CN103631036A - 一种可调光学频率梳的产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调光学频率梳的产生方法，通过调节级联光强度调制器的射频幅值和直流偏置电压，产生了9线、15线和25线超平坦的光学频率梳，实现了该结构的光梳线数可调。且产生的光梳性能较好，对其在光通信领域的应用具有重要意义。本发明中使用的射频源输出功率并不是很大，相对容易满足，产生的光学频率梳具有超平坦的功率。另外，该方案产生的光梳抑制比较高，有利于实际应用。

Description

一种可调光学频率梳的产生方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种利用激光的外部调制技术产生频率间隔可变、功率超平坦、抑制比较高和线数可调的光学频率梳生成方法。

背景技术

进入21世纪以来，随着高清电视、可视电话以及3D游戏等宽带多媒体业务的飞速发展，人们对通信的质量和速率提出了更高的要求。而光波分复用（WDM）技术可以极大地提高光纤网络传输带宽，满足日益增长的通信容量和速率，因此基于WDM的光网络得到了快速的发展。WDM技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的技术，其基本原理是发送端将不同波长的光信号复用起来，并耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号解复用，然后送入不同的终端进行处理。限制WDM系统发展的瓶颈之一是需要大量的光源产生不同波长的光载波，而光学频率梳的使用可以大大减少光源的数量，从而降低系统的成本，在WDM中具有非常重要的意义。另外，光学频率梳是任意波形和超短光脉冲产生的基础。针对这些光通信领域的应用，我们需要产生频率间隔可变，功率超平坦，抑制比较高以及线数较多且可调的光学频率梳。

据相关文献报道，光学频率梳的产生方法有：模式锁定激光器法、非线性介质的非线性效应、电光调制器法以及利用微谐振腔等。其中，基于模式锁定激光器法产生的光学频率梳很难改变频率间隔；采用非线性效应产生的光学频率梳功率波动较大，其应用有局限性；而设计微谐振腔是较为复杂的工作。基于电光调制器产生光学频率梳的方案，实现方法简单，频率间隔可变、稳定性高。因此，电光调制器法是一种很有前景的光学频率梳产生技术。

发明内容

鉴于现有技术的不足，同时为了满足光通信的实际应用，需要产生一种性能较好的光学频率梳。本发明采用外部调制器的方法，通过调节级联光强度调制器的射频幅值和直流偏置电压，产生了9线、15线和25线超平坦的光学频率梳，实现了该结构的光梳线数可调。且产生的光梳性能较好，对其在光通信领域的应用具有重要意义。

本发明通过两个马赫-曾德尔强度调制器（IM）级联，并设置不同射频幅值和直流偏置电压，实现了单个IM能够产生3线或5线平坦光梳，最终产生线数为9、15和25的光学频率梳，实现了线数的可调。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种产生光学频率梳的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一，所述激光器发出波长为λ，角频率为ω_c，幅值为E_in的光波输入到第一光强度调制器中；其中，注入光波的偏振方向经所述偏振控制器调整，使之与第一光强度调制器的偏振方向一致；

步骤二，以频率为f₀，角频率为ω₀，幅值为V_RF1的射频信号驱动第一光强度调制器，其工作的直流电压为V_DC1，所产生的载波和正负一阶边带分别为

$E_0\left(t\right)=\frac{E_{\mathrm{in}}}{2}\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{c}t\right)J_0\left(m_1\right)[\exp \left({\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}1}\right)+\exp (-{\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}1})],$

$E_{\±1}\left(t\right)=\±\frac{E_{\mathrm{in}}}{2}\exp \left[j({\mathrm{\ω}}_{c}t\±{\mathrm{\ω}}_{0}t)\right]J_1\left(m_1\right)[\exp \left({\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}1}\right)-\exp (-{\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}1})],$

其中，使载波和正负一阶边带功率相等，即|E₀(t)|＝|E_±1(t)|产生3线平坦光梳，先设定射频幅值V_RF1，需要说明的是，调制指数m₁＝πV_RF1/V_π应适当小，如m₁＝πV_RF1/V_π=0.5且φ_DC1＝πV_DC1/V_π≈1.3182；m₁＝πV_RF1/V_π=0.3且φ_DC1＝πV_DC1/V_π≈1.4202，然后调节直流电压V_DC1产生3线平坦光梳，此时工作点有无数组，即符合条件的射频幅值和直流电压有无数个；

步骤三，驱动第二光强度调制器的射频信号频率为f₀/3，按照步骤二对射频幅值和直流电压设置，也会产生3线平坦光梳，且是将第一光强度调制器输出的3线分别当做光源进行调制，从而产生了9线平坦光梳；

步骤四，以频率为f₀，角频率为ω₀，幅值为V_RF1的射频信号驱动第一个光强度调制器，此时二阶边带为

$E_{\±2}\left(t\right)=\frac{E_{\mathrm{in}}}{2}\exp \left[j({\mathrm{\ω}}_{c}t\±2{\mathrm{\ω}}_{0}t)\right]J_2\left(m_1\right)[\exp \left({\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}1}\right)+\exp (-{\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}1})],$

