CN106848825B - 通过级联光调制器产生超平坦光频梳的方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过级联光调制器产生超平坦光频梳的方法，通过把基频、两倍频和五倍频射频信号的频率组合通入强度调制器和相位调制器，以及精确调节它们的功率、相对相位和强度调制器的偏置电压，可以很低的射频功耗产生15根平坦度优于0.2dB的光频梳。

Description

通过级联光调制器产生超平坦光频梳的方法
技术领域
本发明涉及产生超平坦光频梳的方法，具体是一种通过级联光调制器产生超平坦光频梳的方法。
背景技术
近些年来，由于光频梳在光通信、任意波形产生、微波光子学等方面的广泛应用，吸引了大批学者对光频梳的产生进行研究。而如何通过简单的结构、低能量消耗的方式产生多数量的超平坦光频梳成为人们关注的焦点。
目前产生光频梳的方法主要有4种:
方法1是利用锁模激光器，锁模激光器在时域上产生周期性的脉冲序列，在频域上则是频率间隔相同的光频梳。但锁模激光器产生的光频梳需要进行额外的光频率锁定，涉及超连续谱产生等复杂的非线性过程，系统复杂，且光频梳间隔较小，通常小于1GHz。
方法2是采用循环频移的方法，在环形腔内放置一个光调制器，通过光信号反复经过调制器调制，产生光频梳。为了补偿光循环的损耗，腔内还需放置光功率放大器补偿环路损耗。同时由于环形腔受到扰动会发生光程的变化，导致每次循环输入调制器的光信号都无法保证与调制信号严格同相。所以利用这种方法产生的光频梳具有载波噪声较大的缺点。
方法3是使用调制器加非线性光纤的方法，该方法先用调制器产生少量光频梳，然后利用非线性光纤的自相位调制、四波混频等非线性效应来产生数量较多的光频梳。这种方法产生的光频梳同样存在光频梳平坦度不好、必须使用高功率光放大器、稳定性较差等缺点。
方法4是级联调制器结合高阶边带产生的方法。该方法通过将多个调制器级联，并在调制器上施加较高的射频功率，使得每个调制器都工作在高非线性状态以获得较多的高阶边带输出。利用这种方法产生的光频梳平坦度一般，且需要很高的射频功率，功耗较高。而且调制器上由于施加了很高的射频功率，也较容易被烧坏。
总之，以上的几种方法产生的光频梳或者平坦度不佳或者射频功耗大高或者系统复杂、稳定性差，需要一种综合改进的方法能够在兼顾低成本的同时，实现较多的光频梳数量、较佳的平坦度和较低的功耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种通过级联光调制器产生超平坦光频梳的方法，有效地通过简单的结构，产生数量多且平坦度极佳(不同光频梳的梳齿间功率差异小于0.2dB)的光频梳。
为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：
一种通过级联光调制器产生超平坦光频梳的方法，其特点在于采用级联光调制器，该装置包括连续光光源和单频射频信号源，沿所述的连续光光源的激光输出方向依次是偏振控制器、强度调制器、相位调制器和光谱仪，所述的单频射频信号源输出的单频射频信号分为三束，沿第一束单频射频信号方向依次是第一射频放大器、合频器的第一输入端，沿第二束单频射频信号方向依次是二倍频器、第二射频放大器、第一射频移相器后输入所述的合频器的第二输入端，该合频器的输出端接所述的强度调制器的调制端口，该强度调制器的直流输入端口接直流电源，沿第三束单频射频信号方向依次是五倍频器、第三射频放大器、第二射频移相器、所述的相位调制器，该方法包括以下步骤：
1)将连续光光源输出的连续光经强度调制器输入相位调制器的输入端，从相位调制器输出至所述的光谱仪；
