本發(fā)明涉及微波頻率梳的光學產(chǎn)生技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高質(zhì)量的微波頻率梳的光學產(chǎn)生技術(shù)。

背景技術(shù)：

微波頻率梳由一系列頻率間隔相等的離散微波信號構(gòu)成，可以在一個頻段內(nèi)同時提供多個不同頻率的微波信號。相對于單頻微波源，微波頻率梳具有譜線數(shù)目多、頻率范圍寬、譜線間距精密度高等優(yōu)點，在通信、軍事、醫(yī)療、測量等領(lǐng)域具有更好的應用，受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。

目前，已有的微波頻率梳產(chǎn)生方案分為兩種：基于電學方式的和基于光學方式的。然而，由于電子瓶頸的限制，基于電學方式的微波頻率梳產(chǎn)生方案，獲得帶寬只有幾個GHz，且譜線間距不能靈活調(diào)節(jié)。而光學方式中基于光生微波技術(shù)產(chǎn)生微波頻率梳的方案，產(chǎn)生的微波信號具有高功率、寬帶寬、低損耗、抗電磁干擾和可調(diào)諧等優(yōu)點，成為廣大學者的首選。

但是，目前已有的基于光生微波技術(shù)產(chǎn)生微波頻率梳方案中，獲得的微波頻率梳大部分譜線數(shù)目比較少、譜線功率水平低、功率幅值變化大、平坦度有待提高。另外，在已有的譜線間距可調(diào)諧的微波頻率梳方案中，由于利用的電光調(diào)制器均需要高頻調(diào)制，產(chǎn)生的微波頻率梳譜線間距在5GHz～20GHz范圍內(nèi)，無法獲得低于5GHz的低頻段微波信號。然而，常用的無線通信頻段為400MHz～2GHz，且頻段使用密集，各個通信頻段間距低至10MHz。因此，如何產(chǎn)生高密度、寬帶寬、平坦度好、功率高、譜線間距和頻帶范圍均可調(diào)諧的微波頻率梳，使其既能用于常用的低頻段微波通信，又能用于高速微波通信場合，是目前的技術(shù)難點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種高質(zhì)量微波頻率梳的光學產(chǎn)生方法。其中關(guān)鍵是由光耦合器、聲光頻移器、摻鉺光纖放大器和可調(diào)諧帶通濾波器構(gòu)成的聲光頻移回路。能否基于聲光頻移回路，優(yōu)化回路中關(guān)鍵器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，獲得寬帶寬、高功率、低噪聲、平坦、可調(diào)諧的光學頻率梳是產(chǎn)生高性能微波頻率梳的關(guān)鍵問題；同時，PD的響應度、響應帶寬、飽和功率、噪聲等性能，直接決定了微波頻率梳的功率、帶寬和穩(wěn)定度。設(shè)計研制高轉(zhuǎn)換效率、寬響應帶寬、高飽和功率、噪聲特性好的PD，是獲得高性能微波頻率梳的有力保障。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種高質(zhì)量微波頻率梳的光學產(chǎn)生方法包括如下步驟：

利用可調(diào)諧激光源作為種子光源，注入到一個由2×2光學耦合器、聲光頻移器、可調(diào)諧帶通濾波器、摻鉺光纖放大器組成的光學回路中；

種子光源f₀以布拉格角度入射到聲光頻移器中，利用聲光頻移器的布拉格衍射效應，產(chǎn)生一級衍射光f₀+f_m，驅(qū)動信號頻率f_m即譜線間距，由聲光頻移器的驅(qū)動射頻信號決定；聲光頻移器僅輸出一級衍射光f₀+f_m，就實現(xiàn)了f_m的頻移；頻移得到的新譜線f₀+f_m與種子光源耦合作為下一次回路的輸入光源；此回路循環(huán)N次，可以獲得具有頻率為f₀，f₀+f_m，f₀+2f_m，...，f₀+Nf_m的光梳；利用光學回路中的摻鉺光纖放大器將聲光頻移器輸出的新譜線功率放大到種子光源水平，提高輸出光梳的平坦度；而可調(diào)諧帶通濾波器濾除帶外噪聲，而且其通帶寬度也將決定產(chǎn)生的光梳的梳線數(shù)；

