基于半導體光放大器的雙波長激光器的微波信號產生研究

曹偉， 羅民，陳海燕

(長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)(長江大學物理與光電工程學院，湖北 荊州 434023)

近些年來，利用光學方法產生微波信號的技術在光纖無線電系統、寬帶無線接入網、5G移動通信及衛星通信系統等領域具有越來越廣泛的應用前景[1～3]。利用光學方法產生微波信號的思路是將波長(或頻率)相近的2束連續波激光合成，得到拍頻信號，當該信號頻率在微波頻率范圍時，即是微波信號。利用該方法可以產生寬頻帶、低相位噪聲的高質量的高頻信號[4～6]。到目前為止，已提出了2種利用光學產生微波信號的方法：一是將來自2個不同激光器的2束激光信號進行合成，這種方法產生的微波信號具有較大的相位噪聲[7]；二是直接利用雙波長激光器的輸出信號，如外注入激光的空間模式法布里-珀羅激光二極管(SMFP-LD)[8]、調Q雙波長激光器[9]和半導體激光器[10]。在現有的雙波長激光器方案中，稀土摻雜光纖已被廣泛用作增益介質。最近，Pan H等使用半導體光放大器(SOA)作為增益介質來獲得連續波(CW)激光[11]，但罕見基于SOA的雙波長CW激光器，并用于產生微波信號的報道。為此，筆者提出一種新型的基于SOA的雙波長環形腔光纖激光器，并將其用于產生微波與毫米波信號。

1 理論模型

為簡單起見，假定2個單位振幅激光信號光場表達式為：

E1(t)=exp(j2πf1t)

(1)

E2(t)=exp(j2πf2t)

(2)

則合成光波信號光場為：

E(t)=E1(t)+E2(t)

(3)

合成光波信號強度可表示為：

I=E×E*

(4)

式中，f1、f2分別為兩光波的頻率;E*表示E的共軛。

經過簡單運算，可得:

I=2+2cos[2π(f1-f2)t]

(5)

合成信號頻率為f1-f2即2個獨立光信號頻率之差。如f1-f2屬于微波頻段，則該合成信號稱為微波信號。

2 數值仿真原理

圖1是利用Optisystem軟件仿真光學方法產生微波信號的原理圖，2個獨立激光器輸出激光的中心波長分別為1548.98 nm和1549.58 nm，波長間隔是0.6 nm，合成光信號經光電探測器進行光電轉換后，可在頻譜分析儀上觀察到拍頻信號，即光學方法產生的微波信號的頻譜，如圖2所示。

圖1 光學方法產生微波信號的原理圖

圖2 光學方法產生微波信號的頻譜圖

圖3 基于SOA的雙波長光纖激光器試驗裝置圖

圖4 級聯光纖布拉格光柵的透射譜

圖5 雙波長連續波的輸出光譜

3 試驗裝置

基于半導體光放大器的雙波長光纖光柵激光器的試驗裝置如圖3所示。該激光器由半導體光放大器(SOA，THORLABS公司)、偏振控制器(PC)、光纖環形器(Circulator)、光纖布拉格光柵(FBG)、光譜分析儀(OSA，安立公司MS9710C)、溫度控制器(Temperature controller)及一個輸出比為9∶1的光纖耦合器(Coupler)組成。其中SOA作為激光器的增益介質，一對均勻的FBG作為激光器腔內波長選擇器，光譜分析儀用來測量輸出光譜，溫度控制器用于控制2個FBG的工作溫度。放置在環形腔內的PC是為了調節諧振腔內傳輸光的偏振態，光纖環形器用于將FBG引入環形腔，同時也保證環形腔內激光的單向傳輸，光纖耦合器10%端口連接光譜分析儀，90%端口連接環形器。

4 結果與討論

當FBG1的工作溫度為25℃，FBG2的工作溫度為-10℃時，級聯光纖布拉格光柵的透射譜如圖4所示，從圖4中可以看出，FBG1和FBG2的布拉格波長分別為1549.48nm和1548.88nm。

當注入到半導體光放大器中的電流為120 mA，FBG1的工作溫度為25℃，FBG2的工作溫度為-10℃時，通過仔細調節PC，可獲得穩定的雙波長連續波激光輸出，如圖5所示。雙波長激光的中心波長分別為1549.58nm和1548.98nm，波長間隔為0.6nm，對應于約74.9GHz的微波信號，如圖2所示。

當FBG1的工作溫度控制在25℃，改變FBG2的工作溫度時，基于SOA 的雙波長激光器的輸出波長是2個FBG溫度差的函數，對應的微波信號頻率也是2個FBG溫度差的函數，如圖6所示。從圖6中可以看出，當調節2個FBG溫度差在10℃ ～ 35℃間變化時，可產生頻率在22.5～74.9GHz范圍內的可調微波信號，其溫度變化系數約為2.10GHz /℃。

5 結論

圖6 微波信號頻率與2個FBG溫度差的關系

1)利用Optisystem軟件對光學方法產生微波信號進行了原理性仿真。

2)提出了一種新型的基于半導體光放大器的雙波長光纖環行腔激光器，并將其應用于產生微波信號。當半導體光放大器的注入電流為120 mA時，獲得了中心波長分別為1549.58 nm和1548.98 nm的雙波長激光輸出，波長間隔為0.6nm，對應于～74.9GHz的微波信號。

3)當改變2個FBG的工作溫度差時，可獲得波長間隔為0.18～ 0.6nm的雙波長CW激光輸出，對應的微波信號頻率為22.5 GHz ～ 74.9 GHz。