CN103178436A - 主动锁模激光器超模噪声抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的主动锁模激光器超模噪声抑制方法，其特征在于，包括：步骤S1，把主动锁模激光器输出的一部分光信号脉冲分出，作为脉冲强度前馈信号，输入至脉冲强度前馈装置；步骤S2，所述脉冲强度前馈装置对脉冲强度前馈信号进行调整，使光信号脉冲转变为电脉冲信号，并且把所述电脉冲信号和主动锁模激光器中的光信号脉冲同时输入至主动锁模激光器的MZM；步骤S3，所述MZM根据接收到的所述步骤S2的光脉冲信号和电脉冲信号对主动锁模激光器的光脉冲信号的幅度进行调整，得到稳定的光脉冲信号。本发明提供的超模噪声抑制方法，能够有效抑制所述主动锁模激光器腔内的超模噪声，进一步提升主动锁模激光器的性能。

Description

主动锁模激光器超模噪声抑制方法及装置

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种主动锁模激光器超模噪声抑制方法及装置。

背景技术

抑制超模噪声可以增强超短脉冲主动锁模激光器输出脉冲的稳定性，大大减少脉冲时间抖动，由此产生的高速超稳定主动锁模激光器在光纤通信、光信号处理、超稳定微波信号产生等领域具有广泛的应用。现有技术中对于主动锁模激光器的超模噪声抑制的技术方案主要由以下三种：

一、典型的抑制超模噪声的方法

图1是现有技术中的典型的抑制超模噪声的装置结构图，如图1所示，EDFA（Erbium-Doped Fiber Amplifier）是掺铒光纤放大器，ISO（Optical Isolator）是光隔离器，PC（Polarization controller）是偏振控制器，OC（Optical Coupler）是光耦合器，Output是输出，FP（FabryPerot）是法布里-珀罗滤波器，ODL（Variable Optical Delay Line）是光可调延时线，MZM（Mach-Zehnder Modulator）是马赫曾德尔调制器，RF signal是射频信号源；

这种抑制超模噪声的方法是利用腔内加入的法布里-珀罗滤波器。由于主动锁模激光器较长的腔长，使得腔内有众多频率间隔为环形腔基频的模式产生，众多模式中，间隔为调制频率的一组模式为一组超模，每组超模是相互耦合的，一组超模内的不同纵模相互相位锁定，在时域形成锁模脉冲。不同超模之间不存在固定的相位关系，并且，每一组超模都可以形成一个单独的锁模解并且满足调制和激发条件。结果多组纵模之间相互竞争，产生超模竞争，当只有一组超模得到足够增益时，其他超模才会被抑制掉。超模竞争会导致输出脉冲振幅随时间抖动，因此会产生不规则脉冲幅度的光脉冲，严重甚至会产生脉冲丢失。超模噪声会随着谐振腔长增加或者调制频率升高而越发明显，因此，为了产生稳定主动锁模脉冲，必须抑制超模噪声，使得一组超模占据主导。

根据超模噪声的原理不难理解，这种结构的激光器装置，通过利用腔内的FP滤波器，使得梳状滤波器的透射谱中心波长对准一组超模，满足一组超模透过率最大并且衰减其他超模，经过多次循环以后，腔内只有一组超模得到足够增益并占据主导，进而实现超模噪声的抑制。

这种结构的抑制超模噪声方法的优点是腔内插入FP腔不会增加较大的腔长，并且输出光功率稳定。

二、利用复合腔结构抑制超模噪声的装置

图2是现有技术中利用复合腔结构抑制超模噪声的装置结构图，如图2所示，EDFA（Erbium-Doped Fiber Amplifier）是掺铒光纤放大器，ISO（Optical Isolator）是光隔离器，PC（Polarization controller）是偏振控制器，OC（Optical Coupler）是光耦合器，Output是输出，MZM（Mach-Zehnder Modulator）是马赫曾德尔调制器，RF signal是射频信号源；

这种装置利用复合腔结构实现主动锁模激光器超模噪声的抑制，其特点是不需要很复杂的结构和额外的复杂器件，在原有激光器结构上增加两个级联的3dB耦合器，形成两个不同长度的子腔，这种复合腔结构，结构简单容易实现。由于超模噪声与谐波锁模相伴而生，谐波锁模阶数越高，可能起振的超模组数就越多，超模噪声越大。因此，当调制频率f一定时，腔的等效基频越大，谐波锁模阶数越低，超模组数越少。利用复合腔抑制超模噪声的原理是，复合腔由两个子腔构成，且子腔的基频（纵模间隔）不同，复合腔的等效基频为两个子腔基频的最小公倍数，大于任意一个子腔的基频，所以，复合腔结构可以减少超模组数，进而抑制超模噪声。利用复合腔抑制超模噪声装置在实验中得到验证，可以减少超模噪声的数目。

