectric feedback, and simultaneously generates two paths of linear polarization microwave frequency combs with balanced power, pure comb lines, ultra wide bands, two forms of optical signals and electric signals and orthogonal polarization directions by adjusting the photoelectric feedback intensity and the photoelectric feedback time in a photoelectric feedback system; the photoelectric feedback system consists of a Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL), an Optical Isolator (OI), a Variable Optical Attenuator (VOA), an optical beam splitter (FC), a Single Mode Fiber (SMF), a Photoelectric Detector (PD), an Electric Amplifier (EA) and an Electric Coupler (EC) which are connected in sequence; the microwave frequency comb obtained by the method has the advantages of balanced power, pure comb lines, ultra wide band, orthogonal polarization direction and the like, and can meet application requirements of more fields.)
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，具体是一种基于垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)的微波频率梳的产生方法。
背景技术
微波频率梳(MFC)指的是在频域上由一系列如同梳子一样等间隔分布的频率分量组成的微波信号。相对于单频的微波信号而言，MFC具有谱线数目多、频率范围广、谱线间隔均衡，既可提供多频微波信号，又可提供单频微波信号等优势，因而在雷达探测、光纤无线混合通信、卫星通信、抗干扰测试、频率与距离测量等领域具有广泛的应用前景。
近年来，国内外学者相继提出了许多产生MFC的技术方案，主要包括电学和光学两大类方法。传统的电学微波频率梳的产生方法由于受电子器件的带宽限制，所产生的MFC信号存在高次谐波幅度急剧减小、带宽较小等缺陷。因此，通过电学方法难以获得功率均衡、超宽带MFC的信号，难以满足一些应用领域的需求。基于光学方法产生MFC能够克服电学方法中电子器件的带宽限制，可产生功率均衡、超宽带的MFC信号，因此受到了人们的广泛关注。目前报道的利用光学方法产生MFC的技术方案主要有以下两种：(1)利用扫描隧道显微镜隧道结的非线性效应获取MFC。如2011年，M.J.Hagmann和A.Efilmov等人，在AppliedPhysics Letters上发表文章“Microwave frequency-comb generation in a tunnelingjunction by intermode mixing of ultrafast laser pulses.”，提出了一种采用15fs的超快光脉冲去激射隧道显微镜的隧道结的技术方案，实验获得了梳距为74.25MHz、带宽约为1GHz的MFC信号，且该MFC中的基频信号的典型输出功率为-146dBm。(2)利用光电探测器(PD)转换光学频率梳进而获取MFC。如，2015年，W.T.Wang和J.G.Liu等人，在OpticsCommunications发表文章“Multi-band local microwave signal generation based onan optical frequency comb generator.”