2)所述的单频射频信号源输出基频射频信号，经二倍频器输出两倍频射频信号，经五倍频器输出五倍频射频信号，所述的两倍频射频信号和基频射频信号通过所述的合频器合成一路输入所述的强度调制器的调制端口，通过调节这两个射频信号功率、相对相位和强度调制器的偏置电压，获得5根平坦的光频梳并显示在所述的光谱仪上；
3)将所述的五倍频射频信号输入所述的相位调制器的调制端口，调节该射频信号的功率和相位，获得15根平坦的光频梳，经相位调制器输出并显示在所述的光谱仪上；
4)通过所述的光谱仪观察相位调制器在光谱仪上的输出，进一步优化三个射频信号的功率和相位，获得平坦度最佳的光频梳输出，将所述的光谱仪移开，输出的超平坦光频梳供使用。
所述的连续光光源是单频率激光器，输出形式是空间光或光纤均可，工作频率或波长也无限制。
所述的强度调制器和相位调制器是铌酸锂强度调制器和铌酸锂相位调制器，输入、输出光纤是单模保偏光纤。
优选的，所述的强度调制器和相位调制器都是线偏振输入输出，若输入光信号的偏振不是线偏振，则需要在光路中加入偏振控制器调节光信号的偏振态。
优选的，所述的调制器采用保偏光纤作为输入输出，以确保偏振态的稳定。
优选的，所述的强度调制器和相位调制器是铌酸锂强度调制器和铌酸锂相位调制器，以保证较好的调制线性度。
优选的，所述的强度调制器输出的5根平坦的光频梳指光频梳不同梳齿间的功率差异小于0.1dB。
优选的，所述的相位调制器输出的15根平坦的光频梳指光频梳不同梳齿间的功率差异小于0.2dB。
优选的，所述的通入强度调制器的基频和其两倍频射频信号功率均小于12dBm。
优选的，所述的通入相位调制器的基频五倍频射频信号功率小于20dBm。
本发明原理是通过利用基频和两倍频信号，使强度调制器的输出获得5根平坦的光频梳，频梳间隔等于基频。每个调制频率只使调制器产生一阶边带，故只需要很低的射频功率即可实现。随后，利用基频的五倍频信号调制相位调制器，产生间隔为五倍基频的三条光频梳。这样当强度调制器的输出通入相位调制器后，两者输出光信号的频谱发生卷积，恰好获得具有极高平坦度的15根光频梳。主要功耗集中在相位调制器，但由于只要保证光谱的一阶边带与中心频率平坦，故施加在相位调制器上的功率也较低，只需要不超过20dBm即可。系统总的射频功耗也不超过20dBm，远小于需要通过调制器产生高阶边带的光频梳实现方案的功耗(典型值大于25dBm)。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明通过把基频、两倍频和五倍频射频信号的频率组合通入强度调制器和相位调制器，以及精确调节它们的功率、相对相位和强度调制器的偏置电压，可以很低的射频功耗产生15根平坦度优于0.2dB的光频梳。相比于背景技术中的方法1(利用锁模激光器的方法)，本发明不需要复杂的频率锁定和非线性光学处理，故结构更简单、稳定性更好。相比于背景技术中的方法2(采用循环频移的方法)，本发明没有使用环形光路以及光功率放大器，具有更低的噪声和系统稳定性。相比于背景技术中的方法3(使用调制器加非线性光纤的方法)，本发明具有更好的光频梳平坦度，且不需要光学非线性处理故系统稳定性也更好。相比于背景技术中的方法4(级联调制器结合高阶边带产生的方法)，本发明只考虑调制器输出中一阶边带的产生，故平坦度更好，射频功耗也更低。
附图说明
图1是本发明平坦光频梳生成装置的结构图
图2是超平坦光频梳产生的原理图
图3是超平坦光频梳的输出光谱
1-连续光光源，2-偏振控制器，3-强度调制器，4-相位调制器，5-光谱分析仪，6-单频射频信号源，7-二倍频器，8-五倍频器，91、92、93-第一可调射频功率放大器、第二可调射频功率放大器、第三可调射频功率放大器,101、102-第一可调射频移相器、第二可调射频移相器，11-合频器，12-直流源
