CN108508676A - 基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳及产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非线性光纤光学技术领域，特别涉及一种基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳及产生方法。所述光频梳由窄线宽可调谐激光器、相位调制器、增益可调掺铒光纤放大器、窄带光纤滤波器、偏振控制器、第一光纤耦合器、光隔离器、第二光纤耦合器、主光纤、可调光衰减器、第一光电探测器、激光频率锁定系统、第二光电探测器、高速示波器、数据存储及处理系统、脉冲波形发生器和电学放大器组成。本发明提供的基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳及产生方法，只需要普通单模光纤构成环形腔，并且产生的光频梳具有低噪声和高相干的优点，尤其适合用作大规模干涉型光纤传感系统这类对相位噪声极为敏感的系统的光源。

Description

基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳及产生方法
技术领域
本发明涉及非线性光纤光学技术领域，特别涉及一种基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳及产生方法。
背景技术
光频梳即由若干频率间隔相同的单频光构成的梳齿状结构，已广泛应用于光通信、任意波形产生、微波光子学等领域，而频率间隔可调光频梳以其频率间隔可根据实际需要灵活设置这一突出优点，可用作大规模光纤通信系统或光纤传感系统的光源，引起了人们的广泛关注。
近年来，人们采用多种方法产生了频率间隔可调的光频梳。中国发明专利申请《一种基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统》(申请号：201510169696.5，公开日：2015.07.08)利用光纤级联四波混频效应产生光频梳，需要使用较为昂贵的高非线性光纤；中国发明专利申请《基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳》(申请号：201510166090.6，公开日：2015.07.08)同样需要高非线性光纤的级联四波混频效应产生光频梳，而且其仅实现了双模激光，效率较低；中国发明专利申请《一种重复频率可宽带调谐的光频参考光纤飞秒光频梳》(申请号：201610366387.1，公开日：2016.08.03)中光频梳的产生需要使用基于混合锁模的重复频率可宽带调谐掺饵光纤飞秒激光器，并且需要采用快速、慢速压电陶瓷、泵浦电流调制协同控制飞秒激光与两台参考激光的拍频，实现起来较为复杂；中国发明专利申请《一种宽且平坦的可调谐光学频率梳产生方法》(申请号：201610031924.7，公开日：2016.06.01)中光频梳的产生需要使用两台可调谐光源以及双驱动马赫曾德尔调制器，实现起来同样较为复杂；中国发明专利申请《一种基于光学反馈产生的重复频率可调光频梳》(申请号：201611103512.6，公开日：2017.03.15)和实用新型专利《一种基于光学反馈产生的重复频率可调光频梳》(ZL201621323117.4)产生光频梳时需要利用可调激光延迟模块对单频激光进行延时处理，同时结合高稳定信号源、误差信号处理系统和激光频率调制装置实现激光频率锁定；中国发明专利《高稳定、大频率间隔、频率间隔可调光学频率梳》(ZL201310128950.8)虽在较大频率间隔范围内产生了可调光频梳，但需要基于信噪比分析选择合适的调制深度；中国发明专利《一种可调光学频率梳的产生方法》(ZL201310567253.2)通过级联光强度调制器的方法实现光频梳，但其需要同时调节多个射频幅值及直流偏置电压参数，而且其频率间隔调节受限。
总之，虽然目前产生频率间隔可调光频梳的方法有很多种，但多是基于传统的调制器级联或非线性四波混频效应，光频梳调节方法以及装置结构往往较为复杂，有时还需要用到较为昂贵的高非线性光纤来增强四波混频效应。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳及产生方法，旨在实现频率间隔可简易调节的高性能光频梳。