，提出了一种将光边带注入锁定下的光学频率梳经过PD转换后产生MFC的技术方案，实验获得了梳距为5GHz、带宽约为40GHz的MFC。采用以上两种光学方法产生微波频率梳的技术方案具有独特的优势，但是其缺点也比较突出，如所获得的微波频率梳存在梳距不可调、频率抖动、相噪较大等缺陷。除了以上两种方法以外，近年来，利用外部扰动下半导体激光器呈现的非线性动力学来产生MFC信号的相关研究引起了人们的广泛关注。如2015年，M.R.Zhao和Z.M.Wu等人在Chinese Physics B上发表文章“Tunable and broadband microwave frequency combs based on a semiconductorlaser with incoherent optical feedback.”，提出了利用非相干光反馈半导体激光器的非线性动态产生超宽带MFC的全光方案，理论上可获得幅度在±5dB范围内变化的40GHz带宽的MFC。2017年L.Fan和G.Q.Xia等人，在IEEE Access上发表文章“Tunable ultra-broadband microwave frequency combs generation based on a current modulatedsemiconductor laser under optical injection.”，提出了一种基于光注入下电流调制分布式反馈半导体激光器产生可调谐超宽带微波频率梳的技术方案。
此外，近些年发表的微波频率梳的产生方法的专利也有很多，如2014年，中国人民解放军理工大学张宝富等人发表专利《光电振荡器产生光学频率梳的装置与方法》(专利公开号CN104092491A)提出了一种采用光电振荡器产生光学频率梳的装置与方法。2015年西南大学邓涛等人发表专利《全光宽带微波频率梳发生器》(专利公开号CN104577648A)提出了一种基于分布式反馈半导体激光器的全光宽带微波频率梳发生器。2017年西南大学的樊丽等人发表了专利《基于半导体激光器的可调谐超宽带微波频率梳的产生方法》(专利公开号CN106981814A)，提出了一种采用可调激光源输出的连续光注入到电流调制的半导体激光器中，利用光注入引起的带宽增强效应，促使半导体激光器产生优质可调谐超宽带微波频率梳。以上的技术方案和装置各有优点，可应用诸多领域。但是所采用的激光器都是边发射的分布式反馈激光器，而采用垂直腔面发射激光器来产生微波频率梳的方法及装置甚少。相对于边发射半导体激光器而言，垂直腔面发射激光器具有阈值电流低、光纤耦合效率高、动态单纵模输出、制作成本低以及易于集成高密度二维阵列等独特的优势。近年来，利用垂直腔面发射激光器来产生微波频率梳的专利也有报道。如2015年，邓涛等人发表专利《一种基于光电反馈VCSEL的双路微波频率梳发生器》(CN 105006727B)，该发明利用光电反馈VCSEL产生两路微波频率梳，但是所用的VCSEL的波长位于第一损耗窗口短波长850nm，此外，光电反馈模块采用了非球面透镜、分束镜、半波片以及偏振分束镜等空间型光学元件，致使光路的调节比较繁琐。
因此，探究基于垂直腔面发射激光器产生优质的微波频率梳的新方法及装置，以满足更多领域的应用需求有着重要的意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有产生MFC技术的不足，提供一种基于垂直腔面发射激光器的微波频率梳的产生方法，以获取具有功率均衡、梳线纯净、超宽带、偏振方向正交等优点的线性偏振微波频率梳，使其能够满足更多领域的应用需求。
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于垂直腔面发射激光器的微波频率梳的产生方法，该方法是利用在光电反馈作用下垂直腔面发射激光器呈现出的非线性动力学特性，通过调节光电反馈系统中的光电反馈强度和光电反馈时间，同时产生两路功率均衡、梳线纯净、超宽带、光信号和电信号两种形式、偏振方向正交的线性偏振微波频率梳；
所述的光电反馈系统，由依次连接的垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光隔离器(OI)、可变光衰减器(VOA)、光分束器(FC)、单模光纤(SMF)、光电探测器(PD)、电放大器(EA)和电耦合器(EC)组成。
