CN103149772B - 一种基于时频映射的光学频率梳发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时频映射产生光学频率梳的发生装置，以及预估输出光频梳谱线条数的方法。本发明的实验装置如图所示，具体实验方法为：设置强度调制器为正交偏置，并工作于线性偏置区，连续光波经强度调制后输出平顶光脉冲；应用色散光纤与光相位调制器实现时域平顶脉冲到频域平坦光频梳的映射。所得的光频梳谱线条数可根据平顶光脉冲的时域宽度与相位调制器的调制深度进行估计。与已有方案相比，本发明中色散光纤的引入可得到更精确的时频映射。

Description

一种基于时频映射的光学频率梳发生器

技术领域

基于射频信号的级联光强度调制与相位调制可产生光学频率梳，即光频梳。为了得到尽可能多的平坦谱线，通常需要合理优化强度调制器的直流偏置点及强度调制器和相位调制器的调制深度。本发明涉及一种利用光调制产生光频梳的发生装置，其通过在强度调制器与相位调制器之间配置一定长度的色散光纤，可以实现时域平顶波形到频域平坦谱线的映射，其中只需将光强度调制器合理配置使其输出为平顶波形，而无需参数的优化，且输出光频梳的谱线数量可根据平坦波形的宽度和相位调制器的调制深度进行估计。本发明属于微波光子领域，尤其涉及基于光调制的光频梳产生方法的技术领域。

背景技术

目前，由于光频梳在光的任意波发生、波分复用、物理量精密测量等领域的巨大应用前景，平坦光频梳的产生方法受到越来越多的关注。产生光频梳的方法主要分为两种，一种是基于锁模激光器的方法，另外一种是基于电光调制的方法。前者需要构建类似激光器的复杂结构，其输出光谱易受外界温度和光纤等材料损耗特性的影响性能难以得到进一步的提高。而后一种基于电光调制的方法由于其更易调节，且具有高稳定和大带宽等突出优点，是目前的研究热点。

电光相位调制器可用作一种简易的时间透镜，在一定条件下实现时域到频域的映射(参考文献[1]：B.H.Kolner,“Space-time duality and the theory of temporal imaging”,IEEE Journal of Quantum Electronics. vol.30，no.8,1994,pp.1951-1963)。因此，顶部平坦的光时域脉冲输入光相位调制器可输出频谱分布轮廓与时域波形相似的光频梳(参考文献[2]:Torres-Company,Jesús Lancis,and Pedro Andrés,“Lossless equalization of frequency combs”，Optics Letters.vol.33,no.16,2008，pp：1822-1824)。通过级联两个强度调制器，得到一个顶部平坦的光时域脉冲，将频率为10GHz的微波信号加载在光相位调制器上，可得到平坦度为1dB，频率间隔为10GHz的38条谱线(参考文献[3]：R.Wu,V.R.Supradeepa,C.M.Long,et al.“Generation of very flat optical frequency combs from continuous-wave lasers using cascaded intensity and phase modulators driven by tailored radio frequency waveforms”，Optics Letters.vol.35,no.19,2010,pp:3234-3236)。

已有的级联光强度与相位调制器产生光学频率梳的方案都以光相位调制器作为时间透镜，以实现时频映射，产生平坦光频梳。然而此时的时频映射是在光相位调制器的调制深度达到一定强度条件下获得的，对时域平顶光脉冲的带宽和光相位调制器的调制深度有一定的要求。本发明针对这种情况，基于色散光纤和光相位调制器，提出一种可实现无条件时频映射的光学频率梳发生器。

为清楚说明本专利的发明内容，首先简单介绍传统基于相位调制器(PM)实现时频映射的光学频率梳原理。如参考文献3所给出的光频梳发生装置，利用马赫曾德强度调制器(MZM)产生平顶光时域波形，然后利用PM实现时频映射，产生平坦光频梳。此时，MZM的输出可表示为

$a\left(t\right)=A_0\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{0}t\right)\·\frac{1}{2}\left\{\exp \right[\mathrm{i\π}(\frac{1}{2}\mathrm{\α}\sin {\mathrm{\ω}}_{m}t+\mathrm{\γ})]+\exp [\mathrm{i\π}(-\frac{1}{2}\mathrm{\α}\sin {\mathrm{\ω}}_{m}t)\left]\right\}---\left(1\right)$