这种抑制激光器超模噪声的装置的优点是结构简单，容易实现。

三、基于非线性偏振旋转抑制超模噪声的装置

图3是现有技术中基于非线性偏振旋转抑制超模噪声的装置结构图，如图3所示，EDFA（Erbium-Doped Fiber Amplifier）是掺铒光纤放大器，DSF（Dispersion Shifted Fiber）是色散位移光纤，OC（OpticalCoupler）是光耦合器，PL（Polarizer）是起偏器，ODL（Variable OpticalDelay Line）是光可调延时线，PC（Polarization controller）是偏振控制器，Output是输出，MZM（Mach-Zehnder Modulator）是马赫曾德尔强度调制器，RF是射频信号源，OTF（Optical Tunable Filter）是光可调滤波器；

这种基于非线性偏振旋转（NPR，Nonlinear Polarization Rotation）抑制主动锁模激光器超模噪声的装置，在典型主动锁模激光器中增加PC+PL+PC的结构，实现NPR效应。原理是利用光纤内一些非线性效应（自相位调制，交叉相位调制），色散效应和由起偏器、两个光纤偏振控制器构成的结构，实现加成脉冲限制（APL，Additive PulseLimiting）。振荡光经过PL后变成线偏振光，经过PC以后成为椭圆偏振光，椭圆偏振光可以看成强度不等的垂直线偏振光的合成，通过单模光纤时由于光克尔效应，光脉冲的不同部位会因强度不同而积累不同的非线性相移，最后合成的偏振态也会因为不同的非线性相移而产生不同程度的偏振旋转，当它再次经过PL时，就会因为脉冲不同部位的偏振态不同，而实现偏振相关的自幅度调制效应。通过选择合适的PC位置，使得腔内高的脉冲经历大的损耗，低的脉冲经历小的损耗，这样就实现了加成脉冲限制作用，进而抑制脉冲强度的瞬时抖动，从而有效抑制超模噪声。

这种抑制超模噪声的装置的优点是利用完全被动的方式，有效地抑制主动锁模激光器内的超模噪声。

然而以上三种技术方案都具有缺陷：

第一种技术方案的缺点是：

1、FP滤波器透射谱随温度变化漂移严重；

2、腔内需要有额外的稳定方案，保持激光器基频的整数倍和FP梳状滤波器的透射峰保持对准；

3、FP滤波器插损较大，增大激光器的腔内损耗，需要更大的增益保证脉冲稳定运转。

第二种技术方案的缺点是：

1、两个级联3dB耦合器的复合腔结构其透射率曲线相当于一个低Q值光梳状滤波器，实验结果显示虽然复合腔可以减少超模噪声的数量，但是不能对所有超模噪声进行有效地抑制；

2、要得到较大的等效基频，要严格控制两个子腔的长度，要求对子腔光纤长度的把握非常精确，比较难实现。

第三种技术方案的缺点是：

1、由于高速主动锁模激光器内单个脉冲能量较低，因此腔内需要较长的光纤才能积累较大的非线性，进而极大地增加了激光器的腔长；

2，利用NPR效应，使得激光器环形腔不能实现全保偏结构，因此不能避免偏振态扰动带来的不稳定性。

可见现有技术中的主动锁模激光器超模噪声抑制方法由于没有基于脉冲强度的前馈控制，而导致了结构复杂、不稳定、腔内损耗大、超模抑制比低的缺点。

发明内容

本发明提供的主动锁模激光器超模噪声抑制方法及装置，解决了现有技术中由于没有前馈控制而导致的主动锁模激光器的超模噪声抑制方法的超模抑制比低、腔内损耗大、不稳定、超模抑制装置结构复杂的问题，进一步提升了主动锁模激光器的超模噪声抑制性能。

本发明提供的主动锁模激光器超模噪声抑制方法，包括：

步骤S1，把主动锁模激光器输出的一部分光信号脉冲分出，作为脉冲强度前馈信号，输入至脉冲强度前馈装置；

步骤S2，所述脉冲强度前馈装置对脉冲强度前馈信号进行调整，使光信号脉冲转变为电脉冲信号，并且把所述电脉冲信号和主动锁模激光器中的光信号脉冲同时输入至主动锁模激光器的MZM（Mach-Zehnder Modulator）；

