CN103647211A - 基于光电振荡器的光脉冲产生装置 - Google Patents

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黄宁博
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Abstract

一种基于光电振荡器的光脉冲产生装置，包括：一激光器；一调制器，其输入端与激光器的输出端连接；一半导体光放大器，其输入端与调制器的输出端连接；一耦合器，其输入端与半导体光放大器的输出端连接，其第一输出端与连接有一光采样示波器或自相关仪连接；一光电探测器，其输入端与耦合器的第二输出端连接；一电滤波器，其输入端与光电探测器的输出端连接；一电放大器，其输入端与电滤波器的输出端连接，该电放大器的输出端与调制器的射频调制端口连接。本发明可以改变产生的光脉冲的宽度；通过调谐滤波器的中心频率可以改变光脉冲重复频率。

Description

基于光电振荡器的光脉冲产生装置
技术领域
本发明涉及微波光子学和光信号处理领域，尤其涉及一种基于光电振荡器的光脉冲产生装置。
背景技术
高重复率光脉冲广泛应用于各个领域，如高速数据传输、高速光信号处理采样器、全光整形等各种光通信系统中。正因为光脉冲得到如此广泛的应用，很多研究者已经采用很多不同的器件来产生光脉冲，如用电吸收调制器、高非线性光纤、超长半导体光放大器和级联的电光调制器等。
光脉冲可以通过调Q技术、锁模技术等得到。调Q技术所产生的脉冲宽度为ns量级，而锁模技术产生的脉冲宽度能达到ps甚至fs量级，因此现在通信系统常用锁模技术产生脉冲。激光器一般有多个不同的振荡模式，但它们本身是不关联、非相干的，各个模式的振幅和相位彼此独立。如果能使得各个独立的模式在频率间隔保持一定、彼此之间具有确定的相位关系，则总的光场是各个模式光场的相干叠加，输出为时间间隔一定的超短脉冲；且相干模式越多，脉冲越窄、峰值功率也越高。这种方法就称为锁模。锁模技术包括主动锁模和被动锁模技术。
文献中报导的光脉冲产生方法都基于不同的光子器件，如电吸收调制器、高非线性光纤、超长半导体光放大器、级联的强度和相位调制器等。基于高非线性光纤和半导体光放大器的方法主要是应用了它们的较强的三阶非线性效应产生四波混频模式以达到模式间的相位锁定。四波混频效应是由晶体材料的三阶非线性极化率引起的，当三个光场输入晶体材料，在它们的光强足够大时，三阶非线性极化率会导致三阶非线性极化强度的产生，从而这个三阶非线性极化强度作为次波源向外辐射光场。在三个光波满足相位匹配条件会产生很强的三阶非线性极化场，这就使得四波混频效应级联发生，产生较多的光场模数。并且这种四波混频模式梳的一个非常有用的特点是如果输入光波的相位是锁定，那么所产生的四波混频模式梳相位也是锁定的。基于这一点，可以采用这些四波混频模式梳才产生光脉冲。然而文献中报导的方法都是采用的两个相位不相关的独立激光器进入高非线性光纤或者半导体光放大器，所产生的四波混频效率就会降低，且它们的相位也无法完全锁定，因此所产生的光脉冲的宽度会较宽，还会有一定的相位失真。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于光电振荡器的光脉冲产生装置，其是基于光电振荡器并利用半导体光放大器或高非线性光纤中的四波混频效应产生光脉冲的装置，并且通过调谐输入光功率或半导体光放大器的增益，可以改变产生的光脉冲的宽度；通过调谐滤波器的中心频率可以改变光脉冲重复频率。
为达到上述目的，本发明提出一种基于光电振荡器的光脉冲产生装置，包括：
一激光器；
一调制器，其输入端与激光器的输出端连接；
一半导体光放大器，其输入端与调制器的输出端连接；
一耦合器，其输入端与半导体光放大器的输出端连接，其第一输出端与连接有一光采样示波器或自相关仪连接；
一光电探测器，其输入端与耦合器的第二输出端连接；
一电滤波器，其输入端与光电探测器的输出端连接；
一电放大器，其输入端与电滤波器的输出端连接，该电放大器的输出端与调制器的射频调制端口连接。
本发明的有益效果是，其是基于光电振荡器并利用半导体光放大器或高非线性光纤中的四波混频效应产生的模式梳来产生光脉冲的装置，所产生的光脉冲的宽度可以通过调节四波混频模式数来调谐，脉冲的重复频率可以通过改变电滤波器的中心频率实现调谐。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例并参照附图，对本发明作进一步地详细说明，其中：
图1是本发明的产生光脉冲的结构装置示意图。
图2a-图2b是所产生的四波混频模式的光谱图和光采样示波器上看到的重复频率为10GHz的光脉冲。
图3a-图3b是增大输入光功率后得到的四波混频模式的光谱图和光脉冲。
图4a-图4b是将电滤波器16换成中心频率为16GHz的滤波器后的四波混频模式的光谱图和所产生的重复频率为16GHz的光脉冲。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种基于光电振荡器的光脉冲产生装置，包括：
