CN102183303B - 基于循环移频方式的梳状谱发生系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于循环移频方式的梳状光谱发生系统及方法。本系统结构包括外腔激光器、偏振控制器、3dB耦合器、IQ光调制器、微波信号源、两个/2移相器、移相器、半导体光放大器、光滤波器、可调光延时线、直流偏置电源以及一段任意长度但尽可能短的光纤构成。本方法是对IQ光调制器的RF电极分别输入余弦射频信号、同频正弦射频信号，并在直流电极上加适当的偏压，完成对输入光波的载波抑制的单边带调制，产生频率下移的光波谱线，而下移频率等于RF电极的输入信号频率。本发明在合理选择的光增益和光滤波器带宽条件下，就能获得所需的梳状谱根数和平坦度。本方法性能优良，实现容易，本方法还对光纤环路实行整体温控，确保梳状光谱发生器的稳定性。

Description

基于循环移频方式的梳状谱发生系统及方法
技术领域
本发明涉及基于循环移频方式的梳状光谱发生系统及方法，克服了现有梳状光谱发生技术为了生成平坦的梳状光谱的系统复杂性、不可靠性和不稳定性，同时还克服了由于环路延时造成的光相位噪声对平坦梳状光谱的影响。本系统包括外腔激光器（ECL）、一个3dB耦合器、一个偏振控制器（PC）、一个IQ光调制器、一个微波信号源、两个                                                /2移相器、一个移相器、一个半导体光放大器（SOA）、一个光滤波器（Optical Filter）、一个可调光延迟线（Delay Line）、三个直流偏置电源以及一段任意长度但尽可能短的光纤构成。
本方法是对IQ光调制器分别输入余弦射频信号、同频正弦射频信号，并在直流电极上加适当的偏压就可完成对输入光波的载波抑制的单边带调制，产生频率下移的光波谱线，而下移频率为四个RF电极的输入信号频率。注入光耦合器的种子和IQ光调制器生成的频率下移的光波通过一个光纤环被送回光耦合器的输入端，再注入环路，源源不断地在环路中循回，每循回一次，都被IQ光调制器调制，被半导体光放大器（SOA）放大。在合理选择的光增益和光滤波器带宽条件下，就能获得所需的梳状谱根数和平坦度。
本方法具体体现在：在IQ调制器的四个RF电极分别推挽输入余弦射频信号、同频的正弦射频信号，并在直流电极上加适当的偏压，就可产生频率下移的光波谱线，下变频频率为IQ光调制器RF电极的输入信号频率。生成的光波谱线经过半导体光放大器、光滤波器和偏振控制器与输入的外腔激光器的种子光在3dB耦合器中耦合，再次注入光纤环，被调制、被放大，被返回，如此循环，直到生成的光波谱线超出光滤波器的通带，系统才进入平衡。在合理的光增益、光滤波器带宽的条件下，就能生成平坦的梳状光谱，梳状光谱的根数由光滤波器的带宽决定；而梳状光谱的平坦度则取决于光纤环路的总增益。
技术背景
对于如何高效的产生梳状光谱，国际进展十分缓慢，鲜有真正适合于实际应用的方案。目前仅有以下几种实现平坦梳状谱发生方法：1）锁模方式（Mode Locking）。该方式采用锁模激光器，对调制产生的各个光波边模进行处理。但基本以实验室理想环境下的实现为主，带温控的商业化产品及专利尚未出现。从系统结果的角度来看，系统复杂且器件价格极贵，故很难实现基于此方式的梳状谱发生器的商业化和实用化；2）直接生成方式。在国际上16根及以上数目的平坦梳状谱的直接生成方案非常少，而且需要极大的射频驱动功率，工作效率不高，很难在实际应用中得到普遍采用；3）移频生成方式：国际上仅有一种利用该方式的方案。主要利用了光调制器的载波抑制调制方式，系统需要两个调制器以及一个双向的光滤波器，系统结构较为复杂，也很难在实际应用中得到普遍采用。现有梳状谱发生技术很难满足稳定、平坦、结构简单等关键要求，还有许多问题仍待解决。由于锁模方式不适合商业化、实用化。所以需要发明一种采用直接调制方式的能够生成平坦、稳定的光谱，且结构简单的梳状光谱发生器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生成平坦、稳定的光谱，且结构简单的机遇循环移频方式的梳状光谱发生系统及方法。该系统结构简单，该方法易于实现，性能稳定，非常适用于实用产品的开发推广。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