步骤S3，所述MZM根据接收到的所述步骤S2的光脉冲信号和电脉冲信号对主动锁模激光器的光脉冲信号的幅度进行调整，得到稳定的光脉冲信号。

进一步，本发明所述的超模噪声抑制方法，所述步骤S2中，先对光脉冲信号的传播时间进行调整，然后把光脉冲信号转变为电脉冲信号。

进一步，本发明所述的超模噪声抑制方法，所述步骤S2中，先把光脉冲信号转变为电脉冲信号，然后对光脉冲信号的传播时间进行调整。

进一步，本发明所述的超模噪声抑制方法，所述主动锁模激光器的全部光纤都是保偏光纤。

本发明提供的主动锁模激光器超模噪声抑制装置，包括：

MZM101（Mach-Zehnder Modulator），是双驱动马赫曾德尔强度调制器，用于接收RF射频信号并实现主动锁模，与光隔离器102相连，将光脉冲信号传输至光隔离器102；

光隔离器102（ISO，Optical Isolator），用于使主动锁模激光器的腔内的光脉冲信号单向传输，传输方向为从MZM 101至光隔离器102方向，与波分复用器103相连，将单向光脉冲信号输入至波分复用器103；

波分复用器103（WDM，Wave Division Multiplexing），用于和泵浦源104共同作用，为所述主动锁模激光器提供稳定的直流泵浦光，在主动锁模激光器内形成稳定的光脉冲信号，与掺铒光纤105相连，将稳定的光脉冲信号输入至掺铒光纤105；

泵浦源104（Pump），用于提供稳定的直流泵浦光，与波分复用器103相连；泵浦源104提供稳定的直流光；

掺铒光纤105（EDF，Erbium-Doped Fiber），用于为所述主动锁模激光器的光脉冲信号提供信号增益，与第一光耦合器106相连，将增益的光脉冲信号传输至第一光耦合器106；

第一光耦合器106（OC，Optical Coupler），用于耦合并输出所述主动锁模激光器的腔内的光脉冲信号，与MZM 101相连；

脉冲强度前馈装置，连接于第一光耦合器106和MZM 101之间，用于将第一光耦合器106的光脉冲信号的幅度前馈给MZM 101。

进一步，本发明所述的超模噪声抑制装置，所述脉冲强度前馈装置包括：

第二光耦合器201（OC，Optical Coupler），用于把即将输出的光脉冲信号的一部分耦合分出，用于脉冲强度前馈，并且把光脉冲信号的剩余部分耦合输出，与第一光耦合器106相连，接收第一光耦合器106输出的光脉冲信号，第二光耦合器201的另一端与光可调延时线202相连，把分出的光脉冲信号作为脉冲强度前馈信号输入至光可调延时线202；

光可调延时线202（ODL，Variable Optical Delay Line），用于调整光脉冲信号的传播时间，使光脉冲信号在所述的主动锁模激光器内从第一光耦合器106的光脉冲信号的输出点到MZM 101的光脉冲信号输入点的传播时间与脉冲强度前馈信号在所述脉冲强度前馈装置中的传播时间相同，光可调延时线202与光电探测器203相连，将调整后的脉冲强度前馈信号输入至光电探测器203；

通过调整光脉冲信号的传播时间，就实现了主动锁模激光器腔内的光脉冲信号不仅仅被微波源调制，还同时被光脉冲信号自己强度产生的、同步的电信号调制。

光电探测器203（PD，Photo-Detector），用于将光脉冲信号转变为电脉冲信号，与可调增益放大器204相连，将电脉冲信号输入至可调增益放大器204；

可调增益放大器204（VGA，Variable Gain Amplifier），用于放大光电探测器203的电脉冲信号，与MZM 101相连，将放大后的电脉冲信号输入至MZM 101的另一个端口；

通过调节可调增益放大器204的增益，可以改变输入到MZM 101的前馈电信号强度，使最终的脉冲强度前馈信号工作在一个合适的强度。

进一步，本发明所述的超模噪声抑制装置，所述脉冲强度前馈装置包括：

第二光耦合器201（OC，Optical Coupler），用于把即将输出的光脉冲信号的一部分耦合分出，用于脉冲强度前馈，并且把光脉冲信号的剩余部分耦合输出，与第一光耦合器106相连，接收第一光耦合器106输出的光脉冲信号，第二光耦合器201的另一端与光电探测器203相连，把分出的光脉冲信号作为脉冲强度前馈信号输入至光电探测器203；

光电探测器203（PD，Photo-Detector），用于将光脉冲信号转变为电脉冲信号，与移相器205相连，将电脉冲信号输入至移相器205；

移相器205，通过调整电脉冲信号的相位，使光脉冲信号在所述的主动锁模激光器内从第一光耦合器106的光脉冲信号的输出点到MZM101的光脉冲信号输入点的传播时间与脉冲强度前馈信号在所述脉冲强度前馈装置中的传播时间相同，与可调增益放大器204相连，将调整后的电脉冲信号输入至可调增益放大器204；