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明平坦光频梳生成装置的结构图，由图可见，本发明产生超平坦光频梳的方法，采用级联光调制器，装置包括连续光光源1和单频射频信号源6，沿所述的连续光光源1的激光输出方向依次是偏振控制器2、强度调制器3、相位调制器4和光谱仪5，所述的单频射频信号源6输出的单频射频信号分为三束，沿第一束单频射频信号方向依次是第一射频放大器91、合频器11的第一输入端，进入强度调制器3，沿第二束单频射频信号方向依次是二倍频器7、第二射频放大器92、第一射频移相器11后输入所述的合频器11的第二输入端，该合频器11的输出端接所述的强度调制器3的调制端口，该强度调制器3的直流输入端口接直流电源12，沿第三束单频射频信号方向依次是五倍频器8、第三射频放大器93、第二射频移相器12、所述的相位调制器4的调制端口，该方法包括以下步骤：
1)将连续光光源1输出的连续光经强度调制器3输入相位调制器4的输入端，从相位调制器输出至所述的光谱仪5；
2)所述的单频射频信号源6输出基频射频信号，经二倍频器7输出两倍频射频信号，经五倍频器8输出五倍频射频信号，所述的两倍频射频信号和基频射频信号通过所述的合频器11合成一路输入所述的强度调制器3的调制端口，通过调节这两个射频信号功率、相对相位和强度调制器的偏置电压，获得5根平坦的光频梳并显示在所述的光谱仪5上；
3)将所述的五倍频射频信号输入所述的相位调制器4的调制端口，调节该射频信号的功率和相位，获得15根平坦的光频梳，经相位调制器输出并显示在所述的光谱仪5上；
4)通过所述的光谱仪5观察相位调制器在光谱仪上的输出，进一步优化三个射频信号的功率和相位，获得平坦度最佳的光频梳输出，将所述的光谱仪5移开，输出的超平坦光频梳供使用。
下面是实施例参数的说明：
所述的连续光光源1是单频率激光器，输出形式是空间光或光纤均可，工作频率或波长也无限制。在本发明的优选实施例中，光源的输出是单模非保偏光纤，工作波长1550nm。
所述的偏振控制器2可以是空间光工作，也可以是光纤工作。在本发明的优选实施例中，偏振控制器2是光纤工作，输入、输出光纤是单模非保偏光纤。
所述的强度调制器3可以是空间光工作，也可以是光纤工作。在本发明的优选实施例中，强度调制器3是商用单驱动铌酸锂强度调制器，输入、输出光纤是单模保偏光纤，工作波长1550nm。
所述的相位调制器4可以是空间光工作，也可以是光纤工作。在本发明的优选实施例中，相位调制器4是商用铌酸锂相位调制器，输入、输出光纤是单模保偏光纤，工作波长1550nm。
其中，若连续光光源1的输出光纤是单模保偏光纤，则不需要偏振控制器2，其输出直接连到强度调制器3的输入端。
步骤2：将单频射频信号源6的一路输出通过第一射频放大器91通入合频器11的一个输入端，将信号源6的另一路输出通过二倍频器7、第二射频放大器92和第一射频移相器101通入合频器11的另一个输入端，将合频器11的输出端通入强度调制器3的射频输入端口，将直流源12通入强度调制器3的直流输入端口。通过调节两个射频放大器91、92的增益和射频移相器的移相，来调节两路信号的功率和相对相位，并结合调节强度调制器的直流偏置电压，在光谱仪5上观察到获得5根平坦的光频梳。
其中，单频射频信号源6需要有多端口输出，若无则需要加一个功分器。
其中，单频射频信号源6的输出频率的优选范围是1GHz-10GHz。在本发明的优选实施例中，其输出频率是2.5GHz。
其中，最终输入强度调制器3的两个射频信号功率的优选范围是10-15dBm。在本发明的优选实施例中，两个射频信号功率都是约12dBm。