基于循环移频方式的梳状谱发生器系统，包括IQ光调制器和环路，其特征在于所述光纤环路的结构是：外腔激光器与3dB耦合器的一个输入端相连。IQ光调制器的输出端与半导体光放大器的输入端相连，半导体光放大器的输出端与光滤波器的输入端相连，光滤波器的输出端经过光纤与偏振控制器的输入端相连，偏振控制器的输出端与3dB耦合器的输入端相连，这样就构成了光纤环路。所述的IQ光调制器的结构是：在所述的IQ光调制器中上面一只双电极Mach-Zehnder光调制器的一条臂上的RF电极输入由微波信号源输出的余弦射频信号，并在那条臂上的直流电极加半波电压
Figure 309825DEST_PATH_IMAGE002
；同时在该双电极Mach-Zehnder光调制器的另外一条臂上的RF电极输入同频倒相的余弦射频信号，并使该条臂上的直流电极接地。在IQ调制器的下面一只双电极Mach-Zehnder光调制器的一条臂上的RF电极输入由微波信号源产生，并经
Figure DEST_PATH_IMAGE003
移相的正弦射频信号，并在那条臂上的直流电极加半波电压
Figure 545634DEST_PATH_IMAGE002
；同时在在该双电极Mach-Zehnder光调制器的另一条臂上的RF电极输入同频倒相的正弦射频信号，并使该条臂上的直流电极接地。下面一只双电极Mach-Zehnder光调制器的输出经过一个
Figure 556316DEST_PATH_IMAGE003
移相器的移相与上面一只双电极Mach-Zehnder调制器的输出合波后输出。
基于循环移频方式的梳状光谱发生方法，采用上述的基于循环移频方式的梳状谱发生系统来实现，其特征在于：在耦合器注入的种子光和经IQ光调制器生成的移频光源源不断地在环路中被IQ光调制器调制，产生新的谱线，又被半导体光放大器补充能量，在合理光增益和光滤波器带宽条件下，就能获得所需梳状谱根数的平坦梳状谱。具体体现在：在IQ光调制器的四个RF电极分别输入余弦射频信号、同频倒相的余弦射频信号、同频的正弦射频信号及同频倒相的正弦射频信号，并在直流电极上加适当的偏压，可产生载波抑制的单边光波谱线，光波谱线频率的下移量等于RF电极的调制信号频率。生成的光波谱线经过半导体光放大器、光滤波器和偏振控制器后，再与外腔激光器发出的种子光在3dB耦合器中耦合，重新注入光纤环路。在环路中每循环一次，就多生成一根光波谱线，一直到谱线频率超出光滤波器的通带为止。半导体光放大器的作用是克服环路的能量损耗，包括光耦合器、IQ光调制器、光滤波器、光延迟线和光纤的插入速损耗，保证生成的各个谱线高度相等。
以下对本发明的原理作进一步的说明：
如附图1所示，IQ光调制器的上面一只双电极Mach-Zehnder光调制器的两条臂上的RF电极推挽输入由微波信号源输出的余弦射频信号，并在一条臂上的直流电极加半波电压，另一条臂上的直流电极接地。下面一只双电极Mach-Zehnder光调制器的两条臂上的RF电极推挽输入由微波信号源输出并经移相器移相
Figure 931988DEST_PATH_IMAGE003
的正弦射频信号，并在一条臂上的直流电极加半波电压
Figure 643592DEST_PATH_IMAGE002
，另一条臂上的直流电极接地。IQ光调制器的下面一只双电极Mach-Zehnder光调制器的调制输出经过
Figure 571097DEST_PATH_IMAGE003
移相与上面一只双电极Mach-Zehnder光调制器的调制输出合波干涉，形成最终的输出光谱。该IQ光调制器的输出电场表示式如下： 
Figure 709954DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示IQ光调制器的输出电场；
Figure 106432DEST_PATH_IMAGE006
表示IQ光调制器的输入电场；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
是IQ光调制器的相位调制指数，定义为，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