可调增益放大器204（VGA，Variable Gain Amplifier），用于移相器205调整后的电脉冲信号，与MZM 101相连，将放大后的电脉冲信号输入至MZM 101的另一个端口；

通过调节可调增益放大器204的增益，可以改变输入到MZM 101的前馈电信号强度，使最终的脉冲强度前馈信号工作在一个合适的强度。

进一步，本发明所述的超模噪声抑制装置，所述掺铒光纤105为高掺杂的保偏的掺铒光纤；

进一步，本发明所述的超模噪声抑制装置，在第二光耦合器201中，光脉冲信号用于脉冲强度前馈的部分和用于输出的部分的比值是1：1。

进一步，本发明所述的超模噪声抑制装置，所述主动锁模激光器的所有光纤都是保偏光纤，以避免偏振态抖动带来的不稳定性。

本发明提供的主动锁模激光器超模噪声抑制方法及装置，其有益效果在于：

一、利用脉冲幅度前馈，使所述主动锁模激光器腔内只需要一个双驱动MZM就能同时实现主动锁模和超模噪声抑制，结构简单；

二、所述主动锁模激光器是全保偏结构，避免了偏振态扰动引起的所述主动锁模激光器腔内的光脉冲信号的不稳定；

三、由于没有利用光纤的非线性特性，使所述主动锁模激光器的腔长相对较短。

四、所述主动锁模激光器能够形成较大超模噪声抑制比，以及超低的输出脉冲时间抖动。

综上，本发明提供的主动锁模激光器超模噪声抑制方法及装置，能够有效抑制所述主动锁模激光器内的超模噪声，实现高速主动锁模激光器的超稳定输出、结构简单、腔内损耗小，进一步提升了主动锁模激光器的超模噪声抑制性能以及实用性。

附图说明

图1是现有技术中的典型的抑制超模噪声的装置结构图；

图2是现有技术中利用复合腔结构抑制超模噪声的装置结构图；

图3是现有技术中基于非线性偏振旋转抑制超模噪声的装置结构图；

图4是本发明实施例所述的主动锁模激光器超模噪声抑制方法的流程图；

图5是本发明实施例1所述的主动锁模激光器超模噪声抑制装置的结构图；

图6是本发明实施例2所述的主动锁模激光器超模噪声抑制装置的结构图；

图7是基于脉冲强度前馈抑制主动锁模激光器腔内的脉冲能量波动的原理解释图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步描述。

图4是本发明实施例所述的主动锁模激光器超模噪声抑制方法的流程图，如图4所示，本发明实施例提供的主动锁模激光器超模噪声抑制方法，包括：

步骤S1，把主动锁模激光器输出的一部分光信号脉冲分出，作为脉冲强度前馈信号，输入至脉冲强度前馈装置；

步骤S2，所述脉冲强度前馈装置对脉冲强度前馈信号进行调整，使光信号脉冲转变为电脉冲信号，并且把所述电脉冲信号和主动锁模激光器中的光信号脉冲同时输入至主动锁模激光器的MZM（Mach-Zehnder Modulator）；MZM（Mach-Zehnder Modulator）是双驱动马赫曾德尔强度调制器；

步骤S3，所述MZM根据接收到的所述步骤S2的光脉冲信号和电脉冲信号对主动锁模激光器的光脉冲信号的幅度进行调整，得到稳定的光脉冲信号。

进一步，本发明实施例所述的超模噪声抑制方法，所述步骤S2中，先对光脉冲信号的传播时间进行调整，然后把光脉冲信号转变为电脉冲信号。该步骤可以通过实施例1所述的超模噪声抑制装置完成。

进一步，本发明实施例所述的超模噪声抑制方法，所述步骤S2中，先把光脉冲信号转变为电脉冲信号，然后对光脉冲信号的传播时间进行调整。该步骤可以通过实施例2所述的超模噪声抑制装置完成。

进一步，本发明实施例所述的超模噪声抑制方法，所述主动锁模激光器的全部光纤都是保偏光纤。

使用保偏光纤排除了主动锁模激光器腔内的偏振态扰动带来的不稳定性。保偏光纤通过在光纤中引入大量的双折射，使微小的、随机的双折射的起伏不会影响光的偏振态，从而实现了光波在保偏光纤中传输时保持偏振态不变，因此这种被光纤称为偏振保持光纤，即保偏光纤。

