一种基于双光注入半导体激光器的微波频率梳产生装置
阅读说明：本技术 一种基于双光注入半导体激光器的微波频率梳产生装置 (Microwave frequency comb generating device based on double-light injection semiconductor laser ) 是由 周沛 李坤曦 李念强 杨闯 傅剑斌 刘世锋 于 2021-01-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于双光注入半导体激光器的微波频率梳产生装置,包括射频信号源、第一主激光器、第二主激光器,第一主激光器与第二主激光器远离射频信号源的另一端均设有光耦合器,光耦合器远离第一主激光器与第二主激光器的另一端设有光环行器,光环行器远离光耦合器的另外两端分别设有从激光器与光电探测器,第一主激光器、第二主激光器与光耦合器分别设有第一光衰减器、第一偏振控制器、第二光衰减器与第二偏振控制器。本发明的有益效果：核心部件为商用单模半导体激光器,具有结构简单、体积小、成本低的优点,所产生的微波频率梳具有带宽大、平坦度好、调谐灵活的优点,可产生更大带宽的微波频率梳的特点,成本低廉、易于实现。(The invention discloses a microwave frequency comb generating device based on a double-optical injection semiconductor laser, which comprises a radio frequency signal source, a first main laser and a second main laser, wherein optical couplers are respectively arranged at the other ends of the first main laser and the second main laser, which are far away from the radio frequency signal source, the other ends of the optical couplers, which are far away from the first main laser and the second main laser, are provided with optical circulators, the other two ends of the optical circulators, which are far away from the optical couplers, are respectively provided with a slave laser and a photoelectric detector, and the first main laser, the second main laser and the optical couplers are respectively provided with a first optical attenuator, a first polarization controller, a second optical attenuator and a second polarization controller. The invention has the beneficial effects that: the core component is a commercial single-mode semiconductor laser, the microwave frequency comb has the advantages of being simple in structure, small in size and low in cost, the generated microwave frequency comb has the advantages of being large in bandwidth, good in flatness and flexible in tuning, the microwave frequency comb with the larger bandwidth can be generated, and the microwave frequency comb is low in cost and easy to achieve.)
技术领域
本发明涉及通信、频率测量以及微波光子学技术领域，具体为一种基于双光注入半导体激光器的微波频率梳产生装置。
背景技术
