CN106802498A - 一种全数字可编程光学频率梳产生方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全数字可编程光学频率梳产生方法与装置。根据目标光学频率梳，采用智能优化算法优化得到和产生时域二元数字采样序列信号；以该二元数字采样序列信号对窄线宽激光器进行相位调制，产生平坦光学频率梳。改变二元数字采样序列信号中1和0之间的跳变点数目和位置，调整频率梳分量数目；改变二元数字采样序列信号中单个比特的时域宽度，调整频率梳分量间隔；改变窄线宽激光器的输出波长，调整频率梳的中心波长。本发明以全数字方式生成平坦光学频率梳，同时频率梳分量数目、频率梳分量间隔易于数字编程调整，并具有结构简单等优势，在精密测量与标定、光学传感、信号分析与处理中有着重要应用。

Description

一种全数字可编程光学频率梳产生方法与装置
技术领域
本发明涉及全数字可编程光学频率梳产生技术领域，具体涉及一种全数字可编程光学频率梳产生方法与装置。
背景技术
光学频率梳(optical frequency comb，简称为光梳、光频梳、也称为频率梳)，是指在频谱上由一系列频率分量间隔(或简称间隔)均匀且具有相干稳定相位关系的频率分量(或频率梳分量)组成的光信号。当前，光学频谱梳应用十分广泛，诸如在光信号合成、微波/毫米波/太赫兹信号生成、光载无线技术(radio over fiber)、光谱/电谱分析、光学传感和量子通信中发挥着重要作用。
鉴于光学频率梳的广泛和重要应用，相关的生成技术和方案逐渐成为研发热点。光学频率梳生成的典范方案包括以下文献公开内容：
1、基于稳定的锁模激光器
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2、基于级联电光调制结构
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T.Sakamoto,T.Kawanishi et al.10GHz,2.4ps pulse generation using asingle-stage dual-drive Mach-Zehnder modulator.Optics letters,33(8):890–892,2008；
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C.He,S.Pan et al.Ultraflat optical frequency comb generated based oncascaded polarization modulators.Optics letters,37(18):3834–3836,2012。
3、基于外光注入高Q(high-Q)微谐振器或高非线性环
P.DelHaye,A.Schliesser et al.Optical frequency comb generation from amonolithic microresonator.Nature,450(7173):1214–1217,2007；
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这些方法能够产生的光学频率梳，或者能够覆盖高达数百THz宽带、或者频率梳分量数目/频率梳分量间隔可调谐。
其中，基于级联电光调制结构方案在频率梳分量数目、频率梳分量间隔数目的调谐性上具有显著优势。需要指出的是，当前级联电光调制结构方案和技术都是模拟型的，即以模拟信号去驱动电光调制器得到平坦光学频率梳。在产生光学频率梳过程中，这些模拟型方案需要精密控制功率/幅度匹配和相位同步，尤其是多级级联的时候；因而，不便于平坦光学频率梳的简易生成和快速调谐。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种全数字可编程光学频率梳产生方法与装置，以数字化驱动生成平坦光学频率梳，工作和调控过程更加简易。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种全数字可编程光学频率梳产生方法，包括以下步骤：
步骤1：从所需的目标光学频率梳出发，采用智能优化算法获得二元数字采样序列；
步骤2：以二元数字采样序列触发可编程二元数字信号发生器产生二元数字采样序列信号；
步骤3：将二元数字采样序列信号加载到电光相位调制器上，对窄线宽激光器发出的单波长连续光进行相位调制；
步骤4：在电光相位调制器输出端，得到平坦光学频率梳。
进一步的，还包括步骤5：即通过改变二元数字采样序列信号中1和0之间的跳变点数目和位置，调整频率梳分量数目。