实施例1：

图5是本发明实施例1所述的主动锁模激光器超模噪声抑制装置的结构图，如图5所示，本发明实施例1提供的主动锁模激光器超模噪声抑制装置，包括：

MZM101（Mach-Zehnder Modulator），是双驱动马赫曾德尔强度调制器，用于接收RF射频信号并实现主动锁模，与光隔离器102相连，将光脉冲信号传输至光隔离器102；

MZM 101的材料是铌酸锂（LiNbO₃）；输入的RF射频信号通过产生的正弦微波信号驱动MZM 101工作，RF射频信号是信号源，是电脉冲信号，MZM 101根据输入的RF电脉冲信号的频率，对主动锁模激光器腔内的光脉冲进行调整，使其转变为携带RF射频信号加载的信息的光脉冲信号，即MZM 101的作用是接收外界电脉冲信号的驱动，将其转变为相应的光脉冲信号，在主动锁模激光器内传播并输出；本实施例1中，MZM 101共使用4个端口：2个是电脉冲信号输入端，1个是光脉冲信号输入端，1个是光脉冲信号输出端；所述的2个电脉冲信号输入端，其中1个端口接收RF射频信号，RF射频信号就是微波源，另外1个端口接收脉冲强度前馈装置的脉冲强度前馈信号，进入MZM 101的脉冲强度前馈信号是电脉冲信号；在两个电脉冲信号的共同作用下，MZM 101的光脉冲信号被综合调制，使其幅度保持稳定；光脉冲信号的输入端和输出端，则在整个主动锁模激光器内形成稳定循环的光信号脉冲。

光隔离器102（ISO，Optical Isolator），用于使主动锁模激光器的腔内的光脉冲信号单向传输，传输方向为从MZM 101至光隔离器102方向，与波分复用器103相连，将单向光脉冲信号输入至波分复用器103；

波分复用器103（WDM，Wave Division Multiplexing），用于和泵浦源104共同作用，为所述主动锁模激光器提供稳定的直流泵浦光，在主动锁模激光器内形成稳定的光脉冲信号，与掺铒光纤105相连，将稳定的光脉冲信号输入至掺铒光纤105；

泵浦源104（Pump），用于提供稳定的直流泵浦光，与波分复用器103相连；泵浦源104提供稳定的直流光，把1480nm或者980nm的直流光经过波分复用器103耦合后，进入掺铒光纤105；

掺铒光纤105（EDF，Erbium-Doped Fiber），用于为所述主动锁模激光器的光脉冲信号提供信号增益，与第一光耦合器106相连，将增益的光脉冲信号传输至第一光耦合器106；

所述掺铒光纤105为高掺杂的保偏的掺铒光纤；使用保偏光纤排除了主动锁模激光器腔内的偏振态扰动带来的不稳定性。保偏光纤通过在光纤中引入大量的双折射，使微小的、随机的双折射的起伏不会影响光的偏振态，从而实现了光波在保偏光纤中传输时保持偏振态不变，因此这种被光纤称为偏振保持光纤，即保偏光纤。而高掺杂光纤是铒离子掺杂浓度较高的掺铒光纤，利用较短的掺铒光纤就能够提供足够大的腔内增益，从而缩短了本发明所述的主动锁模激光器的腔长。而高掺杂的保偏的掺铒光纤就是结合以上两种特性的光纤。

第一光耦合器106（OC，Optical Coupler），用于耦合并输出所述主动锁模激光器的腔内的光脉冲信号，与MZM 101相连；

所述的第一光耦合器106共使用3个端口，1个端口接收掺铒光纤105输出的光脉冲信号，1个端口向第二光耦合器201输出光脉冲信号，1个端口向MZM 101输出光脉冲信号。

脉冲强度前馈装置，连接于第一光耦合器106和MZM 101之间，用于将第一光耦合器106的光脉冲信号的幅度前馈给MZM 101。

进一步，本发明实施例1所述的超模噪声抑制装置，所述脉冲强度前馈装置包括：

第二光耦合器201（OC，Optical Coupler），用于把即将输出的光脉冲信号的一部分耦合分出，用于脉冲强度前馈，并且把光脉冲信号的剩余部分耦合输出，与第一光耦合器106相连，接收第一光耦合器106输出的光脉冲信号，第二光耦合器201的另一端与光可调延时线202相连，把分出的光脉冲信号作为脉冲强度前馈信号输入至光可调延时线202；光脉冲信号用于脉冲强度前馈的部分和用于输出的部分的比值是1：1；

本实施例1所述的第二光耦合器201虽然使所述比值为1:1，但是实际中，该比例可以根据实际需要进行调整，只要满足脉冲强度前馈的光脉冲信号功率处在PD的线性工作区域即可。所述的第二光耦合器201共使用3个端口，1个端口接收第一光耦合器106输出的光脉冲信号，1个端口向光可调延时线202输出光脉冲信号，1个端口向外界输出光脉冲信号，即Output；

