[发明专利]一种基于垂直腔面发射激光器的微波频率梳的产生方法

说明书

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。

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。