本发明首先在光纤环形腔内激发非线性腔孤子，利用脉冲相位调制在整个环形腔内产生一定数量且等间隔分布的相位脉冲，由于腔孤子会被捕获至相位最大处(详见论文《Temporal tweezing of light through the trapping and manipulation of temporalcavity solitons》,Nature Communications,6:7370,2015)，故在上述相位脉冲峰值处会捕获相同数量和间隔的腔孤子，然后通过改变相位脉冲的间隔实现腔孤子间隔的调节，从而在频域上实现间隔可调的光频梳。本发明提出的频率间隔可调光频梳基于光纤腔孤子这一非线性现象，与基于四波混频的光频梳相比，只需要普通单模光纤构成环形腔，并且产生的光频梳具有低噪声和高相干的优点，尤其适合用作大规模干涉型光纤传感系统这类对相位噪声极为敏感的系统的光源。
本发明采用的技术方案为：
一种基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，由窄线宽可调谐激光器、相位调制器、增益可调掺铒光纤放大器、窄带光纤滤波器、偏振控制器、第一光纤耦合器、光隔离器、第二光纤耦合器、主光纤、可调光衰减器、第一光电探测器、激光频率锁定系统、第二光电探测器、高速示波器、数据存储及处理系统、脉冲波形发生器和电学放大器组成，所述窄线宽可调谐激光器的光纤输出端口连接至相位调制器的光纤输入端口，所述相位调制器的光纤输出端口通过增益可调掺铒光纤放大器连接至窄带光纤滤波器的光纤输入端口，所述窄带光纤滤波器的光纤输出端口通过偏振控制器连接至第一光纤耦合器的第一端口，所述第一光纤耦合器的第四端口通过光隔离器连接至第二光纤耦合器的第一端口，所述第二光纤耦合器的第二端口通过主光纤连接至第一光纤耦合器的第三端口，所述第一光纤耦合器的第二端口通过可调光衰减器连接至第一光电探测器的输入端口，所述第一光电探测器的输出端口通过激光频率锁定系统连接至窄线宽可调谐激光器的调谐端口，所述第二光纤耦合器的第四端口连接至第二光电探测器的输入端口，所述第二光电探测器的输出端口连接至高速示波器的输入端口，所述高速示波器的数据输出端口连接至数据存储及处理系统，所述脉冲波形发生器通过电学放大器连接至相位调制器的射频端口，所述脉冲波形发生器通过连接电缆连接至高速示波器以实现触发功能。
本发明还提供一种采用如上所述装置产生频率间隔可调光频梳的方法，该方法的步骤如下：
第一步，按如上所述连接好装置，并依次打开所述窄线宽可调谐激光器、增益可调掺铒光纤放大器、第一光电探测器、激光频率锁定系统、第二光电探测器、高速示波器和数据存储及处理系统，调节所述增益可调掺铒光纤放大器的增益，使窄带光纤滤波器光纤输出端口的光功率足以在由第一光纤耦合器、光隔离器、第二光纤耦合器和主光纤组成的环形腔内产生腔孤子；
第二步，调节所述偏振控制器，使得输入第一光纤耦合器第一端口的激光为单偏振光；
第三步，调节所述可调光衰减器，使输入第一光电探测器的光功率低于其损伤阈值，调节所述激光频率锁定系统，使窄线宽可调谐激光器的频率锁定在腔孤子产生区域；
第四步，依次打开所述脉冲波形发生器和电学放大器，脉冲波形发生器输出重复频率Δf＝N*FSR的脉冲信号，其中N为正整数，FSR为由所述第一光纤耦合器、光隔离器、第二光纤耦合器和主光纤组成的环形腔的自由光谱范围，脉冲宽度Δt<1/(N*FSR)且越窄越好，第50*N至第65*N个脉冲的峰值高于其余脉冲峰值，调节所述电学放大器增益，使输入相位调制器射频端口的第50*N至第65*N个脉冲的峰值电压为Vπ，其余脉冲峰值电压为Vπ/3，其中Vπ为相位调制器的半波电压，上述第50*N至第65*N个脉冲用于在环形腔内激发N个腔孤子，其余脉冲用于将激发的N个腔孤子捕获至脉冲峰值处，由此在环形腔内产生了N个间距相同且稳定存在的腔孤子，对应到频域上即频率间隔为N*FSR的光频梳；
第五步，利用所述高速示波器进行观察，利用所述数据存储及处理系统进行数据存储和处理，用于证实环形腔内N个腔孤子和频域上频率间隔为N*FSR的光频梳的产生；
第六步，改变N值，重复第四步和第五步，由此产生不同频率间隔的光频梳。
优选地，所述窄线宽可调谐激光器的波长位于C波段，线宽小于1kHz，光功率大于10mW，调谐范围大于18pm，调谐带宽大于100Hz。
优选地，所述相位调制器的调制带宽在C波段，大于10GHz，半波电压Vπ小于5V，插入损耗小于3dB。
优选地，所述增益可调掺铒光纤放大器的最大输出光功率为32dBm。
优选地，所述窄带光纤滤波器的中心波长与窄线宽可调谐激光器的波长一致，带宽小于0.8nm。
优选地，所述窄带光纤滤波器光纤输出端口的光功率应保证能够在环形腔内产生腔孤子。
优选地，所述窄带光纤滤波器光纤输出端口的光功率为1W。