其中，A₀和ω₀分别为连续激光的电场幅度和角频率，ω_m为射频信号的角频率，α＝V_IM/V_{π _IM}为射频信号相对于强度调制器半波电压V_{π _IM}的归一化调制系数，γ＝V_bias/V_{π _bias}为直流偏置电压相对强度调制器的直流半波电压的归一化系数。当强度调制器正交偏置，工作于其调制曲线的线性区时，即可得到平顶的光脉冲波形a(t)。

理想时间透镜的传递函数为h(t)＝exp(iφ(t))，其中相位调制函数φ(t)为抛物线型，但在实际中抛物线型的信号很难实现，通常用三角函数信号，即射频信号代替抛物线型信号。射频调制函数可以表示为

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\mathrm{\β\π}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{m}t\right)\∝\mathrm{\β\π}[-\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\ω}}_{m}t\right)}^2]---\left(2\right)$

其中

$\mathrm{\β}=\frac{V_{\mathrm{PM}}}{V_{\mathrm{\π}\_\mathrm{PM}}}---\left(3\right)$

为相位调制器的调制深度。

在现有的方案中，强度调制器的输出直接送入相位调制器，此时，相位调制器的输出在频域内表示为

$\begin{array}{c}B\left(\mathrm{\ω}\right)\∝A\left(\mathrm{\ω}\right)*H\left(\mathrm{\ω}\right)\∝A\left(\mathrm{\ω}\right)*\exp \left(\frac{{\mathrm{i\ω}}^2}{2\mathrm{\β}{\mathrm{\π\ω}}_m^2}\right)=\underset{\mathrm{\Δ\ω}}{\∫}A\left(\mathrm{\Ω}\right)\·\exp \left[\frac{i{(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})}^2}{2\mathrm{\β}{\mathrm{\π\ω}}_m^2}\right]\mathrm{d\Ω}\\ \∝H\left(\mathrm{\ω}\right)\·\underset{\mathrm{\Δ\ω}}{\∫}A\left(\mathrm{\Ω}\right)\exp \left(\frac{{\mathrm{i\Ω}}^2}{2{\mathrm{\β\π\ω}}_m^2}\right)\exp \left(\frac{-\mathrm{i\ω\Ω}}{\mathrm{\β\π}{\mathrm{\ω}}_m^2}\right)\mathrm{d\Ω}\end{array}---\left(4\right)$

由于Ω<Δω/2，其中Δω为输入相位调制器的光脉冲的带宽，则当

$\mathrm{\&beta;}>>\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}^2}{8{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{\&omega;}}_m^2}---\left(5\right)$

可以忽略，则(4)可以表示为：

$B\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&Proportional;H\left(\mathrm{\&omega;}\right)\underset{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}{\&Integral;}A\left(\mathrm{\&Omega;}\right)\&CenterDot;\exp \left(\frac{-\mathrm{i\&omega;\&Omega;}}{\mathrm{\&beta;\&pi;}{\mathrm{\&omega;}}_m^2}\right)\mathrm{d\&Omega;}=H\left(\mathrm{\&Omega;}\right)\&CenterDot;a(t=\frac{\mathrm{\&omega;}}{\mathrm{\&beta;\&pi;}{\mathrm{\&omega;}}_m^2})---\left(6\right)$

则可以看出，在满足(5)式的条件下，即当相位调制器的调制深度较大时，通过相位调制器，可实现平顶光脉冲波形a(t)与输出光谱B(ω)间的时频映射。换言之，只有当平顶时域脉冲的带宽与相位调制器的调制深度满足公式(5)的约束条件时，才能将相位调制器作为时间透镜，实现时频映射。

发明内容

本发明公开了一种可实现无条件，即无公式(5)约束的时频映射的光学频率梳发生器。具体方法为，在强度调制器和相位调制器之间配置了一段色散光纤，其传递函数表示为

$H(f,L)=\exp (-j\frac{{\mathrm{\&pi;\&lambda;}}_c^2\mathrm{DL}}{C}{(f-f_c)}^2)---\left(7\right)$