光可调延时线202（ODL，Variable Optical Delay Line），用于调整光脉冲信号的传播时间，使光脉冲信号在所述的主动锁模激光器内从第一光耦合器106的光脉冲信号的输出点到MZM 101的光脉冲信号输入点的传播时间与脉冲强度前馈信号在所述脉冲强度前馈装置中的传播时间相同，光可调延时线202与光电探测器203相连，将调整后的脉冲强度前馈信号输入至光电探测器203；

通过调整光脉冲信号的传播时间，可以使从第一光耦合器106输出的光脉冲信号与所述脉冲强度前馈装置输出的脉冲强度前馈信号同时输入至MZM 101，就实现了主动锁模激光器腔内的光脉冲信号不仅仅被微波源调制，还同时被光脉冲信号自己的强度产生的、同步的电脉冲信号调制，实现腔内脉冲幅度波动限制。

光电探测器203（PD，Photo-Detector），用于将光脉冲信号转变为电脉冲信号，与可调增益放大器204相连，将电脉冲信号输入至可调增益放大器204；

可调增益放大器204（VGA，Variable Gain Amplifier），用于放大光电探测器203的电脉冲信号，与MZM 101相连，将放大后的电脉冲信号输入至MZM 101的另一个端口；

通过调节可调增益放大器204的增益，可以改变输入到MZM 101的前馈电信号强度，使最终的脉冲强度前馈信号工作在一个合适的强度。

本发明实施例1所述的超模噪声抑制装置，所述主动锁模激光器的所有光纤都是保偏光纤，以避免偏振态抖动带来的不稳定性。

进一步，本发明实施例1所述的超模噪声抑制装置，所述高掺杂保偏的掺铒光纤105的长度约为1.7m，主动锁模激光器的其余光纤都为保偏单模光纤，总腔长约为12.5m，对应基频的约为16MHz。第一光耦合器106的耦合输出比为30:70。第二光耦合器201的耦合输出比为50:50。泵浦源是980nm的半导体激光器，微波源的射频微波信号频率为10.0944GHz,Pump功率为23.34dBm。当使用所述脉冲强度前馈控制后，主动锁模激光器超模噪声得到很好抑制，输出超稳定的主动锁模脉冲。

本发明实施例1的效果：

用高速光示波器和高精度光谱仪测量输出光脉冲序列的时域和光谱特性，输出光脉冲半高全宽为22ps，3dB的光谱宽度为0.36nm，光谱中心波长为1556.86nm。输出光谱很清晰的显示0.08nm的模式间隔，对应大约10GHz的重复频率。

用频谱仪测量光脉冲的频谱特性。不使用脉冲强度前馈时，锁模脉冲抖动严重，频谱内产生间隔约16MHz的超模噪声，超模噪声抑制比约为43dB。使用脉冲强度前馈后，10GHz光信号脉冲的超模噪声抑制比大于78dB，超模噪声抑制比增长大于35dB。相位噪声在1KHz和1MHz载频频率偏移处低于-114.6dBc/Hz和-132.6dBc/Hz。通过积分载频偏移100Hz到1MHz内的相位噪声，得到RMS脉冲抖动低于22fs。

以上输出特性表明，通过本发明实施例1所述的脉冲强度前馈控制，可以得到超稳定主动锁模光脉冲输出，超模噪声抑制比大于78dB，脉冲时间抖动小于22fs，进一步提升了高速主动锁模激光器的超模噪声抑制性能以及实用性.

图7是基于脉冲强度前馈抑制主动锁模激光器腔内的脉冲能量波动的原理解释图，如图7所示，Input pulse train是输入脉冲序列；RFsignal是射频微波信号；Output pulse train是输出脉冲序列；Opticalpath是光传输路径；Feed-forward是前馈；MZM是双驱动马赫曾德尔调制器；Power limiting是功率控制。

如果偏置位于合适的偏置点上，通过所述的脉冲强度前馈装置，双驱动强度调制器MZM 101可以反向调制光脉冲信号的强度，进而对每个光脉冲信号产生与其强度相关的脉冲限制。如果偏置位于正交偏置点上，双驱动强度调制器MZM 101的强度传输曲线可以用下面的公式（1）表示：

$T=\frac{1}{2}[1+\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}(V_{\mathrm{RF}}-V_{\mathrm{PIFF}})\right)]---\left(1\right)$

其中T表示输出的光脉冲信号的幅度，V_π是双驱动强度调制器MZM的半波电压，V_RF是射频RF的正弦信号，V_PIFF是脉冲强度前馈信号，分别驱动双驱动强度调制器MZM 101的两个射频端口，V_RF和V_PIFF可以用公式（2）表示：