随着信息产业的发展，对多频信号的需求变得越来越丰富。集成“雷达、通信、电子信息战”等各类功能的多功能射频系统，同时需要多个不同频率的微波本振信号以实现相应的射频功能，同时拥有着不同功能（预警、火控、导航）的多波段雷达通常工作在不同的频段，即同时需要多个不同频率的微波本振信号以产生相应不同波段的雷达发射波形，微波频率梳由一系列等频率间隔的微波信号组成，其拥有类梳齿的频谱结构，同时其大带宽的特性符合现阶段对多频信号的需求。由于传统电学元件带宽的限制，利用传统阶跃恢复二极管装置产生微波频率梳的发展遇到了瓶颈，限制了微波频率梳带宽的进一步提升(参见[Q. L. Li and W. S. Jiang, “Analysis and design of wide-band comb generatorbased on SRD”, 2012 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology(ICMMT), Shenzhen, 2012, pp. 1-3])，因此研究人员提出了多种基于光子技术的微波频率梳产生方案来克服这一电子瓶颈。基于光子技术的微波频率梳产生方案中较为经典的有利用超快激光脉冲聚集在扫描隧道显微镜的隧道节上产生微波频率梳(参见[M. J. Hagmann and F. S. Stenger, “Linewidth of the harmonics in a microwavefrequency comb generated by focusing a mode-locked ultrafast laser on atunneling junction”, J. Appl. Phys, vol. 114, no. 22, pp. 223107-223107-6.Dec. 2013])，但该方案中锁模激光器输出的脉冲重复频率决定了超快激光光栅的间距，导致微波频率梳的梳齿间距不能随意调节，利用负光电反馈激光器的谐波锁频状态产生微波频率梳(参见[S. C. Chan and G. Q. Xia, “Optical generation of a precisemicrowave frequency comb by harmonic frequency locking”, Opt. Lett, vol. 32,no. 13, pp. 1917-1919, Jul. 2007])，由于光电反馈环中的电子元件的带宽限制，产生的微波频率梳只有几GHz的带宽和很严重的非简谐峰刺。
目前，利用单光注入半导体激光器引起的带宽增强效应产生大带宽微波频率梳的方案已经有初步的研究（参见[X. Q. Xu and L. Fan, “Numerical investigation onultra-broadband tunable microwave frequency comb generation using asemiconductor laser under regular pulse injection”, IEEEE Access, vol. 6, pp.55284-55290, 2018]），但其基于单光注入半导体激光器产生微波频率梳的带宽很难进一步提升，在此基础上，提出利用双光注入半导体激光器引起的非线性混频效应扩展了在单光注入半导体激光器下产生微波频率梳带宽的方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双光注入半导体激光器的微波频率梳产生装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于双光注入半导体激光器的微波频率梳产生装置，包括射频信号源，所述射频信号源两端分别通过射频信号与第一主激光器、第二主激光器连接，所述第一主激光器与所述第二主激光器远离所述射频信号源的另一端均通过光缆与光耦合器连接，所述光耦合器远离所述第一主激光器与所述第二主激光器的另一端通过光缆与光环行器连接，所述光环行器远离所述光耦合器的另外两端分别通过光缆连接有从激光器与光电探测器，所述第一主激光器、所述第二主激光器与所述光耦合器连接的光缆上分别设有第一光衰减器、第一偏振控制器、第二光衰减器与第二偏振控制器。
优选的，所述射频信号源调制频率与调制深度用于使所述第一主激光器与所述第二主激光器输出一个微波频率梳的第一种子源与第二种子源。
优选的，所述第一种子源注入至所述从激光器中，利用单光注入引起的带宽增强效应，促使所述从激光器产生大带宽的微波频率梳。
优选的，所述第二种子源通过所述光耦合器与所述第一主激光器输出的所述第一种子源耦合，同时注入至所述从激光器中，利用双光注入引起的非线性混频效应拓展产生微波频率梳的带宽，得到超大带宽的微波频率梳。
优选的，所述第一主激光器与所述第二主激光器分别输出两个种子微波频率梳，且经过所述第一光衰减器、所述第一偏振控制器、所述第二光衰减器与所述第二偏振控制器，通过所述光耦合器进行耦合，然后经过所述光环行器注入至所述从激光器，形成双光注入系统。
优选的，通过调节所述第一主激光器、所述第二主激光器与所述从激光器的输出波长用于改变失谐频率Δf1与Δf2。
优选的，通过调节所述第一光衰减器与所述第二光衰减器用于改变光注入强度Kinj1与Kinj2。
优选的，通过调节所述第一偏振控制器与所述第二偏振控制器来匹配所述第一主激光器、所述第二主激光器和所述从激光器的偏振方向。
优选的，所述从激光器为单模半导体激光器，所述第一主激光器与所述第二主激光器均为单模激光源，其中所述第一主激光器的频率大于所述从激光器的频率且所述第二主激光器的频率小于所述从激光器的频率。
优选的，所述第一种子源与所述第二种子源中，种子微波频率梳为带宽较窄、梳齿的幅度平坦度值较大的微波频率梳。
有益效果
本发明所提供的基于双光注入半导体激光器的微波频率梳产生装置与现有的微波频率梳产生方案相比，核心部件为商用单模半导体激光器，具有结构简单、体积小、成本低的优点，所产生的微波频率梳具有带宽大、平坦度好、调谐灵活的优点，可产生更大带宽的微波频率梳的特点，成本低廉、易于实现。
附图说明
图1为本发明的整体结构平面示意图；
图2为基于单光注入半导体激光器的微波频率梳频谱图；
图3为基于双光注入半导体激光器的微波频率梳频谱图。
附图标记