其中，f_c为输入光的中心频率，L为光纤长度，D为光纤的色散系数。强度调制器输出的光脉冲经过光纤之后再送入相位调制器，此时，相位调制器的输出在频域内可表示为

$B\left(\mathrm{\&omega;}\right)=H\left(\mathrm{\&omega;}\right)\underset{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}{\&Integral;}A\left(\mathrm{\&Omega;}\right)\&CenterDot;\exp (-i\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_c^2{D}_{\mathrm{smf}}L}{4\mathrm{\&pi;C}}{\mathrm{\&Omega;}}^2)\&CenterDot;\exp \left(\frac{i{\mathrm{\&Omega;}}^2}{2\mathrm{\&beta;\&pi;}{\mathrm{\&omega;}}_m^2}\right)\&CenterDot;\exp \left(\frac{-\mathrm{i\&omega;\&Omega;}}{\mathrm{\&beta;\&pi;}{\mathrm{\&omega;}}_m^2}\right)\mathrm{d\&Omega;}---\left(8\right)$

则当色散光纤的参数满足

$D\&CenterDot;L=\frac{c}{2\mathrm{\&beta;}{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{\&lambda;}}_c^2{f}_m^2}---\left(9\right)$

可以被抵消，则同样有：

$B\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&Proportional;H\left(\mathrm{\&omega;}\right)\underset{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}{\&Integral;}A\left(\mathrm{\&Omega;}\right)\&CenterDot;\exp \left(\frac{-\mathrm{i\&omega;\&Omega;}}{\mathrm{\&beta;\&pi;}{\mathrm{\&omega;}}_m^2}\right)\mathrm{d\&Omega;}=H\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&CenterDot;a(t=\frac{\mathrm{\&omega;}}{\mathrm{\&beta;\&pi;}{\mathrm{\&omega;}}_m^2})---\left(10\right)$

可以看出(10)式与(6)式相同，即在强度调制器与相位调制器之间配置一段合适的色散光纤，可省去已有方案中需要的如(5)式所示的约束条件。

此外，从(10)式可以看出，该光频梳发生器输出谱线的条数取决于时域脉冲a(t)的宽度及相位调制器的调制深度。理论上可用式(11)来估计输出光频梳的谱线数量n：

n＝πω_mσβ+n₀ (11)

其中，σ为a(t)的宽度，n₀为时间透镜输入信号的初始谱线数，即a(t)频谱的谱线数，由于a(t)为平顶脉冲，其对应的谱线数n₀＝1。若光频梳的谱线数量以3dB平坦度为约束，则σ应为a(t)的半高全宽(FWHM)。

基于上述原理，具体而言，本发明所涉及的光学频率梳发生器的结构如图1所示。图中，射频信号(6)驱动强度调制器(2)对激光器(1)发出的连续光进行调制，通过调整强度调制器的直流偏置电压(7)和驱动信号的功率，使强度调制器的输出为平顶光脉冲，此光脉冲经过一段色散光纤(3)进入光相位调制器(4)，射频信号(6)经功率放大器(8)放大后驱动相位调制器。移相器(5)用于保证时域脉冲和相位调制器调制信号的同步。当色散光纤的长度及色散系数满足公式(9)所示的关系时，可精确实现时域平顶光脉冲波形到频 域平坦光频梳的映射。

本发明具有以下优点：

(1)本发明所涉及的时频映射的方法与传统的方法相比，采用了色散光纤与光相位调制器作为时间透镜，可实现无条件的时频映射，即不需要传统方案中要求相位调制器工作于大调制深度条件下的限制，在较小的调制深度下也可以精确实现时频映射。

(2)本发明实现了无条件的时频映射，可以由公式(11)，即根据强度调制器输出的时域脉冲波形的宽度和相位调制器的调制深度估计输出光频梳的谱线数量。

(3)和传统的方案相比，本发明不需要强度调制器和相位调制器的多参数优化，只需将强度调制器偏置在正交偏置点，工作在线性调制区，使其输出为平顶的光脉冲波形，然后根据所需的光频梳的谱线数量，由公式(11)确定相位调制器的调制深度，由公式(9)确定色散光纤的长度即可，简化了产生平坦光频梳的设计过程。