通过设置射频信号幅度和直流电压值，使得|E₀(t)|＝|E_±1(t)|＝|E_±2(t)|，此时调制指数为m₁＝πV_RF1/V_π＝1.84，直流引起的相位φ_DC1＝πV_DC1/V_π≈0.5，从而产生了5线平坦光梳，此时工作点只有一个；

步骤五，驱动第二光强度调制器的射频信号频率为f₀/5，按照步骤四对射频幅值和直流电压进行相同设置，也会产生5线平坦光梳，且是将第一光强度调制器输出的5线分别当做光源进行调制，从而产生了25线平坦光梳；

步骤六，设置第一光强度调制器产生5线，再设置第二光强度调制器产生3线，从而产生了15线平坦光梳。

需要进一步说明的是，本发明的可调光学频率梳生成方案，是针对两个马赫-曾德尔强度调制器级联的结构，通过设定射频信号源的幅值和直流电压源的大小，得到所需要的光学频率梳。本发明中使用的射频源输出功率并不是很大，相对容易满足，产生的光学频率梳具有超平坦的功率。另外，该方案产生的光梳抑制比较高，有利于实际应用。

本发明有益效果在于，通过设置级联强度调制器的射频幅值和直流电压，产生了可调光学频率梳，且具有超平坦的光功率。本发明设备简单，可以大大减少WDM系统中光源的数量，从而降低系统成本，且非常适合用来产生任意波形和超短光脉冲，对比现有技术具有较大的优势。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中第一个马赫-曾德尔强度调制器分别产生3线和5线，最终产生9线和25线的输出光谱示意图；

图3为本发明中第一个马赫-曾德尔强度调制器产生5线，第二个马赫-曾德尔强度调制器产生3线，最终产生15线的输出光谱示意图；

图4为本发明中产生3、5、9和25线的实验光谱图；

图5为本发明中产生15线的实验光谱图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例做详细说明。需要说明的是，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明为一种可调光学频率梳的产生装置，所述装置包括激光器、偏振控制器、射频信号源、直流电压源、第一个马赫-增德尔强度调制器、第二个马赫-增德尔强度调制器。所述激光器的光源输出端口与第一个马赫-增德尔强度调制器的输入端口相接，射频信号源的输出端与第一个马赫-增德尔强度调制器的射频输入端口相接，直流电压源的输出端与第一个马赫-增德尔强度调制器的直流端口相接。第二个马赫-增德尔强度调制器的输入端口与第一个马赫-增德尔强度调制器的输出端口相接，且连接相应的射频信号源和直流电压源。

本实例中，使用所述装置产生可调光学频率梳的方法如下：

步骤一，光源产生工作波长为1550nm的连续光波，连续光波输入到半波电压为5V的第一个马赫-曾德尔强度调制器，第一个射频信号源输出15GHz幅值合适的信号，调节第一个直流电压源的大小，产生3线平坦光梳。

步骤二，相同型号的第二个马赫-曾德尔强度调制器，其射频驱动信号的频率为5GHz，也进行类似的射频幅值和直流电压设置，从而产生了9线超平坦光梳，平坦度在0.5dB以内，光边带抑制比达到30dB。

步骤三，第一个射频信号源输出15GHz的信号，调节第一个射频信号源和直流电源的大小，产生5线平坦光梳，功率平坦度在1dB以内，光边带抑制比为15dB。

步骤四，相同型号的第二个马赫-曾德尔强度调制器，其射频驱动信号的频率为3GHz，也进行相同的射频幅值和直流电压设置，从而产生了25线平坦光梳。平坦度在1dB以内，光边带抑制比达到15dB。

步骤五，第一个马赫-曾德尔强度调制器产生频率间隔为15GHz的5线平坦光梳，再设置第二个马赫-曾德尔强度调制器产生3线平坦光梳，最终生成了频率间隔为5GHz的15线光梳，平坦度为0.34dB，抑制比为14dB。

如图2所示，图2a是设置单个马赫-曾德尔强度调制器产生3线平坦光梳，图2b是级联结构产生9线平坦光梳；图2c是设置单个马赫-曾德尔强度调制器产生5线平坦光梳，图2d是级联结构产生25线平坦光梳。

如图3所示，先设置第一个马赫-曾德尔强度调制器产生5线平坦光梳，再设置第二个马赫-曾德尔强度调制器产生3线平坦光梳，从而产生的15线平坦光梳。

如图4和图5所示，实验产生了相应的3、5、9、15和25线平坦光学频率梳。图4a是实验产生3线光梳图，图4b是实验产生9线光梳图，图4c是实验产生5线光梳图，图4d是实验产生25线光梳图。图5是实验产生15线光梳图。