1-射频信号源，2-第一主激光器，3-第二主激光器，4-第一光衰减器，5-第一偏振控制器，6-光耦合器，7-第二光衰减器，8-第二偏振控制器，9-光环行器，10-从激光器，11-光电探测器。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例
如图1所示，一种基于双光注入半导体激光器的微波频率梳产生装置，包括射频信号源1，射频信号源1两端分别通过射频信号与第一主激光器2、第二主激光器3连接，第一主激光器2与第二主激光器3远离射频信号源1的另一端均通过光缆与光耦合器6连接，光耦合器6远离第一主激光器2与第二主激光器3的另一端通过光缆与光环行器9连接，光环行器9远离光耦合器6的另外两端分别通过光缆连接有从激光器10与光电探测器11，第一主激光器2、第二主激光器3与光耦合器6连接的光缆上分别设有第一光衰减器4、第一偏振控制器5、第二光衰减器7与第二偏振控制器8。
优选的，射频信号源1调制频率与调制深度用于使第一主激光器2与第二主激光器3输出一个微波频率梳的第一种子源与第二种子源。
优选的，第一种子源注入至从激光器10中，利用单光注入引起的带宽增强效应，促使从激光器10产生大带宽的微波频率梳。
优选的，第二种子源通过光耦合器6与第一主激光器2输出的第一种子源耦合，同时注入至从激光器10中，利用双光注入引起的非线性混频效应拓展产生微波频率梳的带宽，得到超大带宽的微波频率梳。
优选的，第一主激光器2与第二主激光器3分别输出两个种子微波频率梳，且经过第一光衰减器4、第一偏振控制器5、第二光衰减器7与第二偏振控制器8，通过光耦合器6进行耦合，然后经过光环行器9注入至从激光器10，形成双光注入系统。
优选的，通过调节第一主激光器2、第二主激光器3与从激光器10的输出波长用于改变失谐频率Δf1与Δf2。
优选的，通过调节第一光衰减器4与第二光衰减器7用于改变光注入强度Kinj1与Kinj2。
优选的，通过调节第一偏振控制器5与第二偏振控制器8来匹配第一主激光器2、第二主激光器3和从激光器10的偏振方向。
优选的，从激光器10为单模半导体激光器，第一主激光器2与第二主激光器3均为单模激光源，其中第一主激光器2的频率大于从激光器10的频率且第二主激光器3的频率小于从激光器10的频率。
优选的，第一种子源与第二种子源中，种子微波频率梳为带宽较窄、梳齿的幅度平坦度值较大的微波频率梳。
采用射频信号源去调制主激光器的驱动电流，通过调节射频信号源输出信号的调制频率和调制深度，使第一主激光器输出一个微波频率梳的种子源；将产生的种子微波频率梳注入到从激光器，利用单光注入引起的带宽增强效应，促使从激光器产生大带宽的微波频率梳；同时引入第二主激光器，采用与调制第一主激光器相同的射频信号源去调制第二主激光器，使第二主激光器输出一个微波频率梳的种子源；将产生的种子微波频率梳通过光耦合器与第一主激光器输出的种子微波频率梳耦合，同时注入到从激光器，利用双光注入引起的非线性混频效应可以有效拓展产生微波频率梳的带宽，得到超大带宽的微波频率梳。在单光注入半导体激光器的微波频率梳产生方案中，得到了带宽为72.6 GHz(在10dB幅度平坦度内)水平的大带宽微波频率梳；引入第二主激光器后，在双光注入半导体激光器的微波频率梳产生方案中最终得到了在6.6 GHz到125.4 G Hz频率范围内的功率均衡、频率稳定、带宽达118.8 GHz(在10 dB幅度平坦度内)水平的超大带宽微波频率梳。
进一步阐述：
第一主激光器、第二主激光器和从激光器的参数设置如下：第一主激光器、第二主激光器和从激光器自由运行时的阈值电流均为9.8 mA；第一主激光器和第二主激光器的偏置电流均控制在25 mA，弛豫振荡频率为8.2 GHz。；通过调节射频信号源输出信号的调制频率为3.3 GHz，调制深度为0.92(调制深度=调制电流/激光器偏置电流)，使第一主激光器输出一个微波频率梳的种子源；将产生的种子微波频率梳注入到从激光器，利用单光注入引起的带宽增强效应，促使从激光器产生大带宽的微波频率梳，产生了带宽为72.6 GHz(在10dB幅度平坦度内)水平的大带宽微波频率梳；同时引入第二主激光器，采用与调制第一主激光器相同的射频信号源(调制频率为3.3 GHz，调制深度为0.92)去调制第二主激光器，使第二主激光器输出一个微波频率梳的种子源；将产生的种子微波频率梳通过光耦合器与第一主激光器输出的种子微波频率梳耦合，同时注入到从激光器，利用双光注入引起的非线性混频效应可以有效拓展产生微波频率梳的带宽，得到超大带宽的微波频率梳；通过调节第一主激光器和第二主激光器相对于从激光器的失谐频率以及第一主激光器和第二主激光器注入到从激光器的注入强度，可以优化从激光器输出的微波频率梳的带宽。结果表明，调节第一主激光器和第二主激光器失谐频率为Δf1=39 GHz和Δf2=-79.8 GHz，调节第一主激光器和第二主激光器注入到从激光器的注入强度为Kinj1=2和Kinj2=0.6，可以得到在6.6GHz到125.4 GHz频率范围内最大带宽为118.8GHz(在10dB幅度平坦度内)水平的超大带宽微波频率梳。
综上，基于双光注入半导体激光器产生微波频率梳的方案，可以在单光注入半导体激光器产生微波频率梳的基础上有效的扩展所产生微波频率束的带宽范围，可以在6.6GHz到125.4 GHz频率范围内功率均衡、频率稳定、带宽达118.8 GHz(在10 dB幅度平坦度内)水平的超大带宽微波频率梳。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明性的保护范围之内的发明内容。