所述的光电反馈系统，是由VCSEL发出的激光依次经过OI、VOA、FC后，10％的光信号作为输出探测信号，输出90％的光信号经过SMF和PD后转换为电信号；电信号经过EA放大后通过EC后，20％的电信号作为输出探测信号，80％的电信号以非规则的电流扰动信号形式施加于VCSEL的偏置电流，使VCSEL的增益系数出现非规则变化，促使VCSEL呈现出非线性动力学行为，从而产生MFC。
所述的光电反馈作用，是利用将光信号转换为非规则的电流扰动信号后施加于VCSEL的偏置电流，促使VCSEL的增益系数出现非规则变化，导致VCSEL呈现出丰富的非线性动力学行为。
所述的超宽带，指的是功率在10dB幅度范围内带宽可达180GHz以上。
所述的光信号和电信号两种形式，是在光电反馈系统中分束器(FC)输出的10％的光信号为微波频率梳光信号形式；电耦合器(EC)输出的20％的电信号为微波频率梳电信号形式。
所述的VCSEL，中心波长为1550nm，通过调节1550nm VCSEL的温度及偏置电流可控制1550nm VCSEL输出偏振方向正交的两个线性x LP偏振模式和y LP偏振模式。
所述的光电反馈系统，通过调节OI来确保光路的单向传输；通过调节VOA来调控光电反馈系统的光电反馈强度；通过FC使光信号分为两部分；通过调节SMF来调控光电反馈时间；通过利用PD将光信号转换成电信号；通过采用EA来调控光电反馈***号的强度；通过使用EC将电信号分为两部分，其中20％的电信号作为输出探测光信号，80％的电信号电流扰动信号形式施加于垂直腔面发射激光器的偏置电流。
所述的FC，输出的10％的光信号作为输出探测光信号，90％的光信号用于光电反馈。
所述的EC，输出的20％的电信号作为输出探测光信号，80％的电信号电流扰动信号形式施加于垂直腔面发射激光器的偏置电流。
有益效果：本发明提供的一种基于垂直腔面发射激光器的微波频率梳的产生方法，由于光电反馈属于非相干反馈，其不受反馈外腔相位累积的影响，通过现有的电子技术可以非常便捷地进行有效的调控，近年已逐渐成为人们研究半导体激光器非线性动力学的有效方式之一。通过调节光电反馈强度及光电反馈时间，本发明可同时产生功率均衡、梳线纯净、超宽带、光信号和电信号两种形式、偏振方向正交的线性偏振微波频率梳(x LP MFC和y LP MFC)，该方法具有如下优点：
1、采用VCSEL及光电反馈环路相结合的方式产生微波频率梳；
2、结构简单、体积小、易于调控；
3、可产生功率在10dB幅度范围内带宽可达180GHz的超宽带微波频率梳；
4、可产生光信号和电信号两种形式的微波频率梳；
5、可同时产生两路偏振方向正交的线性偏振微波频率梳。
附图说明
图1为光电反馈系统的结构示意图，
图中：VCSEL为垂直腔面发射激光器，OI为光隔离器，VOA为可变光衰减器，FC为光分束器，SMF为单模光纤，PD为光电探测器，EA为电放大器，EC为电耦合器；
图2为VCSEL在自由运行时输出功率随归一化偏置电流μ的变化曲线图，实线曲线为x方向的线性偏振模式(x LP)，虚线曲线为y方向的线性偏振模式(y LP)；
图3为当归一化偏置电流μ＝7，光电反馈时间τ＝0.1ns，光电反馈系数ζ＝0.667时，VCSEL输出的功率谱图；其中图(a)为x方向线性偏振的微波频率梳(x LP MFC)，图(b)为y方向线性偏振的微波频率梳(y LP MFC)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
一种基于垂直腔面发射激光器的微波频率梳的产生方法，该方法是利用在光电反馈作用下垂直腔面发射激光器呈现出的非线性动力学特性，通过调节光电反馈系统中的光电反馈强度和光电反馈时间，同时产生两路功率均衡、梳线纯净、超宽带、光信号和电信号两种形式、偏振方向正交的线性偏振微波频率梳；
如图1所示，所述的光电反馈系统，由依次连接的垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光隔离器(OI)、可变光衰减器(VOA)、光分束器(FC)、单模光纤(SMF)、光电探测器(PD)、电放大器(EA)和电耦合器(EC)组成。
根据J.Martin-Regalado和F.Prati等人于1997年在IEEE J.Quantum Electron.上发表的文章“Polarization properties of vertical-cavity surface-emittinglasers.”中提出的自旋反转(SFM)模型的速率方程组，考虑在光电反馈作用下，VCSEL的两个正交偏振模式的速率方程可描述为：