一激光器10，输出功率可达200毫瓦；
一调制器11，其输入端与激光器10的输出端连接，所述调制器11是强度调制器，或者是由偏振调制器与偏振控制器和起偏器共同构成以实现强度调制；调制器带宽为40GHz。
一半导体光放大器12，其输入端与调制器11的输出端连接，所述该半导体光放大器12具有非线性效应以产生四波混频模式数，以产生窄光脉冲；
一耦合器13，其输入端与半导体光放大器12的输出端连接，其第一输出端与连接有一光采样示波器14连接；
一光电探测器15，其输入端与耦合器13的第二输出端连接；光电探测器响应带宽18GHz。
一电滤波器16，其中心频率10GHz，其输入端与光电探测器15的输出端连接，所述的电滤波器16的中心频率小于光电探测器15的响应带宽18GHz和调制器11的响应带宽40GHz，且在电放大器17(增益26dB，带宽30kHz到38GHz)的增益带宽内；
一电放大器17，其输入端与电滤波器16的输出端连接，该电放大器17的输出端与调制器11的射频调制端口连接。
调节激光器10的输出光功率为30毫瓦并进入偏振调制器11。偏振调制器11是一种特殊的相位调制器，它可以在两个正交偏振态上对光信号实现相反的相位调制，再经过偏振控制器改变光的偏振态，以实现进入起偏器的光的偏振态与起偏器的主轴成45度角。这样两个正交偏振态上的相位调制光信号便可以转换为强度调制信号，并且可以通过控制偏振控制器实现输入到半导体光放大器中的光信号的功率的调谐。
在最开始阶段并没有较强的微波信号，而都是噪声。但每次循环后再经过窄带电滤波器16的选频作用，光电振荡器环中的频率为窄带电滤波器16中心频率的电信号获得的增益远高于频率处信号，这样经过若干次循环，当这个窄带电滤波器16中心频率处的电信号获得增益高于其损耗时，光电振荡器开始起振并产生微波信号，它的频率等于窄带电滤波器16的中心频率。这个微波信号加载到偏振调制器11上对输入光信号调制。光电振荡器环的突出优势是它可以产生相位噪声很低的微波信号。
强度调制后的光信号包括一个载波和两个边带，它们输入到非线性半导体光放大器中12。由于这三个光信号的相位是相关的，因此它们很容易在半导体光放大器12中达到四波混频效应所要求的相位匹配条件，因此四波混频效率很高，在输入光功率足够大的情况下可以产生级联的四波混频效应，从而产生较多的四波混频模式。
由相位相关输入光信号产生的四波混频模式的一个重要特点是这些模式梳的相位也是相关的，也正是基于这一点，可以产生倍频微波信号。将这些四波混频模式输入到光采样示波器或自相关仪14，由于这些模式频率间隔一定且相位锁定，因此能观察到它们相干叠加而产生的光脉冲。脉冲的重复频率等于输入光信号的频率间隔。图三所示为所产生的四波混频模式以及在光采样示波器14中观察到的光脉冲，其中脉冲宽度为25皮秒。
由于四波混频效率不仅与半导体光放大器12的三阶非线性极化率有关，还与输入光功率有关，因此通过改变输入光功率可以改变所产生的四波混频的模式数。在本实施例中，我们通过调节偏振控制器11，就可以改变输入到非线性半导体光放大器12中的光功率，从而可以改变四波混频模式数。当同相相叠加的光波模式数增加时，就可以压窄所得到的光脉冲的宽度。图3a-图3b是这种情况下的实验结果图，光脉冲宽度为19皮秒，可以看出，相比图2a-图2b，四波混频模式数的增加有助于压窄脉冲宽度。
所产生的光脉冲的重复频率可以通过改变光电振荡器的振荡频率也即改变电滤波器16的中心频率来改变。当选用中心频率为16GHz的电滤波器时，脉冲重复频率为16GHz，图4a-图4b所示此时的四波混频模式光谱图和观察到的脉冲。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光电振荡器的光脉冲产生装置，包括：
一激光器；
一调制器，其输入端与激光器的输出端连接；
一半导体光放大器，其输入端与调制器的输出端连接；
一耦合器，其输入端与半导体光放大器的输出端连接，其第一输出端与连接有一光采样示波器或自相关仪连接；
一光电探测器，其输入端与耦合器的第二输出端连接；
一电滤波器，其输入端与光电探测器的输出端连接；
一电放大器，其输入端与电滤波器的输出端连接，该电放大器的输出端与调制器的射频调制端口连接。
2.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的光脉冲产生装置，其中调制器是强度调制器，或者是由偏振调制器与偏振控制器和起偏器共同构成以实现强度调制。
3.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的光脉冲产生装置，其中该半导体光放大器为半导体光放大器或高非线性光纤，具有非线性效应以产生四波混频模式数，以产生窄光脉冲。
4.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的光脉冲产生装置，其中所述的电滤波器的中心频率小于光电探测器和调制器的响应带宽，且在电放大器的增益带宽内。
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