优选地，所述第一光纤耦合器的耦合方式为2×2，分束比为90:10，其中第一端口为输入端口，第二端口为相对于输入端口的90％输出端口，第四端口为相对于输入端口的10％输出端口。
优选地，所述第二光纤耦合器的耦合方式为2×2，分束比为99:1，其中第一端口为输入端口，第二端口为相对于输入端口的99％输出端口，第四端口为相对于输入端口的1％输出端口。
优选地，所述主光纤为普通单模光纤，其长度应保证在所述窄带光纤滤波器光纤输出端口的光功率条件下能够在环形腔内产生腔孤子。
优选地，所述主光纤为长度为100米的普通单模光纤。
优选地，由所述第一光纤耦合器、光隔离器、第二光纤耦合器和主光纤组成的环形腔的精细度大于20。
优选地，所述第二光电探测器的带宽大于10GHz。
优选地，所述高速示波器的带宽大于10GHz，采样率大于20GSa/s。
优选地，所述脉冲波形发生器的带宽大于10GHz。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明提供的基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳及产生方法，利用脉冲相位调制将腔孤子捕获至相位脉冲峰值处，通过调节相位脉冲的间隔，在整个环形腔内捕获不同数量的腔孤子，从而在频域上实现频率间隔可调的光频梳。与现有的频率间隔可调光频梳产生装置及方法相比，本发明提供的基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳及产生方法，只需要普通单模光纤构成环形腔，并且产生的光频梳具有低噪声和高相干的优点，尤其适合用作大规模干涉型光纤传感系统这类对相位噪声极为敏感的系统的光源。
附图说明
图1是本发明所述装置的结构示意图，
其中：01为窄线宽可调谐激光器，02为相位调制器，03为增益可调掺铒光纤放大器，04为窄带光纤滤波器，05为偏振控制器，06为第一光纤耦合器，07为光隔离器，08为第二光纤耦合器，09为主光纤，10为可调光衰减器，11为第一光电探测器，12为激光频率锁定系统，13为第二光电探测器，14为高速示波器，15为数据存储及处理系统，16为脉冲波形发生器，17为电学放大器；
061为第一光纤耦合器的第一端口，062为第一光纤耦合器的第二端口，063为第一光纤耦合器的第三端口，064为第一光纤耦合器的第四端口，081为第二光纤耦合器的第一端口，082为第二光纤耦合器的第二端口，083为第二光纤耦合器的第三端口，084为第二光纤耦合器的第四端口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明提出一种基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，该装置由窄线宽可调谐激光器01、相位调制器02、增益可调掺铒光纤放大器03、窄带光纤滤波器04、偏振控制器05、第一光纤耦合器06、光隔离器07、第二光纤耦合器08、主光纤09、可调光衰减器10、第一光电探测器11、激光频率锁定系统12、第二光电探测器13、高速示波器14、数据存储及处理系统15、脉冲波形发生器16和电学放大器17组成，所述窄线宽可调谐激光器01的光纤输出端口连接至相位调制器02的光纤输入端口，所述相位调制器02的光纤输出端口通过增益可调掺铒光纤放大器03连接至窄带光纤滤波器04的光纤输入端口，所述窄带光纤滤波器04的光纤输出端口通过偏振控制器05连接至第一光纤耦合器06的第一端口061，所述第一光纤耦合器06的第四端口064通过光隔离器07连接至第二光纤耦合器08的第一端口081，所述第二光纤耦合器08的第二端口082通过主光纤09连接至第一光纤耦合器06的第三端口063，所述第一光纤耦合器06的第二端口062通过可调光衰减器10连接至第一光电探测器11的输入端口，所述第一光电探测器11的输出端口通过激光频率锁定系统12连接至窄线宽可调谐激光器01的调谐端口，所述第二光纤耦合器08的第四端口084连接至第二光电探测器13的输入端口，所述第二光电探测器13的输出端口连接至高速示波器14的输入端口，所述高速示波器14的数据输出端口连接至数据存储及处理系统15，所述脉冲波形发生器16通过电学放大器17连接至相位调制器02的射频端口，所述脉冲波形发生器16通过连接电缆连接至高速示波器14以实现触发功能。