是输入IQ光调制器的RF信号的幅度，
Figure 718252DEST_PATH_IMAGE010
是IQ光调制器中双电极Mach-Zehnder光调制器的半波电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是IQ光调制器的输入射频角频率。从上式可见已调光波中含有幅度比例于，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 974101DEST_PATH_IMAGE014
，角频率为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 89824DEST_PATH_IMAGE016
，等的谐波成分；也含有幅度比例于
Figure 241189DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 784166DEST_PATH_IMAGE020
，角频率为，
Figure 76607DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
等的谐波成分。但是的幅度都远大于其他谐波成分的幅度，所以IQ光调制器的调制特性可以简化为：
Figure 441040DEST_PATH_IMAGE024
当由外腔激光器提供的，并在耦合器中注入的种子光第一次输入进入环路时，该进入环路的光波信号
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示式如下：
Figure 154918DEST_PATH_IMAGE026
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为激光器输出的光载波角频率，
Figure 508889DEST_PATH_IMAGE028
激光相位噪声。
该光波经过IQ光调制器调制，并经过半导体光放大器、光滤波器，可调延时线与光纤。调节可调延时线使环路延时满足
Figure 966416DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure DEST_PATH_IMAGE031
（其中m与k均为正整数），则生成的光信号
Figure 328258DEST_PATH_IMAGE032
表示式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 416300DEST_PATH_IMAGE034
为环路损耗；
Figure DEST_PATH_IMAGE035
是半导体光放大器带来的环路增益。
当注入的种子光波和第一次环路中IQ光调制器生成的频率下移的光波在光耦合器耦合再次注入环路时，3dB耦合器输出
Figure 745650DEST_PATH_IMAGE036
表示式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
该信号经过IQ光调制器、半导体光放大器、光滤波器，可调延时线与光纤。则生成的光波电场
Figure 256135DEST_PATH_IMAGE038
表示式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
可以推导出：经过N次光环路调制后的输出信号
Figure 721751DEST_PATH_IMAGE040
表示式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
加上种子光波电场，在3dB耦合器输出端看到的光波电场表示式如下： 
Figure DEST_PATH_IMAGE043
其中，第k个光谱谱线的频率为，电场相位为
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，电场增幅为：
Figure 661916DEST_PATH_IMAGE046
对应的第k个梳状谱功率为