上述公式中，下标x和y分别代表x LP模式和y LP模式，E表示光场的慢变复振幅，N表示VCSEL增益介质内导带和价带之间总的反转载流子密度。
所述的光电反馈系统，是由VCSEL发出的激光依次经过OI、VOA、FC后，10％的光信号作为输出探测信号，输出90％的光信号经过SMF和PD后转换为电信号；电信号经过EA放大后通过EC后，20％的电信号作为输出探测信号，80％的电信号以非规则的电流扰动信号形式施加于VCSEL的偏置电流，使VCSEL的增益系数出现非规则变化，促使VCSEL呈现出非线性动力学行为，从而产生MFC。
所述的光电反馈作用，是利用将光信号转换为非规则的电流扰动信号后施加于VCSEL的偏置电流，促使VCSEL的增益系数出现非规则变化，导致VCSEL呈现出丰富的非线性动力学行为。
所述的超宽带，指的是功率在10dB幅度范围内带宽可达180GHz以上。
所述的光信号和电信号两种形式，是在光电反馈系统中分束器(FC)输出的10％的光信号为微波频率梳光信号形式；电耦合器(EC)输出的20％的电信号为微波频率梳电信号形式。
所述的VCSEL，中心波长为1550nm，通过调节1550nm VCSEL的温度及偏置电流可控制1550nm VCSEL输出偏振方向正交的两个线性x LP偏振模式和y LP偏振模式。
所述的光电反馈系统，通过调节OI来确保光路的单向传输；通过调节VOA来调控光电反馈系统的光电反馈强度；通过FC使光信号分为两部分；通过调节SMF来调控光电反馈时间；通过利用PD将光信号转换成电信号；通过采用EA来调控光电反馈***号的强度；通过使用EC将电信号分为两部分，其中20％的电信号作为输出探测光信号，80％的电信号电流扰动信号形式施加于垂直腔面发射激光器的偏置电流。
所述的FC，输出的10％的光信号作为输出探测光信号，90％的光信号用于光电反馈。
所述的EC，输出的20％的电信号作为输出探测光信号，80％的电信号电流扰动信号形式施加于垂直腔面发射激光器的偏置电流。
本发明采用四阶龙格-库塔(Runge-Kutta)算法对上述公式(1)至公式(4)速率方程组进行数值求解，仿真中所用的时间序列长度为1000ns，计算步长为1ps，具体参数取值参考于2011年M.S.Torre和A.Hurtado发表在IEEE J.Quantum Electron.的文章“Polarization switching in long-wavelength VCSEL subject to orthogonaloptical injection.”，γN＝＝1ns-1，γp＝192.1ns-1，γa＝1ns-1，γs＝1000ns-1，α＝3，k＝300ns-1，βsp＝10-6，VCSEL在自由运行时的输出功率随归一化电流μ的变化曲线如图2所示，图2中实线代表x LP模式，虚线代表y LP模式。当归一化电流μ达到1之后，y LP模式开始激射，x LP处于被抑制状态；当归一化电流μ达到5.5之后，y LP模式和x LP模式出现偏振转换，x LP模式开始激射，y LP模式处于被抑制状态，在所考察的归一化偏置电流范围内(1<μ≤9)，通过调节VCSEL归一化偏置电流μ，可以改变VCSEL输出的y LP模式和x LP模式。
在图1所示的光电反馈环路系统中，通过调节VOA，可以对光电反馈强度进行调控；通过调节SMF的长度，可以改变光电反馈时间。当归一化偏置电流μ＝7，光电反馈时间τ＝0.1ns，光电反馈系数ζ＝0.667时，VCSEL输出的功率谱如图3所示，其中图(a)为x方向线性偏振的微波频率梳(x LP MFC)，图(b)为y方向线性偏振的微波频率梳(y LP MFC)，从图中可知，当μ＝7，τ＝0.1ns，ζ＝0.667时，VCSEL同时输出两路偏振方向正交的x LP MFC和y LPMFC，且在10dB幅度范围内，x LP MFC的带宽约为180GHz，y LP MFC的带宽约为130GHz。
综上所述，本发明可以同时产生两路梳线纯净、功率均衡、带宽可达180GHz(在10dB幅度范围内)、偏振方向正交的线性偏振微波频率梳。它既可以适用于低频段密集微波通信，也适用于高频段高速微波通信求，能够满足更多领域的应用需求，解决了目前微波技术的难题。