本发明的工作原理如下：窄线宽可调谐激光器01的输出光，经相位调制器02后由增益可调掺铒光纤放大器03放大，再由窄带光纤滤波器04滤除放大的自发辐射噪声，在窄带光纤滤波器04的光纤输出端输出的激光，满足在第一光纤耦合器06、光隔离器07、第二光纤耦合器08和主光纤09组成的环形腔内产生腔孤子的光功率要求，调节偏振控制器05，确保输入第一光纤耦合器第一端口061的激光为单偏振光，环形腔内的光隔离器07用于抑制受激布里渊散射，调节激光频率锁定系统12，使窄线宽可调谐激光器01的频率锁定在腔孤子产生区域，满足在环形腔内产生腔孤子的激光频率要求。
利用脉冲波形发生器16和电学放大器17产生重复频率为N*FSR、脉冲宽度窄于1/(N*FSR)且越窄越好的脉冲信号，并保证输入相位调制器02射频端口的第50*N至第65*N个脉冲的峰值电压为Vπ，其余脉冲峰值电压为Vπ/3，上述第50*N至第65*N个脉冲用于在环形腔内激发N个腔孤子，其余脉冲用于将激发的N个腔孤子捕获至脉冲峰值处，由此在环形腔内产生了N个间距相同且稳定存在的腔孤子，对应到频域上即频率间隔为N*FSR的光频梳，通过改变N值可得到频率间隔可调的光频梳。
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，所应理解的是，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 (16)

1.一种基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述光频梳由窄线宽可调谐激光器(01)、相位调制器(02)、增益可调掺铒光纤放大器(03)、窄带光纤滤波器(04)、偏振控制器(05)、第一光纤耦合器(06)、光隔离器(07)、第二光纤耦合器(08)、主光纤(09)、可调光衰减器(10)、第一光电探测器(11)、激光频率锁定系统(12)、第二光电探测器(13)、高速示波器(14)、数据存储及处理系统(15)、脉冲波形发生器(16)和电学放大器(17)组成，所述窄线宽可调谐激光器(01)的光纤输出端口连接至相位调制器(02)的光纤输入端口，所述相位调制器(02)的光纤输出端口通过增益可调掺铒光纤放大器(03)连接至窄带光纤滤波器(04)的光纤输入端口，所述窄带光纤滤波器(04)的光纤输出端口通过偏振控制器(05)连接至第一光纤耦合器(06)的第一端口(061)，所述第一光纤耦合器(06)的第四端口(064)通过光隔离器(07)连接至第二光纤耦合器(08)的第一端口(081)，所述第二光纤耦合器(08)的第二端口(082)通过主光纤(09)连接至第一光纤耦合器(06)的第三端口(063)，所述第一光纤耦合器(06)的第二端口(062)通过可调光衰减器(10)连接至第一光电探测器(11)的输入端口，所述第一光电探测器(11)的输出端口通过激光频率锁定系统(12)连接至窄线宽可调谐激光器(01)的调谐端口，所述第二光纤耦合器(08)的第四端口(084)连接至第二光电探测器(13)的输入端口，所述第二光电探测器(13)的输出端口连接至高速示波器(14)的输入端口，所述高速示波器(14)的数据输出端口连接至数据存储及处理系统(15)，所述脉冲波形发生器(16)通过电学放大器(17)连接至相位调制器(02)的射频端口，所述脉冲波形发生器(16)通过连接电缆连接至高速示波器(14)以实现触发功能。
2.根据权利要求1所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述窄线宽可调谐激光器(01)的波长位于C波段，线宽小于1kHz，光功率大于10mW，调谐范围大于18pm，调谐带宽大于100Hz。
3.根据权利要求1所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述相位调制器(02)的调制带宽在C波段，大于10GHz，半波电压Vπ小于5V，插入损耗小于3dB。
4.根据权利要求1所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述增益可调掺铒光纤放大器(03)的最大输出光功率为32dBm。
5.根据权利要求1所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述窄带光纤滤波器(04)的中心波长与窄线宽可调谐激光器(01)的波长一致，带宽小于0.8nm。
6.根据权利要求1所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述窄带光纤滤波器(04)光纤输出端口的光功率应保证能够在环形腔内产生腔孤子。
7.根据权利要求6所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述窄带光纤滤波器(04)光纤输出端口的光功率为1W。