當光學回路達到穩(wěn)態(tài)后，獲得平坦度好、帶寬寬、穩(wěn)定的光梳；

光梳注入到光電探測器中拍頻，產(chǎn)生頻率范圍f_m～Nf_m、譜線間距f_m、帶寬Nf_m的頻率梳。

所述的可調(diào)諧激光源由可調(diào)諧激光器發(fā)出，其波長等于摻鉺光纖放大器增益譜平坦段的起始波長。

所述的聲光頻移器為低頻驅(qū)動的高衍射效率的聲光器件，入射光以布拉格衍射角度注入聲光頻移器，其+1級或-1級衍射光作為輸出。

所述的摻鉺光纖放大器工作波長處于光纖的最低損耗(波長1550nm)處，頻移得到的新譜線經(jīng)過EDFA進行功率補償，被放大到激光光源功率水平。

所述的調(diào)諧帶通濾波器TBPF濾除帶外噪聲，而且其通帶寬度也將決定產(chǎn)生的光梳的梳線數(shù)。

有益效果：本發(fā)明提出的微波頻率梳的光學產(chǎn)生方法，產(chǎn)生的微波頻率梳具有較高的性能，具有頻帶范圍寬，譜線密度高，功率水平高，譜線間距和頻帶范圍均可調(diào)諧等優(yōu)點?？梢赃m用于常用低頻段(0.3～3GHz)密集微波通信，也可以滿足高頻段高速微波通信的需求。

創(chuàng)新之處在于：

(1)基于聲光頻移器的光學回路，產(chǎn)生的光學頻率梳具有寬帶寬、高平坦度、穩(wěn)定度好的優(yōu)點。利用這種高性能光學頻率梳在PD中拍頻，在同一頻率處產(chǎn)生的所有電信號，彼此之間相互疊加，可以產(chǎn)生高功率的微波頻率梳。

(2)利用低頻驅(qū)動的聲光頻移器，可以實現(xiàn)幾十MHz～1GHz的頻移。與基于高頻電光調(diào)制器的微波頻率梳方案相比，本方案不僅可以產(chǎn)生它們所不能覆蓋的常用低頻段(0.3～3GHz)，還可以覆蓋到300GHz的高頻段部分，且相應的梳線間距在幾十MHz～1GHz連續(xù)可調(diào)，產(chǎn)生高密度可調(diào)諧的微波頻率梳。

附圖說明

圖1為本發(fā)明高性能微波頻率梳的產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)圖。其中有：可調(diào)諧激光源TLS、摻鉺光纖放大器EDFA、光學耦合器OC、聲光頻移器AOFS、可調(diào)諧帶通濾波器TBPF、光電探測器PD、電譜分析儀ESA。

圖2為譜線間距f_m＝300MHz(a)輸出的光學頻率梳光譜圖(b)輸出的微波頻率梳頻譜圖。

圖3為譜線間距f_m＝1GHz(a)輸出的光學頻率梳光譜圖(b)輸出的微波頻率梳頻譜圖。

具體實施方式

本發(fā)明的微波頻率梳光學產(chǎn)生方法是基于光學聲光頻移回路的，并利用PD拍頻的微波頻率梳的產(chǎn)生方法?？烧{(diào)諧激光源作為種子光源，注入到一個由2×2光學耦合器、聲光頻移器、可調(diào)諧帶通濾波器、摻鉺光纖放大器組成的光學回路中。光學回路輸出的寬帶寬、高平坦的光學頻率梳，經(jīng)過PD拍頻產(chǎn)生高質(zhì)量微波頻率梳。