进一步地，下表为本发明中产生的可调光学频率梳的性能，主要包括线数、平坦度和抑制比。还有各种情况下射频幅值和直流偏置电压值。具体的说，设置第一光强度调制器的射频信号RF1频率为15GHz、幅值为0.48V，直流偏置电压DC1为2.26V，产生平坦度为0.02dB的3线光梳，抑制比可达到39dB；设置第一光强度调制器的射频信号RF1频率为15GHz、幅值为2.93V，直流偏置电压DC1为0.80V，产生平坦度为0.11dB的5线光梳，抑制比为15dB；采用两个光强度调制器级联结构，分别设置两个光强度调制器产生3线平坦光梳，最终产生平坦度为0.35dB的9线光梳，抑制比为30dB；采用两个光强度调制器级联结构，先设置第一光强度调制器产生5线平坦光梳，第二光强度调制器产生3线光梳，最终产生平坦度为0.34dB的15线光梳，抑制比为14dB；采用两个光强度调制器级联结构，分别设置两个光强度调制器产生5线平坦光梳，最终产生平坦度为0.35dB的25线光梳，抑制比为15dB。

线数	3	5	9	15	25
						RF1频率（GHz）	15	15	15	15	15
RF2频率（GHz）			5	5	3
						RF1幅值(V)	0.48	2.93	0.48	2.93	2.93
RF2幅值(V)			0.48	0.48	2.93
						DC1幅值(V)	2.26	0.80	2.26	0.80	0.80
DC2幅值(V)			2.26	2.26	0.80
						平坦度(dB)	0.02	0.11	0.35	0.34	0.35
抑制比(dB)	39	15	30	14	15

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可调光学频率梳的产生方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一，所述激光器发出波长为λ，角频率为ω_c，幅值为E_in的光波输入到第一光强度调制器中；其中，注入光波的偏振方向经所述偏振控制器调整，使之与第一光强度调制器的偏振方向一致；

步骤二，以频率为f₀，角频率为ω₀，幅值为V_RF1的射频信号驱动第一光强度调制器，其工作的直流电压为V_DC1，所产生的载波和正负一阶边带分别为

$E_0\left(t\right)=\frac{E_{\mathrm{in}}}{2}\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{c}t\right)J_0\left(m_1\right)[\exp \left({\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}1}\right)+\exp (-{\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}1})],$

$E_{\±1}\left(t\right)=\±\frac{E_{\mathrm{in}}}{2}\exp \left[j({\mathrm{\ω}}_{c}t\±{\mathrm{\ω}}_{0}t)\right]J_1\left(m_1\right)[\exp \left({\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}1}\right)-\exp (-{\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}1})],$

其中，使载波和正负一阶边带功率相等，即|E₀(t)|＝|E_±1(t)|产生3线平坦光梳，先设定射频幅值V_RF1，然后调节直流电压V_DC1产生3线平坦光梳，此时工作点有无数组，即符合条件的射频幅值和直流电压有无数个；

步骤三，驱动第二光强度调制器的射频信号频率为f₀/3，按照步骤二对射频幅值和直流电压设置，也会产生3线平坦光梳，且是将第一光强度调制器输出的3线分别当做光源进行调制，从而产生了9线平坦光梳；

步骤四，以频率为f₀，角频率为ω₀，幅值为V_RF1的射频信号驱动第一个光强度调制器，此时二阶边带为

$E_{\±2}\left(t\right)=\frac{E_{\mathrm{in}}}{2}\exp \left[j({\mathrm{\ω}}_{c}t\±2{\mathrm{\ω}}_{0}t)\right]J_2\left(m_1\right)[\exp \left({\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}1}\right)+\exp (-{\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}1})],$

通过设置射频信号幅度和直流电压值，使得|E₀(t)|＝|E_±1(t)|＝|E_±2(t)|，此时调制指数为m₁＝πV_RF1/V_π＝1.84，直流引起的相位φ_DC1＝πV_DC1/V_π≈0.5，从而产生了5线平坦光梳，此时工作点只有一个；

步骤五，驱动第二光强度调制器的射频信号频率为f₀/5，按照步骤四对射频幅值和直流电压进行相同设置，也会产生5线平坦光梳，且是将第一光强度调制器输出的5线分别当做光源进行调制，从而产生了25线平坦光梳；

步骤六，设置第一光强度调制器产生5线，再设置第二光强度调制器产生3线，从而产生了15线平坦光梳。

2.根据权利要求1所述的光学频率梳产生装置，其特征在于，所述第一光强度调制器和所述第二光强度调制器为级联结构设置。

3.根据权利要求1或2所述的光学频率梳产生装置，其特征在于，所述第一光强度调制器和所述第二光强度调制器为马赫-曾德尔强度调制器。

4.根据权利要求1或2所述的光学频率梳产生装置，其特征在于，所述装置可产生3、5、9、15和25线超平坦光梳。

5.一种根据权利要求1所述的可调光学频率梳产生装置，可用于WDM系统中作为光源或用来产生任意波形和超短光脉冲。

Images