进一步的，还包括步骤6：即通过改变二元数字采样序列信号中单个比特的时域宽度，调整频率梳分量间隔。
进一步的，还包括步骤7：即通过改变窄线宽激光器的输出波长，调整频率梳的中心波长。
进一步的，所述智能优化算法为模拟退火算法、遗传算法、粒子群优化算法或者蚁群算法。
进一步的，所述模拟退火算法具体为：
1)对跳变点集合{tn}进行随机初始化，并设置算法的初始温度为T0，设置算法累积拒绝次数变量sig的初始值为0；
2)对sig的大小进行评估，当sig大于S时，算法终止，输出优化结果，否则进行以下步骤；其中，S为一个不小于跳变点数目10倍以上的整数；
3)对跳变点进行随机更改，从而产生新的跳变点集合{t′n}；
4)对两组跳变点集合构成的相位跳变函数的频谱进行分析，以所需N个频谱点频谱强度的模方的方差为评价函数δ，并计算两组跳变点集合对应的评价函数差值Δδ；
5)若Δδ＜0或者函数exp(-Δδ/Tl)大于一个0至1之间的均匀随机数，则接受第(3)步跳变点的更改，否则拒绝并累加拒绝次数变量sig，其中Tl表示当前循环内算法温度；
6)降低算法温度Tl，保证算法的收敛性，并跳转到第2)步。
一种全数字可编程光学频率梳产生装置，包括二元数字信号发生器、窄线宽激光器和电光相位调制器；所述二元数字信号发生器和窄线宽激光器分别连接到电光相位调制器。
进一步的，所述二元数字信号发生器的型号为Anritsu MT1810A。
进一步的，所述窄线宽激光器的型号为TeraXion PS-TNL。
进一步的，所述电光相位调制器的型号为EOspace PM-DS5-20-PFA-LV。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：装置结构简单(主要需要一个相位调制)，工作和调控过程简易(以简易的数字化输入和控制产生平坦光学频率梳，并通过数字化编程调整频率梳分量数目和频率梳分量间隔)。
附图说明
图1是本发明方法的系统框图。
图2是基于模拟退火算法优化相位跳变点的流程框图，以获得所需的二元数字采样序列。
图3是本发明方法中全数字光学频率梳生成原理图。
图4是频率梳分量间隔为10MHz时，采用的二元数字采样序列，分别对应频率梳分量数目为：(a)19，(b)39，(c)61，(d)81，(e)101，(f)201。
图5是采用图4中的二元数字采样序列，实验得到具有10MHz频率梳间隔的平坦光学频率梳，频率梳分量数目依次为：(a)19，(b)39，(c)61，(d)81，(e)101，(f)201。
图6是频率梳分量数目为51时，采用的二元数字采样序列，分别对应频率梳间隔为：(a)100MHz，(b)50MHz，(c)20MHz，(d)10MHz，(e)5MHz，(f)1MHz。
图7是采用图6中的二元数字采样序列，实验得到具有51个频率梳分量的平坦光学频率梳，频率梳间隔依次为：(a)100MHz，(b)50MHz，(c)20MHz，(d)10MHz，(e)5MHz，(f)1MHz。
图8是频率梳中心频率调谐示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明中的一种全数字可编程光学频率梳产生方法，可产生频率梳分量间隔、频率梳分量数目、频率梳中心频率均可调谐的光学频率梳：根据频率梳分量数目的目标值，采用智能优化算法优化得到并产生时域二元数字采样序列信号(内含多个比特或bit)；以所得的二元数字采样序列信号对窄线宽激光器进行相位调制，以全数字化方式产生平坦光学频率梳。
同时，通过改变二元数字采样序列信号中1和0之间的跳变点数目和位置，调整频率梳分量数目；改变二元数字采样序列信号中单个比特的时域宽度，调整频率梳分量间隔；改变窄线宽激光器的输出波长，调整频率梳的中心波长。
本发明中的光学频率梳产生装置：由窄线宽激光器、可编程二元数字信号发生器、电光相位调制器组成。
根据所需的目标光学频率梳，采用智能优化算法(模拟退火算法、遗传算法、粒子群优化算法、蚁群算法等)获得时域二元相位采样函数；该函数即为二元数字采样序列，以之触发可编程二元数字信号发生器产生二元(1码或0码)数字采样序列信号；以该序列信号在电光相位调制器中对窄线宽激光器输出的单波长连续光进行相位调整，当该序列信号的幅度与电光相位调制的半波电压相等时(即1码对应180°的相位调制或改变，0码对应无相位调制或改变)，形成时域二元相位采样效果；从而在电光相位调制器的输出端口得到平坦的目标光学频率梳。基于此，以全数字化(1码或0码)输入实现了光学频率梳的生成。