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为了使梳状谱平坦，即让所有梳状谱的功率一致，只需要让
Figure 247618DEST_PATH_IMAGE048
与k无关，即令
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，这通过调节半导体光放大器的增益来满足。而系统中由环路光延时差、激光器相位噪声对梳状谱平坦度的影响，可由可调延迟线来克服。由于光纤环路的延时
Figure 490511DEST_PATH_IMAGE029
依赖于环境温度，故采用一个恒温箱，把整个光纤环路置于其中。
本发明与现有技术相比较，具有以下突出实质性特点和显著优点：（1）本发明利用了一个光环路的结构，且利用了光调制器的调制特性，就完成了梳状谱发生，系统复杂度低。（2）本发明的可操作性好。采用半导体放大器作为环路放大器的，它体积小，增益可调，容易满足谱线平坦的条件。（3）本发明的系统稳定性高。把光纤环路基层在一个温控盒中，与IQ光调制器一道完成整体温控，使系统在最佳工作参数下，稳定地产生平坦的梳状光谱。（4）本发明环路采用可调光延迟线克服了环路光延时、激光器相位噪声对梳状光谱平坦度的影响。（5）总之，本发明结构简单、成本低廉，能使在多波长网络中的梳状谱发生器系统进一步走向实用化。
附图说明
图1是基于循环移频方式的梳状谱发生系统的结构框图。
图2是平坦的梳状光谱图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例子是一个应用于12.5GHz间隔的16路梳状谱发生器的生成方法：
参见图1，本基于循环移频方式的梳状谱发生系统包括IQ光调制器1和环路。其特征在于：外腔激光器2与3dB耦合器3的一个输入端相连；而经过环路光调制器调制后的信号经偏振控制器8与3dB耦合器3的另一个输入端相连。3dB耦合器3的一个输出端与光频谱分析仪9相连，3dB耦合器的另一个输出端与IQ光调制器1相连。在所述的IQ光调制器1的上面一只双电极Mach-Zehnder光调制器10的一条臂上的RF电极输入由微波信号源1-1输出的余弦射频信号，并在那条臂上的直流电极加半波电压
Figure 466558DEST_PATH_IMAGE002
1-5；同时在该双电极Mach-Zehnder光调制器10的另外一条臂上的RF电极输入由微波信号源1-1输出的并经
Figure 7260DEST_PATH_IMAGE050
移相器1-2移相的12.5GHz同频倒相的余弦射频信号，并使该条臂上的直流电极接地；在下面一只双电极Mach-Zehnder光调制器11的一条臂上的RF电极输入由微波信号源1-1产生，并经
Figure 713048DEST_PATH_IMAGE003
移相器1-3的12.5GHz正弦射频信号，并在那条臂上的直流电极加半波电压
Figure 48215DEST_PATH_IMAGE002
1-6；同时在在该双电极Mach-Zehnder光调制器11的另一条臂上的RF电极输入由微波信号源1-1产生的经
Figure DEST_PATH_IMAGE051
移相器1-3和
Figure 88721DEST_PATH_IMAGE050
移相器1-4移相的同频倒相的12.5GHz正弦射频信号，并使该条臂上的直流电极接地。下面一只双电极Mach-Zehnder光调制器11的输出经过一个的电压下1-7产生
Figure 727829DEST_PATH_IMAGE051
的移相与上面一只双电极Mach-Zehnder调制器10的输出合波后输出。所述的IQ光调制器的输出端与半导体光放大器的输入端相连接。所述的半导体光放大器4的输出端与一个光滤波器5的输入端相连接，所述的光滤波器5的输出端与一个可调延迟线6的输入端相连接，所述的可调延迟线6的输出端通过环路光纤7连接到所述的偏振控制器8。