(4)本发明提供的方案还具有良好的可扩展性，对光纤之后的相位调制器的调制深度没有约束，都可无条件的时频映射，可以通过级联多个相位调制器实现大的调制深度，从而输出更多的平坦光频梳谱线。

附图说明

图1：本发明所涉及的光学频率梳发生器的装置图。

图2：实验获得的包含27条光频梳谱线的光谱图。

图3：光频梳输出谱线条数随调制深度变化的关系，其中包含 理论结果、仿真结果和实验结果。

具体的实施方式

本发明所提出的光学频率梳发生器的性能，已通过实验进行了验证，实验装置如图1所示，实验过程及实验结果结合附图说明如下。

如图1所示，首先设置强度调制器偏置在正交偏置点，并工作于线性调制区，即将其参数分别设定为α＝0.5、γ＝-0.5。强度调制器与相位调制器的调制信号为10GHz的射频信号，激光器输出的连续波经强度调制器调制，输出顶部平坦的光脉冲。然后通过改变相位调制器的调制深度以获得不同的输出谱线数量。当调制深度β＝5.71时，实验获得了平坦度为3dB的27条光谱线，如图2所示。输出谱线条数随调制深度β变化的曲线如图3所示。其中，理论结果由式(11)计算所得，在此情况，n＝4.9348β+1，仿真中，采用的色散光纤为普通单模光纤(SMF)，光纤参数满足关系式(9)。SMF的色散系数D＝17ps/nm/km，由(9)式可知所需的光纤长度为百米量级。图3可见，仿真结果和理论结果吻合较好，因此，设定调制深度β，理论曲线可以用来估算输出光频梳的谱线数量。此外，由于实验过程中，通过光纤跳线引入光纤色散，所用的跳线长度没有恰好达到公式(9)所需的光纤长度，所以图3中实验结果和仿真结果存在较小的差异，但二者总体吻合较好。因此，仿真和实验结果都验证了此发明的可行性。

综上所述，本发明达到了预期的目的。

Claims (3)

1.基于时频映射的光学频率梳发生器，其特征在于，光学频率梳发生器包括以下器件：激光器(1)，一个光强度调制器(2)，一段色散光纤(3)，一个光相位调制器(4)，一个可调微波移相器(5)，一个微波信号源(6)，一个直流电压源(7)和一个微波功率放大器(8)，激光器(1)产生的连续光波依次通过光强度调制器(2)和光相位调制器(4)，两个调制器通过色散光纤(3)级联，微波信号源(6)产生的射频信号分两路输出，一路驱动光强度调制器(2)，另一路经微波功率放大器(8)放大，并经可调微波移相器(5)移相后驱动光相位调制器(4)，直流电压源(7)为光强度调制器(2)提供直流偏置，色散光纤(3)和光相位调制器(4)构成时间透镜，用来实现时频映射。

2.权利要求1所述的基于时频映射的光学频率梳发生器，其特征在于采用色散光纤和光相位调制器实现时频映射,输入色散光纤的光时域波形为平顶的，通过合理配置色散光纤的参数，使其满足其中D和L分别为色散光纤的色散系数及长度；c为光速；β为光相位调制器归一化的调制信号幅度，即调制深度；λ_c为光载波的波长；f_m为射频调制信号的频率；可实现无条件的时域平顶脉冲波形到频域平坦光频梳的映射，即使调制深度较小，通过选择合适的色散光纤，也能精确实现时频映射。

3.权利要求1所述的基于时频映射的光学频率梳发生器，其特征在于，输出的光学频率梳的谱线数量n与输入色散光纤的时域平顶光脉冲的宽度σ及光相位调制器的调制深度β之间存在对应关系，即n＝πω_mσβ+n₀，其中，ω_m为射频调制信号的角频率，n₀为平顶时域光脉冲对应光谱的谱线数量，可根据所需光频梳的谱线数量，确定光相位调制器的调制深度和色散光纤的长度。