V_RF＝Acos(2πft)      （2）

V_PIFF＝B·p(t)

其中f是微波源驱动频率，p(t)是光电探测器PD输出的电脉冲强度，t是时间，A是RF微波正弦信号的幅度，B是脉冲强度前馈信号的幅度。

根据小信号近似的原理，公式（1）可以表达为公式（3）：

$T\≈\frac{1}{2}(1+\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}A)-\frac{\mathrm{\π}}{2V_{\mathrm{\π}}}B\·p\left(t\right)---\left(3\right)$

在公式（3）中，相对于稳定锁模后窄的腔内光脉冲宽度，我们可以假设较宽的微波调制窗口是一个常数。从公式3我们可以得出，当光信号脉冲强度对准，并且将其前馈到双驱动强度调制器MZM 101的另外一个“反向调制”端口中，双驱动强度调制器MZM 101可以工作在脉冲强度限制区域，类似于基于NPR(Nonlinear Polarization Rotation）效应的强度依赖损耗。

如图7所示，不同幅度的光信号脉冲在腔内经过双驱动强度调制器MZM 101后经历与自己幅度波动相应的损耗。根据公式（3）所示，高强度光信号脉冲产生更大的反向脉冲强度前馈信号，因此经历更大的损耗。因此，通过设置合适的前馈信号幅度，可以抑制腔内光信号脉冲的幅度波动，进而产生脉冲幅度相同的光信号脉冲。

因此，通过脉冲强度前馈，可以实现超稳定光信号脉冲输出，只利用一个双驱动强度调制器MZM就可以实现主动锁模和激光器超模噪声抑制的共同作用。

实施例2：

图6是本发明实施例2所述的主动锁模激光器超模噪声抑制装置的结构图，如图6所示，本发明实施例2提供的主动锁模激光器超模噪声抑制装置，与实施例1基本相同，不同之处在于脉冲强度前馈装置，因此对其他部分不再赘述。

本发明实施例2所述的脉冲强度前馈装置包括：

第二光耦合器201（OC，Optical Coupler），用于把即将输出的光脉冲信号的一部分耦合分出，用于脉冲强度前馈，并且把光脉冲信号的剩余部分耦合输出，与第一光耦合器106相连，接收第一光耦合器106输出的光脉冲信号，第二光耦合器201的另一端与光电探测器203相连，把分出的光脉冲信号作为脉冲强度前馈信号输入至光电探测器203；

所述的第二光耦合器201共使用3个端口，1个端口接收第一光耦合器106输出的光脉冲信号，1个端口向光电探测器203输出光脉冲信号，1个端口向外界输出光脉冲信号，即Output；

光电探测器203（PD，Photo-Detector），用于将光脉冲信号转变为电脉冲信号，与移相器205相连，将电脉冲信号输入至移相器205；

移相器205，通过调整电脉冲信号的相位，使光脉冲信号在所述的主动锁模激光器内从第一光耦合器106的光脉冲信号的输出点到MZM101的光脉冲信号输入点的传播时间与脉冲强度前馈信号在所述脉冲强度前馈装置中的传播时间相同，与可调增益放大器204相连，将调整后的电脉冲信号输入至可调增益放大器204；

可调增益放大器204（VGA，Variable Gain Amplifier），用于移相器205调整后的电脉冲信号，与MZM 101相连，将放大后的电脉冲信号输入至MZM 101的另一个端口；

通过调节可调增益放大器204的增益，可以改变输入到MZM 101的前馈电信号强度，使最终的脉冲强度前馈信号工作在一个合适的强度。

以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.主动锁模激光器超模噪声抑制方法，其特征在于，包括：

步骤S1，把主动锁模激光器输出的一部分光信号脉冲分出，作为脉冲强度前馈信号，输入至脉冲强度前馈装置；

步骤S2，所述脉冲强度前馈装置对脉冲强度前馈信号进行调整，使光信号脉冲转变为电脉冲信号，并且把所述电脉冲信号和主动锁模激光器中的光信号脉冲同时输入至主动锁模激光器的MZM；

步骤S3，所述MZM根据接收到的所述步骤S2的光脉冲信号和电脉冲信号对主动锁模激光器的光脉冲信号的幅度进行调整，得到稳定的光脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的超模噪声抑制方法，其特征在于，所述步骤S2中，先对光脉冲信号的传播时间进行调整，然后把光脉冲信号转变为电脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的超模噪声抑制方法，其特征在于，所述步骤S2中，先把光脉冲信号转变为电脉冲信号，然后对电脉冲信号的传播时间进行调整。

