一种基于光电反馈VCSEL的双路微波频率梳发生器

摘要

本发明公开了一种双路微波频率梳发生器，包括信号发生器模块、光电反馈模块、控制模块，所述信号发生器模块包括850nm垂直腔面发射激光器VCSEL、温度控制器，电流控制器，非球面透镜，隔离器，半波片，偏振分束器；光电反馈模块包括光电探测器，电放大器，电衰减器，射频偏置器；控制模块包括与信号发生器模块和光电反馈模块相连的数据采集卡和电脑，用于调节激光器系统的外部参量并采集数据；这种微波频率梳发生器因采用VCSEL作为核心器件，整个系统体积小，易集成，成本低，可获得双路微波频率梳信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光电反馈VCSEL的双路微波频率梳发生器，属于信息技术领域。

背景技术

微波频率梳是指一系列频率间隔相等的梳状微波信号。目前，微波频率梳发生器已经广泛应用于国民生产生活中。如微波频率梳信号在锁相环中常被用做谐波信号源或用于电磁干扰中的测量和频谱分析仪的校准；微波频率梳信号可用于电磁兼容性(EMC)测试；此外，微波频率梳信号在电子雷达对抗，毫米波通信，军事侦察等军事领域也有广泛的应用。

传统的微波频率发生技术基本上都是基于电容或电阻的非线性电路来获取微波频率梳信号。利用电学方式产生的微波频率梳，虽然带宽可达几个GHz甚至十几个GHz，但是由于梳距不能灵活调节而使其应用受到极大地限制。在利用光学方案产生微波频率梳方面，目前主要的方式是利用光学频率梳经光电探测器转换而获得微波频率梳信号，然而这种频率梳通常还需要引入复杂的谱色散管理，因而导致基于光学频率梳获得微波频率梳的系统比较复杂，系统造价也比较昂贵。此外，利用光学非线性效应也可从实验上获得谐波达GHz水平的微波频率梳信号，但所获得的微波频率梳还存在梳线功率不均衡、含有较多的非谐波毛刺等问题。

众所周知，半导体激光器(SLs)在光反馈、光注入、光电反馈等外部扰动下可呈现出单周期、倍周期甚至混沌等一系列丰富的非线性动力学行为，这些动力学行为已经广泛应用于光生微波、混沌保密通信、随机数发生器等领域。相应的，基于SLs非线性动力学的微波频率梳产生技术也受到了人们的关注。研究者利用SLs在外部扰动下的谐波频率锁定获得了带宽达3GHz的微波频率梳信号。最近，我们也利用非相干光反馈SLs的非线性动力学获得了带宽达15GHz的微波频率梳信号。然而，上述微波频率梳产生方案都是基于边发射半导体激光器(EELs)来实现的。相比EELs，垂直腔面发射激光器VCSEL因具有低阈值电流、大调制带宽、容易与光纤耦合、易集成等优势而有望取代EELs成为未来光信号处理的关键器件。相应的，基于VCSEL的非线性动力学及其应用的研究受到了人们的广泛关注。特别是，VCSEL的有源区或腔存在微弱的各向异性导致其输出可能存在两个正交的偏振分量，且在适当的偏置电流下VCSEL可同时输出两个正交的偏振分量,这为双路微波频率梳信号的获取提供了可能，显然，这种双路微波频率梳发生技术相比其他微波频率梳产生方案有着巨大的优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光电反馈VCSEL的双路微波频率梳发生器，以达到能够利用半导体激光器的非线性动力学产生双路微波频率梳信号的目的。

本发明采用如下技术方案：

一种基于光电反馈VCSEL的双路微波频率梳发生器，包括信号发生器模块、光电反馈模块和控制模块；

所述信号发生器模块包括垂直腔面发射激光器VCSEL、温度控制器、电流控制器、非球面透镜a、分束镜、隔离器、半波片、偏振分束器，所述垂直腔面发射激光器VCSEL分别与所述温度控制器输入端和所述电流控制器输入端连接，所述垂直腔面发射激光器VCSEL发射出的光束经所述非球面透镜a后通过分束镜分为两部分，一部分光束进入光电反馈模块，另一部光束分别依次通过所述隔离器、所述半波片后进入所述偏振分束器，所述偏振分束器将两个偏振分量分离。

所述光电反馈模块包括的非球面透镜b、光纤准直器a、光电探测器a、电放大器、电衰减器和射频偏置器，所述非球面透镜b接受来自分束镜的光束后，光束依次通过所述光纤准直器a、所述光电探测器a、所述电放大器、所述电衰减器和所述射频偏置器后反馈回垂直腔面发射激光器VCSEL，形成光电反馈；