同时，生成的光学频率梳的中心频率由窄线宽激光器的输出波长决定；生成的光学频率梳的频率梳分量间隔由二元数字采样序列信号中比特时域宽度(单个周期宽带)决定；生成的光学频率梳的频率梳分量数目由二元数字采样序列信号中跳变点的数目和位置决定(跳变是指1码跳变为0码或者0码跳变为1码)。因此，改变窄线宽激光器的输出波长，可以调整频率梳的中心频率；以全数字编程改变二元数字采样序列信号的比特时域宽度或改变二元数字采样序列单周期内比特数目，可以调整频率梳分量间隔；以全数字编程改变二元数字采样序列信号的跳变点数目和位置，可以调整频率梳分量数目。
如图1所示，本发明装置由二元数字信号发生器10(Anritsu MT1810A)，窄线宽激光器20(TeraXion PS-TNL)，电光相位调制器30(EOspace PM-DS5-20-PFA-LV)构成。
图2给出了运用模拟退火算法对相位跳变点进行优化的流程：(1)对跳变点集合{tn}进行随机初始化，并设置算法的初始温度为T0，设置算法累积拒绝次数变量sig的初始值为0；(2)对sig的大小进行评估，当sig大于S(S为一个不小于跳变点数目10倍以上的整数，例如S＝10n，n为相位跳变点个数)时算法终止，输出优化结果，否则；(3)对跳变点进行随机的更改从而产生新的跳变点集合{t′n}；(4)对两组跳变点集合构成的相位跳变函数的频谱进行分析，以所需N个频谱点频谱强度的模方的方差为评价函数δ，并计算两组跳变点集合对应的评价函数差值Δδ；(5)若Δδ＜0或者函数exp(-Δδ/Tl)大于一个(0-1)之间的均匀随机数，则接受第(3)步跳变点的更改，否则拒绝并累加拒绝次数变量sig，其中Tl表示当前循环内算法温度；(6)降低算法温度Tl，从而保证算法的收敛性，并跳转到第(2)步。
图3给出了本装置产生平坦光学频率梳的基本原理。从所需的目标光学频率梳出发，采用智能优化算法获得二元数字采样序列，以之触发可编程二元数字信号发生器10产生二元(1码或0码)数字采样序列信号：(1)该序列信号中每一比特时域宽度(单一1码或0码宽度)为Δt，总的比特数目为m，从而该序列信号总的时域宽度为m×Δt；(2)该序列信号1码的幅度等于电光相位调制器30的半波电压，即1码对光信号进行相位调制时光信号的相位改变量为180°；(3)该序列信号包含n个跳变点，即1码跳变为0码或者0码跳变为1码的点为n个。将此二元数字采样序列信号加载到电光相位调制器30上，对窄线宽激光器20发出的单波长连续光(波长为f0)进行相位调制。在电光相位调制器30输出端，得到由优化得到的二元数字采样序列信号(时域)对应的平坦光学频率梳(频域)：频率梳的中心波长(或中心频率)为f0，频率梳分量间隔为Δf，频率梳分量数目为N，其中Δf＝1/(m×Δt)。
根据上述装置结构和基本原理，不难得知：以全数字编程改变二元数字采样序列信号的跳变点数目n和位置，可以调整频率梳分量数目N；以全数字编程改变二元数字采样序列信号的比特时域宽度Δt或者改变二元数字采样序列信号的单个周期内比特数目，可以调整频率梳分量间隔Δf；改变窄线宽激光器的输出波长f0，可以调整频率梳的中心频率f0。
当目标光学频率梳的频率梳分量间隔为10MHz、频率梳分量数目为19，优化得到的二元数字采样序列信号如图4(a)所示；此处，二元数字采样序列信号以二元比特数目的形式画出，每个比特的时间宽度为100ps，并且1码对应180°的相位调制和0码对应无相位调制。以该采样序列信号在电光相位调制器30中对窄线宽激光器20发出的单波长连续光(波长为f0)进行调制，得到平坦的光学频率梳，如图5(a)所示：19个频率梳分量(或谱线)之间的最大功率波动为±0.9dB。因而，以全数字化输入实现了平坦光学频率梳的生成。依次类推，频率梳分量数目调整为39、61、81时，优化得到的二元数字采样序列信号如图4(b)、4(c)、4(d)所示，进而得到平坦的光学频率梳如图5(b)、5(c)、5(d)所示。
当频率梳分量数目调整为101时，优化得到的二元数字采样序列信号如图4(e)所示。以该采样序列信号在电光相位调制器30中对窄线宽激光器20发出的单波长连续光进行调制得到平坦的光学频率梳如图5(e)所示：101个频率梳分量(或谱线)之间的最大功率波动为±2.5dB。当频率梳分量数目调整为201时，优化得到的二元数字采样序列信号如图4(f)所示。以该采样序列信号在电光相位调制器30中对窄线宽激光器20发出的单波长连续光进行调制得到平坦的光学频率梳如图5(f)所示：201个频率梳分量(或谱线)之间的最大功率波动为±3.5dB。因此，频率梳分量数目的数字化可编程调整得以实现，例如19、39、61、81、101、201个频率梳分量。