4.根据权利要求1至3任一项所述的超模噪声抑制方法，其特征在于，所述主动锁模激光器的全部光纤都是保偏光纤。

5.主动锁模激光器超模噪声抑制装置，其特征在于，包括：

MZM（101），是双驱动马赫曾德尔强度调制器，用于接收RF射频信号并实现主动锁模，与光隔离器（102）相连，将光脉冲信号传输至光隔离器（102）；

光隔离器（102），用于使主动锁模激光器的腔内的光脉冲信号单向传输，传输方向为从MZM（101）至光隔离器（102）方向，与波分复用器（103）相连，将单向光脉冲信号输入至波分复用器（103）；

波分复用器（103），用于和泵浦源（104）共同作用，为所述主动锁模激光器提供稳定的直流泵浦光，在主动锁模激光器内形成稳定的光脉冲信号，与掺铒光纤（105）相连，将稳定的光脉冲信号输入至掺铒光纤（105）；

泵浦源（104），用于提供稳定的直流泵浦光，与波分复用器（103）相连；

掺铒光纤（105），用于为所述主动锁模激光器的光脉冲信号提供信号增益，与第一光耦合器（106）相连，将增益的光脉冲信号传输至第一光耦合器（106）；

第一光耦合器（106），用于耦合并输出所述主动锁模激光器的腔内的光脉冲信号，与MZM（101）相连；

脉冲强度前馈装置，连接于第一光耦合器（106）和MZM（101）之间，用于将第一光耦合器（106）的光脉冲信号的幅度前馈给MZM（101）。

6.根据权利要求5所述的超模噪声抑制装置，其特征在于，所述脉冲强度前馈装置包括：

第二光耦合器（201），用于把即将输出的光脉冲信号的一部分耦合分出，用于脉冲强度前馈，并且把光脉冲信号的剩余部分耦合输出，与第一光耦合器（106）相连，接收第一光耦合器（106）输出的光脉冲信号，第二光耦合器（201）的另一端与光可调延时线（202）相连，把分出的光脉冲信号作为脉冲强度前馈信号输入至光可调延时线（202）；

光可调延时线（202），用于调整光脉冲信号的传播时间，使光脉冲信号在所述的主动锁模激光器内从第一光耦合器（106）的光脉冲信号的输出点到MZM（101）的光脉冲信号输入点的传播时间与脉冲强度前馈信号在所述脉冲强度前馈装置中的传播时间相同，光可调延时线（202）与光电探测器（203）相连，将调整后的脉冲强度前馈信号输入至光电探测器（203）；

光电探测器（203），用于将光脉冲信号转变为电脉冲信号，与可调增益放大器（204）相连，将电脉冲信号输入至可调增益放大器（204）；

可调增益放大器（204），用于放大光电探测器（203）的电脉冲信号，与MZM（101）相连，将放大后的电脉冲信号输入至MZM（101）的另一个端口。

7.根据权利要求5所述的超模噪声抑制装置，其特征在于，所述脉冲强度前馈装置包括：

第二光耦合器（201），用于把即将输出的光脉冲信号的一部分耦合分出，用于脉冲强度前馈，并且把光脉冲信号的剩余部分耦合输出，与第一光耦合器（106）相连，接收第一光耦合器（106）输出的光脉冲信号，第二光耦合器（201）的另一端与光电探测器（203）相连，把分出的光脉冲信号作为脉冲强度前馈信号输入至光电探测器（203）；

光电探测器（203），用于将光脉冲信号转变为电脉冲信号，与移相器（205）相连，将电脉冲信号输入至移相器（205）；

移相器（205），通过调整电脉冲信号的相位，使光脉冲信号在所述的主动锁模激光器内从第一光耦合器（106）的光脉冲信号的输出点到MZM（101）的光脉冲信号输入点的传播时间与脉冲强度前馈信号在所述脉冲强度前馈装置中的传播时间相同，与可调增益放大器（204）相连，将调整后的电脉冲信号输入至可调增益放大器（204）；

可调增益放大器（204），用于移相器（205）调整后的电脉冲信号，与MZM（101）相连，将放大后的电脉冲信号输入至MZM（101）的另一个端口。

8.根据权利要求5至7任一项所述的超模噪声抑制装置，其特征在于，所述掺铒光纤（105）为高掺杂的保偏的掺铒光纤。

9.根据权利要求8所述的超模噪声抑制装置，其特征在于，在第二光耦合器（201）中，光脉冲信号用于脉冲强度前馈的部分和用于输出的部分的比值是1：1。

10.根据权利要求9所述的超模噪声抑制装置，其特征在于，所述主动锁模激光器的所有光纤都是保偏光纤。

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