本基于循环移频方式的梳状光谱发生方法，采用上述系统来实现，其特征在于：在所述3dB耦合器3注入种子光和经IQ光调制器1生成移频光合波，然后源源不断地在所述环路中被IQ光调制器调制，产生新的谱线，又被所述半导体光放大器4补充能量，在合理光增益和所述的光滤波器带宽条件下，获得所需梳状谱根数的平坦梳状谱；具体体现在：在IQ光调制器的四个RF电极分别输入余弦射频信号、同频倒相的余弦射频信号、同频的正弦射频信号及同频倒相的正弦射频信号，并在直流电极上加适当的偏压，产生载波抑制的单边光波谱线，光波谱线频率的下移量等于RF电极的调制信号频率；生成的光波谱线经过所述的半导体光放大器4、光滤波器5、可调延时线6和偏振控制器8后，再与外腔激光器2发出的种子光在3dB耦合器3中耦合，重新注入所述光纤环路；光波在所述环路中每循环一次，就多生成一根光波谱线，一直到谱线频率超出光滤波器的通带为止；所述半导体光放大器4的作用是克服环路的能量损耗，包括3dB耦合器3、IQ光调制器1、光滤波器5、可调光延迟线6和光纤的插入损耗，保证生成的各个谱线高度相等。
在上述方法中，采用可调光纤延迟线使光纤环中的相移等于360°的整数倍，保证光谱谱线稳定。
在上述方法中，对光纤环路，包括3dB耦合器、IQ光调制器、半导体光放大器、光滤波器、可调光延迟线、光纤和偏振控制器实行恒温控制，以进一步确保梳状光谱发生器输出光谱的稳定性。
其工作原理如下：
可以推导出：经过N次光环路调制后的，在光谱仪上得到的输出频谱为：
Figure 233897DEST_PATH_IMAGE043
其中
Figure 263164DEST_PATH_IMAGE027
为激光器输出的光载波角频率，
Figure 145669DEST_PATH_IMAGE028
激光相位噪声，为环路损耗；
Figure 503018DEST_PATH_IMAGE035
是半导体光放大器带来的环路增益；
Figure 940953DEST_PATH_IMAGE011
是IQ光调制器的输入RF射频频率；
Figure 693662DEST_PATH_IMAGE007
是IQ Mach-Zehnder光调制器的调制系数并定义为
Figure 166232DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 14102DEST_PATH_IMAGE009
是输入IQ Mach-Zehnder光调制器的RF射频信号幅度，
Figure 1650DEST_PATH_IMAGE010
是IQ光调制器的半波电压。
取
Figure DEST_PATH_IMAGE053
。调整半导体光放大器4的增益
Figure 39007DEST_PATH_IMAGE035
使
Figure 366083DEST_PATH_IMAGE049
。选取，对应
Figure DEST_PATH_IMAGE055
，当
Figure 436862DEST_PATH_IMAGE056
时，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE057
，即需要的IQ光调制器的驱动功率为
Figure 199282DEST_PATH_IMAGE058
。需要的
Figure DEST_PATH_IMAGE059
（即9dB），其中L包括3dB耦合器、IQ光调制器、光滤波器、光可调延迟线和偏振控制器的插入损耗，共计15dB，所以半导体放大器的功率增益设计为24dB。
调整光可调延迟线6，使
Figure 711483DEST_PATH_IMAGE030
和（其中m与k均为正整数）成立。由于光纤环路的延迟
Figure 177416DEST_PATH_IMAGE029
依赖于环路温度，故设计一个恒温箱，整个光纤环路置于其中，控制温度到
Figure DEST_PATH_IMAGE061
.在恒温箱中发热部件是射频功率放大器（输出功率+12.4dBm）驱动的IQ光放大器和半导体光放大器（SOA），故先利用SOA基层的半导体制冷器，将SOA芯片的工作温度控制到，再将SOA和IQ光调制器一切贴装在紫铜基底上，在家半导体制冷器与该紫铜基底，将该组件与光纤环路的其他无缘部件一起置于隔热箱中，通电予以整体温度控制。
选取N=15，即令光滤波器滤波器5的贷款为16跟梳状谱线宽度。
这样就得到16跟平坦的，且稳定的梳状光谱，波长间隔为0.1nm，频率间隔为12.5GHz，每根谱线的线宽为20KHz。光谱如附图2所示。

Claims (4)