8.根据权利要求1所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述第一光纤耦合器(06)的耦合方式为2×2，分束比为90:10，其中第一端口(061)为输入端口，第二端口(062)为相对于输入端口的90％输出端口，第四端口(064)为相对于输入端口的10％输出端口。
9.根据权利要求1所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述第二光纤耦合器(08)的耦合方式为2×2，分束比为99:1，其中第一端口(081)为输入端口，第二端口(082)为相对于输入端口的99％输出端口，第四端口(084)为相对于输入端口的1％输出端口。
10.根据权利要求1所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述主光纤(09)为普通单模光纤，其长度应保证在所述窄带光纤滤波器(04)光纤输出端口的光功率条件下能够在环形腔内产生腔孤子。
11.根据权利要求9所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述主光纤(09)为长度为100米的普通单模光纤。
12.根据权利要求1所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：由所述第一光纤耦合器(06)、光隔离器(07)、第二光纤耦合器(08)和主光纤(09)组成的环形腔的精细度大于20。
13.根据权利要求1所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述第二光电探测器(13)的带宽大于10GHz。
14.根据权利要求1所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述高速示波器(14)的带宽大于10GHz，采样率大于20GSa/s。
15.根据权利要求1所述基于相位调制和光纤腔孤子的间隔可调光频梳，其特征在于：所述脉冲波形发生器(16)的带宽大于10GHz。
16.一种采用如权利要求1至15任一条所述装置产生频率间隔可调光频梳的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
第一步，按权利要求1所述连接好装置，并依次打开所述窄线宽可调谐激光器(01)、增益可调掺铒光纤放大器(03)、第一光电探测器(11)、激光频率锁定系统(12)、第二光电探测器(13)、高速示波器(14)和数据存储及处理系统(15)，调节所述增益可调掺铒光纤放大器(03)的增益，使窄带光纤滤波器(04)光纤输出端口的光功率足以在由第一光纤耦合器(06)、光隔离器(07)、第二光纤耦合器(08)和主光纤(09)组成的环形腔内产生腔孤子；
第二步，调节所述偏振控制器(05)，使得输入第一光纤耦合器(06)第一端口(061)的激光为单偏振光；
第三步，调节所述可调光衰减器(10)，使输入第一光电探测器(06)的光功率低于其损伤阈值，调节所述激光频率锁定系统(12)，使窄线宽可调谐激光器(01)的频率锁定在腔孤子产生区域；
第四步，依次打开所述脉冲波形发生器(16)和电学放大器(17)，脉冲波形发生器(16)输出重复频率Δf＝N*FSR的脉冲信号，其中N为正整数，FSR为由所述第一光纤耦合器(06)、光隔离器(07)、第二光纤耦合器(08)和主光纤(09)组成的环形腔的自由光谱范围，脉冲宽度Δt<1/(N*FSR)且越窄越好，第50*N至第65*N个脉冲的峰值高于其余脉冲峰值，调节所述电学放大器(17)增益，使输入相位调制器(02)射频端口的第50*N至第65*N个脉冲的峰值电压为Vπ，其余脉冲峰值电压为Vπ/3，其中Vπ为相位调制器(02)的半波电压，上述第50*N至第65*N个脉冲用于在环形腔内激发N个腔孤子，其余脉冲用于将激发的N个腔孤子捕获至脉冲峰值处，由此在环形腔内产生了N个间距相同且稳定存在的腔孤子，对应到频域上即频率间隔为N*FSR的光频梳；
第五步，利用所述高速示波器(14)进行观察，利用所述数据存储及处理系统(15)进行数据存储和处理，用于证实环形腔内N个腔孤子和频域上频率间隔为N*FSR的光频梳的产生；
第六步，改变N值，重复第四步和第五步，由此产生不同频率间隔的光频梳。
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