所述控制模块包括与所述信号发生器模块和所述光电反馈模块相连的数据采集卡和电脑。

作为本发明进一步改进，所述VCSEL的中心波长为850nm。

作为本发明进一步改进，所述光电探测器均为12GHz宽带光电探测器。

作为本发明进一步改进，所述控制模块采用Labview编程控制系统。

本发明的工作原理及有益效果：

工作原理：本发明首先利用控制模块调节VCSEL的工作电流和温度，使激光器工作在双模共存区，然后调节光电反馈的强度和时延，使VCSEL的两个偏振分量均工作于谐波频率锁定的脉冲态，然后利用半波片和偏振分束镜将两个偏振分量分离，最后将两个分量的光信号经光电探测器后转换成两路微波频率梳信号。

有益效果：1、相比通常的微波频率梳发生器，因采用VCSEL作为核心器件，整个系统体积小，易集成，且成本低；

2、利用光电反馈作为外部扰动易于调控；

3、基于VCSEL的两个偏振分量可获得双路微波频率梳信号。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明双路微波频率梳发生器中各电路模块连接关系示意图；

图2为本发明基于光电反馈VCSEL产生双路微波频率梳信号的电路连接示意图；

图中：1、垂直腔面发射激光器VCSEL；21、非球面透镜a；22、非球面透镜b；23、非球面透镜c；24、非球面透镜d；3、分束镜；41、光纤准直器a；42、光纤准直器b；43、光纤准直器c；51、光电探测器a；52、光电探测器b；53、光电探测器c；6、电放大器；7、电衰减器；8、射频偏置器；9、隔离器；10、半波片；11、偏振分束器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图2所示，为本发明的一种实施例，一种基于光电反馈VCSEL的双路微波频率梳发生器，包括信号发生器模块、光电反馈模块和控制模块；

信号发生器模块包括中心波长为850nm的垂直腔面发射激光器VCSEL1、温度控制器、电流控制器、非球面透镜a21、分束镜3、隔离器9、半波片10、偏振分束器11，垂直腔面发射激光器VCSEL1分别与温度控制器输入端和电流控制器输入端连接，垂直腔面发射激光器VCSEL1发射出的光束经非球面透镜a21后通过分束镜3分为两部分，一部分光束进入光电反馈模块，另一部光束分别依次通过隔离器9、半波片10后进入偏振分束器11，偏振分束器11将两个偏振分量分离。光电反馈模块包括的非球面透镜b22、光纤准直器a41、光电探测器a51、电放大器6、电衰减器7和射频偏置器8，非球面透镜b22接受来自分束镜3的光束后，光束依次通过光纤准直器a41、光电探测器a51、电放大器6、电衰减器7和射频偏置器8后反馈回垂直腔面发射激光器VCSEL1，形成光电反馈；光电探测器均为12GHz宽带光电探测器；控制模块包括与信号发生器模块和光电反馈模块相连的数据采集卡和电脑，控制模块采用Labview编程控制系统。

使用时，垂直腔面发射激光器VCSEL1的温度和电流分别由高精度温控源(精度±0.01k)和超低噪声电流源控制，通过调节偏置电流使自由运行的激光器工作于双模共存区。激光器输出的光经分束镜后分成两个部分，其中一部分经光电探测器a51、电放大器6、电可调衰减器7、射频偏置器8后反馈回激光器，形成光电反馈。通过电放大器6和可调电衰减器7调节光电反馈强度，通过调节光纤延迟线来调节反馈时延，从而使垂直腔面发射激光器VCSEL1工作在谐波频率锁定的脉冲态。垂直腔面发射激光器VCSEL1输出的另一部分经隔离器9(隔离度大于55dB)，半波片10和偏振分束器11后将两个偏振分量分离，一路经非球面透镜c23、光纤准直器b42、光电探测器b52后得到微波频率梳信号，另一路经非球面透镜d24、光纤准直器c43、光电探测器c53后得到微波频率梳信号；其中，半波片10和偏振分束器11主要用于将两个偏振分量分离。在整个实验系统中，所有仪器通过GPIB和高速数据采集卡与计算机连接，可以实现对实验数据的采集、实时分析评估及实验系统的调控。通过对获取的微波频率梳信号进行性能分析后可适当的调控系统参量，从而获取最优的双路微波频率梳信号。光电反馈对光场相位不敏感，易于调控，调节光电反馈强度和时延可在一定范围调节频率梳的梳距。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。