基于双波长半导体激光器产生高性能宽带可调谐微波的研究

High-frequency high-performance tunable microwave source is playing an increasingly important role in the fields of communication system, metrology, radar system, etc. However, traditional microwave generation scheme based on electronics methods cannot meet the requirement for performance and tunability in high frequencies applications. In this study, we will propose a new microwave generation configuration based on dual-wavelength laser diode (DWLD) which serves as an active tunable photonic filter in an optoelectronic oscillation loop. This configuration can take advantage of the superior performance of optoelectronic oscillator (OEO), while on the one hand, avoid the problems of high oscillation threshold and poor tunablity in traditional OEO. The project will focus on the design and fabrication of broadband tunable DWLD with stable and coherent output, the dynamic behavior of DWLD under optial-injection,starting dynamics and working characteristic of DWLD-OEO, and system application of DWLD-OEO in the fields of microwave generation, clock extraction etc. The research will facilitate the development of fully integrated single-chip photonic microwave generator, and provide the necessary technical expertise and theoretical guidance for the future research on photonic integrated circuits.

高质量、高频、可调谐微波源在通讯、测绘、雷达等领域正在发挥越来越重要的作用。电子学方法在高频段产生的微波在质量、可调谐性上尚不理想。本项目最终面向可集成式光生微波源研究，以产生高质量宽带可调谐微波为目标，提出一种以双波长半导体激光器（DWLD）为关键器件，以光电振荡环路（OEO）为实现结构的新型微波源。该方案以DWLD作为有源光子滤波器，既可以发挥OEO结构卓越的微波发生能力，又可以解决传统OEO方案中起振阈值高、调谐性差的问题。项目将重点研究宽带可调谐、输出稳定、具有较高相干性的DWLD设计理论和制备方法，DWLD在光注入情况下的动态行为、DWLD-OEO环路自启动特征和稳态工作行为以及DWLD-OEO在微波产生、时钟提取等方面的系统应用。该研究将为未来完全可集成的单片式宽带可调谐高频光生微波源的研制工作铺平道路，并为其它光子集成功能器件研制开发方面提供必要的技术积累和理论指导。

在通讯、雷达等领域，高质量可调谐微波源正在发挥越来越重要的作用。基于传统倍频方式的电子学微波生成方法在高频段（>26GHz）存在微波产生质量和可调谐性方面的问题。本课题提出一种可集成式光生微波源方案。该方案基于光电振荡器（OEO）原理，采用集成式双波长半导体激光器（DWLD）作为多功能核心器件，该器件代替了传统OEO中的光源、可调谐滤波器以及调制器，仅需一个DWLD、电放大器、探测器以及延时光纤即可实现可调谐微波输出。以DWLD作为有源光子滤波器以及调制器，既可以发挥OEO结构卓越的微波发生能力，又可以解决传统OEO方案中起振阈值高、调谐性差的问题。..为实现该方案，本课题在器件研制、器件特性研究以及OEO系统研制方面展开了研究。主要研究内容和取得的研究成果包括：..1. 基于InP基材料体系，研制了工作于1.5μm通信波段的三段式放大反馈激光器。通过集成工艺将分布反馈(DFB)激光器、相位调节区以及放大器三种结构集成起来，实现了反馈强度、相位可调的集成外腔激光器。通过调节注入三个区域的电流，可以控制激光器工作在双模激射状态，双模拍频频率即为OEO振荡的中心频率。通过调谐放大区或相区电流，可以实现模间距调谐功能，拍频后的微波具有频率可调的功能。本课题研制了多种双模光器，可在20GHz-100GHz之间的多个频段内实现双模拍频输出。.2. 系统研究了外腔式双模激光器的工作特性，确定了双模激光器的多种工作区域。通过控制注入电流，可以使激光器工作在单模、双模，周期振荡以及混沌工作状态，拓展了双模激光器的应用范围。.3. 实现了基于双模激光器的OEO结构。采用光电混合双环式OEO结构，利用光环实现激光双模线宽压缩，从而实现窄带光子滤波功能；利用光电混合环实现光电振荡。通过双环选模压缩OEO中的边模。实现了30-40GHz波段的电控可调谐OEO微波输出，微波相位噪声达到-106dBc/Hz@10kHz offset以下，是目前已报道的40GHz波段OEO中的最好结果之一。该方案利用光-光振荡效应有效提高了激光器的调制带宽，并显著降低了环路所需起振阈值，仅需27dB增益即可实现OEO振荡。..通过本课题的实施，我们已为未来完全可集成的单片式宽带可调谐高频光生微波源的研制工作积累了重要经验，并为其它光子集成功能器件研制开发方面提供了必要的技术积累和理论指导。