同时，频率梳间隔也可以通过全数字编程二元数字采样序列信号来加以调整。设定频率梳分量数目为51，针对不同频率梳间隔，优化得到的二元数字采样序列信号如图6所示，对应的间隔分别为100MHz(图6(a))，50MHz(图6(b))，20MHz(图6(c))，10MHz(图6(d))，5MHz(图6(e))，1MHz(图6(f))。同样，这里二元数字采样序列信号以二元比特数目的形式画出，每个比特的时间宽度为100ps，并且1码对应180°的相位调制和0码对应无相位调制。分别以这些采样序列信号在电光相位调制器30中对窄线宽激光器20发出的单波长连续光进行调制得到平坦的光学频率梳，对应如图7所示。100MHz间隔下，51个频率梳之间的最大功率波动为±4.0dB，如图7(a)；50MHz间隔下，51个频率梳之间的最大功率波动为±2.5dB，如图7(b)；20MHz间隔下，51个频率梳之间的最大功率波动为±2.3dB，如图7(c)；10MHz间隔下，51个频率梳之间的最大功率波动为±2.1dB，如图7(d)；5MHz间隔下，51个频率梳之间的最大功率波动为±1.5dB，如图7(e)；1MHz间隔下，51个频率梳之间的最大功率波动为±1.5dB，如图7(f)。因此，频率梳分量间隔的数字化可编程调整得以实现，例如1MHz、5MHz、10MHz、20MHz、50MHz、100MHz等。
当改变窄线宽激光器20输出的连续光波长f0时，光学频率梳的中心波长(或中心频率)也随之改变。如图8所示，光学频率梳的中心频率可调谐为f0＝850nm,1310nm,1550nm等常见的通信窗口，中心频率的调整得以实现。
综上所述，本发明具有如下特征：1)采用全数字化输入(二元数字采样序列信号)，以简单结构(一个相位调制器)实现了平台光学频率梳的生成，便于简易生成；2)通过数字化编程，实现了频率梳分量数目、频率梳分量间隔的简易调整，同时频率梳的中心频率也可以灵活调整。

Claims (10)

1.一种全数字可编程光学频率梳产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：从所需的目标光学频率梳出发，采用智能优化算法获得二元数字采样序列；
步骤2：以二元数字采样序列触发可编程二元数字信号发生器(10)产生二元数字采样序列信号；
步骤3：将二元数字采样序列信号加载到电光相位调制器(30)上，对窄线宽激光器(20)发出的单波长连续光进行相位调制；
步骤4：在电光相位调制器(30)输出端，得到平坦光学频率梳。
2.如权利要求1所述的一种全数字可编程光学频率梳产生方法，其特征在于，还包括步骤5：即通过改变二元数字采样序列信号中1和0之间的跳变点数目和位置，调整频率梳分量数目。
3.如权利要求1所述的一种全数字可编程光学频率梳产生方法，其特征在于，还包括步骤6：即通过改变二元数字采样序列信号中单个比特的时域宽度，调整频率梳分量间隔。
4.如权利要求1所述的一种全数字可编程光学频率梳产生方法，其特征在于，还包括步骤7：即通过改变窄线宽激光器的输出波长，调整频率梳的中心波长。
5.如权利要求1所述的一种全数字可编程光学频率梳产生方法，其特征在于，所述智能优化算法为模拟退火算法、遗传算法、粒子群优化算法或者蚁群算法。
6.如权利要求5所述的一种全数字可编程光学频率梳产生方法，其特征在于，所述模拟退火算法具体为：
1)对跳变点集合{tn}进行随机初始化，并设置算法的初始温度为T0，设置算法累积拒绝次数变量sig的初始值为0；
2)对sig的大小进行评估，当sig大于S时，算法终止，输出优化结果，否则进行以下步骤；其中，S为一个不小于权利要求1中跳变点数目10倍以上的整数；
3)对跳变点进行随机更改，从而产生新的跳变点集合{t′n}；
4)对两组跳变点集合构成的相位跳变函数的频谱进行分析，以所需N个频谱点频谱强度的模方的方差为评价函数δ，并计算两组跳变点集合对应的评价函数差值Δδ；
5)若Δδ＜0或者函数exp(-Δδ/Tl)大于一个0至1之间的均匀随机数，则接受第(3)步跳变点的更改，否则拒绝并累加拒绝次数变量sig，其中Tl表示当前循环内算法温度；
6)降低算法温度Tl，保证算法的收敛性，并跳转到第2)步。
7.一种全数字可编程光学频率梳产生装置，其特征在于，包括二元数字信号发生器(10)、窄线宽激光器(20)和电光相位调制器(30)；所述二元数字信号发生器(10)和窄线宽激光器(20)分别连接到电光相位调制器(30)。
8.如权利要求7所述的一种全数字可编程光学频率梳产生装置，其特征在于，所述二元数字信号发生器(10)的型号为Anritsu MT1810A。
9.如权利要求7所述的一种全数字可编程光学频率梳产生装置，其特征在于，所述窄线宽激光器(20)的型号为TeraXion PS-TNL。
10.如权利要求7所述的一种全数字可编程光学频率梳产生装置，其特征在于，所述电光相位调制器(30)的型号为EOspace PM-DS5-20-PFA-LV。
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