所述的可調(diào)諧激光源由可調(diào)諧激光器發(fā)出，其波長等于EDFA增益譜平坦段的起始波長。

所述的聲光頻移器為低頻驅(qū)動的高衍射效率的聲光器件，入射光以布拉格衍射角度注入AOFS，其+1級(或-1級)衍射光作為輸出。

所述的摻鉺光纖放大器其工作波長處于光纖的最低損耗(波長1550nm)處，是一種高增益、寬帶寬、高輸出功率、高泵浦效率、低插入損耗的優(yōu)質(zhì)光學放大器。

所述濾波器為可調(diào)諧帶通濾波器，可以高效快捷的選擇輸出光信號帶寬。

本發(fā)明設(shè)計了一種高質(zhì)量微波頻率梳的光學產(chǎn)生方法，包括如下步驟：種子光源f₀以布拉格角度入射到聲光頻移器中，利用聲光頻移器的布拉格衍射效應，產(chǎn)生一級衍射光f₀+f_m，驅(qū)動信號頻率f_m即譜線間距，由聲光頻移器的驅(qū)動射頻信號決定。聲光頻移器僅輸出一級衍射光f₀+f_m，就實現(xiàn)了f_m的頻移。頻移得到的新譜線f₀+f_m與種子光源耦合作為下一次回路的輸入光源；此回路循環(huán)N次，可以獲得具有頻率為f₀，f₀+f_m，f₀+2f_m，...，f₀+Nf_m的光梳；利用光學回路中的EDFA將聲光頻移器輸出的新譜線功率放大到種子光源水平，提高輸出光梳的平坦度。而TBPF可以濾除帶外噪聲，而且其通帶寬度也將決定產(chǎn)生的光梳的梳線數(shù)。當光學回路達到穩(wěn)態(tài)后，可以獲得產(chǎn)生了平坦度好、帶寬寬、穩(wěn)定的光梳。光梳注入到光電探測器中拍頻，產(chǎn)生頻率范圍f_m～Nf_m、譜線間距f_m、帶寬Nf_m的微波頻率梳。

下面結(jié)合實例對高質(zhì)量微波頻率梳的光學產(chǎn)生方法作進一步闡述。

實施例一

1、設(shè)置參數(shù)如下：可調(diào)諧激光器發(fā)出的激光中心頻率為193.1THz、功率1mW、線寬0.01MHz、初始相位0°、噪聲閾值-100dB、靜態(tài)噪聲3dB；耦合器耦合系數(shù)0.5；聲光頻移器頻移量300MHz；摻鉺光纖放大器的纖芯直徑2.2μm，鉺離子的摻雜直徑2.2μm，鉺離子亞穩(wěn)態(tài)壽命10ms，數(shù)值孔徑0.24，鉺離子濃度1×10²⁵m^-3，光纖在1550nm處損耗0.1dB/m，980nm處損耗0.15dB/m，摻鉺光纖長度5m，前向泵浦功率100mW，前向泵浦波長980nm，噪聲中心頻率193.4THz，噪聲帶寬13THz。光電探測器響應度1A/W，暗電流10nA，熱噪聲10^-22W/Hz。獲得了寬帶寬光學頻率梳和高質(zhì)量的微波頻率梳的光譜(見附圖2a和2b)。產(chǎn)生了譜線間距300MHz微波頻率梳，在30GHz范圍內(nèi)的譜線功率大于5dBm，平坦度高。

實施例二

實施步驟如實施例1。聲光頻移器頻移量1GHz，摻鉺光纖放大器摻的光纖長度1.5m；可以得到譜線間距1GHz的光學頻率梳和微波頻率梳(見附圖3a和3b)。微波頻率梳帶寬>300GHz，覆蓋了全波段微波信號。30GHz范圍內(nèi)的譜線功率大于5dBm，平坦度高。

綜上所述得到的微波頻率梳頻帶范圍寬，譜線密度高，具有較高的功率水平，譜線間距和頻帶范圍均可調(diào)諧。不但可以適用于常用低頻段(0.3～3GHz)密集微波通信，也可以滿足高頻段高速微波通信的需求，解決了目前微波技術(shù)的難題。