其中，所述的5根平坦的光频梳指不同光频梳的梳齿间功率差异小于0.1dB。
步骤3：将单频射频信号源6的一路输出通过五倍频器7、第三射频放大器93和第二射频移相器102通入相位调制器4的调制端口，调节该射频信号的功率和相位，在光谱仪5上获得15根平坦的光频梳；
其中，最终输入相位调制器4的射频功率的优选范围是15-22dBm。在本发明的优选实施例中，射频功率是19.6dBm。
其中，所述的15根平坦的光频梳指不同光频梳的梳齿间功率差异小于0.2dB。
步骤4：通过观察相位调制器4在光谱仪5上的输出，进一步优化三个射频信号的功率和相位，消除调制器中高阶调制边带的影响，获得平坦度最佳的光频梳输出。
图2给出了超平坦光频梳产生的原理图，强度调制器产生的5根平坦光频梳和相位调制器产生的3根平坦光频梳通过时域相乘、频域卷积的方式，获得15根超平坦光频梳。图3给出了实验获得的15根超平坦光束图，梳齿间隔2.5GHz，平坦度为0.2dB，结果优于背景所述的其他方案。

Claims (4)

1.一种通过级联光调制器产生超平坦光频梳的方法，其特征在于采用级联光调制器，该级联光调制器包括连续光光源(1)和单频射频信号源(6)，沿所述的连续光光源(1)的激光输出方向依次是偏振控制器(2)、强度调制器(3)、相位调制器(4)和光谱仪(5)，所述的单频射频信号源(6)输出的单频射频信号分为三束，其中，第一束单频射频信号依次经第一射频放大器(91)、合频器(11)的第一输入端，输入强度调制器(3)，第二束单频射频信号依次经二倍频器(7)、第二射频放大器(92)、第一射频移相器(11)后输入所述的合频器(11)的第二输入端，该合频器(11)的输出端接所述的强度调制器(3)的调制端口，该强度调制器(3)的直流输入端口接直流电源(12)，第三束单频射频信号依次经五倍频器(8)、第三射频放大器(93)和第二射频移相器(12)，输入所述的相位调制器(4)的调制端口，该方法包括以下步骤：
1)将连续光光源(1)输出的连续光经强度调制器(3)输入相位调制器(4)的输入端，从相位调制器输出至所述的光谱仪(5)；
2)所述的单频射频信号源(6)输出基频射频信号，经二倍频器(7)输出两倍频射频信号，经五倍频器(8)输出五倍频射频信号，所述的两倍频射频信号和基频射频信号通过所述的合频器(11)合成一路输入所述的强度调制器(3)的调制端口，通过调节这两个射频信号功率、相对相位和强度调制器的偏置电压，获得五根平坦的光频梳并显示在所述的光谱仪(5)上；
3)将所述的五倍频射频信号输入所述的相位调制器(4)的调制端口，调节该射频信号的功率和相位，获得十五根平坦的光频梳，经相位调制器输出并显示在所述的光谱仪(5)上；
4)通过所述的光谱仪(5)观察相位调制器在光谱仪上的输出，进一步优化三个射频信号的功率和相位，获得平坦度最佳的光频梳输出，将所述的光谱仪(5)移开，输出的超平坦光频梳供使用。
2.根据权利要求1所述的通过级联光调制器产生超平坦光频梳的方法，其特征在于所述的连续光光源(1)是单频率激光器，输出形式是空间光或光纤均可，工作频率或波长也无限制。
3.根据权利要求1所述的通过级联光调制器产生超平坦光频梳的方法，其特征在于所述的强度调制器和相位调制器是铌酸锂强度调制器和铌酸锂相位调制器，输入、输出光纤是单模保偏光纤。
4.根据权利要求1至3任一项所述的通过级联光调制器产生超平坦光频梳的方法，其特征在于所述的强度调制器和相位调制器都是线偏振输入输出，若输入光信号的偏振不是线偏振，则需要在光路中加入偏振控制器调节光信号的偏振态。
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