1.一种基于循环移频方式的梳状谱发生系统，其包括一个光纤环路，所述光纤环路包括3dB耦合器（3）、IQ光调制器（1）、半导体光放大器（4）、光滤波器（5）、可调光延迟线（6）、环路光纤（7）和偏振控制器（8），其特征在于所述光纤环路的结构是：一个外腔激光器（2）与一个3dB耦合器（3）的一个输入端相连，一个偏振控制器（8）与所述3dB耦合器（3）的另一个输入端相连；所述3dB耦合器（3）的一个输出端（9）为光谱输出端供外界使用，该3dB耦合器（3）的另一个输出端与所述IQ光调制器（1）的输入端相连；所述的IQ光调制器（1）的输出端与一个半导体光放大器（4）的输入端相连接，所述的半导体光放大器（4）的输出端与一个光滤波器（5）的输入端相连接，所述的光滤波器（5）的输出端与一个可调光延迟线（6）的输入端相连接，所述的可调光延迟线（6）的输出端通过环路光纤（7）连接到所述的偏振控制器（8）；所述IQ光调制器（1）的结构是：在所述的IQ光调制器（1）中，上面一只双电极Mach-Zehnder光调制器（10）的一条臂上的RF电极输入由微波信号源（1-1）输出的余弦射频信号，并在该条臂上的直流电极加半波电压 （1-5）；同时在该双电极Mach-Zehnder光调制器（10）的另外一条臂上的RF电极输入由微波信号源（1-1）输出的并经第一
Figure 303581DEST_PATH_IMAGE002
移相器（1-2）移相的同频倒相的余弦射频信号，并使该条臂上的直流电极接地；在下面的一只双电极Mach-Zehnder光调制器（11）的一条臂上的RF电极输入由微波信号源（1-1）产生、并经
Figure 57911DEST_PATH_IMAGE003
移相器（1-3）的正弦射频信号，并在该条臂上的直流电极加半波电压
Figure 106507DEST_PATH_IMAGE001
（1-6）；同时在该双电极Mach-Zehnder光调制器（11）的另一条臂上的RF电极输入由微波信号源（1-1）产生的经所述移相器（1-3）和第二
Figure 59737DEST_PATH_IMAGE002
移相器（1-4）移相的同频倒相的正弦射频信号，并使该条臂上的直流电极接地，下面一只双电极Mach-Zehnder光调制器（11）的输出经过一个
Figure 363679DEST_PATH_IMAGE005
的电压下（1-7）产生的移相与上面一只双电极Mach-Zehnder调制器（10）的输出合波后输出。
2.一种基于循环移频方式的梳状光谱发生方法，采用权利要求1所述的基于循环移频方式的梳状谱发生系统进行实现，其特征在于：在所述3dB耦合器（3）注入种子光和经IQ光调制器（1）生成移频光波合波，然后源源不断地在所述环路中被IQ光调制器（1）调制，产生新的谱线，又被所述半导体光放大器（4）补充能量，在合理光增益和所述的光滤波器带宽条件下，获得所需梳状谱根数的平坦梳状谱；具体体现在：在IQ光调制器（1）的四个RF电极分别输入余弦射频信号、同频倒相的余弦射频信号、同频的正弦射频信号及同频倒相的正弦射频信号，并在直流电极上加适当的偏压，产生载波抑制的单边光波谱线，光波谱线的频率下移量等于RF电极的调制信号频率；生成的光波谱线经过所述的半导体光放大器（4）、光滤波器（5）、可调光延迟线（6）和偏振控制器（8）后，再与外腔激光器（2）发出的种子光在3dB耦合器（3）中耦合，重新注入所述光纤环路；光波在所述环路中每循环一次，就多生成一根光波谱线，一直到谱线频率超出光滤波器的通带为止；所述半导体光放大器（4）的作用是克服环路的能量损耗，包括3dB耦合器（3）、IQ光调制器（1）、光滤波器（5）、可调光延迟线（6）和光纤的插入损耗，保证生成的各个谱线高度相等。
3.根据权利要求2所述的基于循环移频方式的梳状光谱发生方法，具体特征在于采用可调光延迟线使光纤环路中的相移等于360°的整数倍，保证光谱谱线稳定。
4.根据权利要求2所述的基于循环移频方式的梳状光谱发生方法，其特征在于对光纤环路，包括3dB耦合器、IQ光调制器、半导体光放大器、光滤波器、可调光延迟线、环路光纤和偏振控制器实行恒温控制，以进一步确保梳状光谱发生器输出光谱的稳定性。
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