CN109932851B - 一种基于耦合型光电振荡光频梳任意倍频信号的产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合型光电振荡光频梳任意倍频信号的产生装置，该装置利用锁相环将耦合型光电振荡器的振荡信号相位锁定到一个高稳参考源，从而产生低相噪声、高稳定的射频信号，实现锁定频率和光纤激光器模式的同步匹配，从而实现稳定的光频梳输出；由于光频梳经过不同长度的光纤延迟线的环路后，光耦合器将经历不同时延的光频梳耦合后，即可以产生任意倍频的光频梳。因此，本发明装置可适用于为行星探测、光纤通信、阿秒脉冲等系统提供稳定的光学信号源。

Description

一种基于耦合型光电振荡光频梳任意倍频信号的产生装置

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种基于耦合型光电振荡光频梳任意倍频信号的产生装置。

背景技术

现代科学技术的稳步发展离不开精密计量科学的推进，光学频率梳的出现实现了微波频率与光学频率之间的精密连接。光学频率梳是一种特殊的激光光源，它的频谱是由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的梳状频率分量组成。科学家利用其宽光谱、高稳定、低相噪的特点，在系外行星探测、光纤通信、阿秒脉冲产生、基本物理定律验证、任意波形产生、精确定时等方面有着广泛的应用。

科研人员为了产生相噪低、稳定性高、频率可调的光频梳进行了艰辛的探索，最初科研人员采用锁模激光器法，即将锁模激光器中满足起振条件的各个纵模的相对相位以某种方式锁定，则在时域上相干叠加形成强度大、周期性的超短脉冲序列，而在频域上即为间距为固定间隔的光频梳；虽然该方式的结构较为简单、载波数量多，但是存在光载波数目不容易控制、平坦度差的缺点。为了改善光频梳的平坦度，科研人员又发明了循环频移法，基于循环频移器来产生光频梳的方案有很多，目前有循环频移器结合相位调制器、单边带调制循环频移器、循环频移器结合偏振调制器等，但是这种方法在改善平坦度之时，也引入了较大的载波噪声。因此，如何改善光频梳平坦度以及光频梳的相噪特性对于微波光子信号处理领域有着非常重要的意义。

随着微波光子学的迅猛发展，为微波源的产生提供了一种全新的方式，光电振荡器是微波光子学领域的一项重要发明，具有输出频率稳定、相噪低、结构灵活等优点；科学家利用光电振荡器的这些优良特性，发明了基于光电振荡器的光学频率梳生成技术。而耦合型光电振荡器是一种新型光电振荡器，它是由一个环形主动锁模光纤激光环与光电振荡环相互耦合而成，耦合型光电振荡环的起始光信号来源于光放大器的自发辐射，起始光信号在经过环路的循环放大、选频形成一系列等间隔的光纵模；环形激光腔的部分光信号经过光耦合器被耦合至光电振荡器环路，经光电探测器拍频，电放大器放大、带通滤波器滤波，产生射频信号；光电振荡器环路产生的射频信号反馈至电光调制器，用来调制环形激光器腔中的光脉冲，由于射频信号是纵模间隔频率的整数倍，光纤激光器进入谐波锁模状态。在光电振荡器回路加入锁相环电路，可以使振荡器的相位被外部稳定参考源锁定，进一步提高相噪特性；相比较传统的单环光电振荡器，耦合型光电振荡器在边模抑制比、相噪特性、频率稳定性、Q值等方面的性能有着进一步的提升。基于耦合型光电振荡器的这些优良特性以及马赫增德尔调制器的光电特性，可以在调制器后面耦合出谱线较多的光频梳，环路能够自己产生射频信号用来驱动调制器，并且可以通过控制调制深度、调制器参数、改变环路时延等方法优化系统结构和工作参数，在生成的光学频率梳条数、谱宽、相噪和平坦度等特性做出改善。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于耦合型光电振荡光频梳任意倍频信号的产生装置，能够使光学频率梳信号实现任意倍频。

一种基于耦合型光电振荡光频梳任意倍频信号的产生装置，包括光纤激光环路、振荡环路、锁相环回路以及倍频环路；其中，光纤激光环路与振荡环路构成耦合型光电振荡器用于产生光频梳信号，锁相环电路用于将耦合型光电振荡器的振荡信号相位锁定到一个高稳参考源(使得其输出的光频梳信号具有更低的相噪以及更高的稳定性)，所述光频梳信号经过倍频环路后由第一光电探测器拍频、可调带通滤波器滤波，最终得到对应的倍频信号输出；

所述倍频环路由多级光纤延迟线依次连接组成，且相邻两级光纤延迟线之间通过2×2光耦合器相连，每一级光纤延迟线由上下两路具有时延差的光纤组成，两路光纤经由2×2光耦合器耦合连接至下一级光纤延迟线。

进一步地，所述倍频环路中光纤延迟线的级数由所需的倍频数大小N决定且N为大于1的自然数；若log₂N为正整数，则倍频环路包含log₂N级光纤延迟线；若log₂N不是正整数，则倍频环路包含

级光纤延迟线，

为向上取整运算符。

进一步地，每一级光纤延迟线中的两路光纤并不等长且具有一定的时延差，该时延差大小由所需的倍频数大小N决定且N为大于1的自然数；若log₂N为正整数，则第i级光纤延迟线中两路光纤的时延差为Δτ/2ⁱ，i为自然数且1≤i≤log₂N；若log₂N不是正整数，则第i级光纤延迟线中两路光纤的时延差为

i为自然数且

Δτ为光频梳信号从耦合型光电振荡器输出至倍频环路接收到的时间间隔。

进一步地，所述光纤激光环路包括：

光放大器，用于对输入的光信号进行放大，输出第一光信号；

第一1×2光耦合器，用于将第一光信号分为两路光信号L1和L2；

第二1×2光耦合器，用于将光信号L2进一步分为两路光信号L21和L22；

电光调制器，用于将光信号L21调制上振荡环路提供的射频信号E3，从而输出第二光信号至光放大器。

进一步地，所述振荡环路包括：

第二光电探测器，用于将光信号L22转换成电信号；

电放大器，用于对第二光电探测器输出的电信号进行放大；

带通滤波器，用于对放大后的电信号进行带通滤波；

电移相器，在锁相环回路提供的误差信号控制下对滤波后的电信号进行移相，从而得到射频信号E1；

电功分器，用于将射频信号E1分为两路射频信号E2和E3，其中射频信号E2提供给锁相环回路，射频信号E3输入至电光调制器的射频端。

进一步地，所述锁相环回路包括：

高稳参考源，用于产生参考信号；

分频器，用于对射频信号E2进行分频；

鉴相器，用于将分频后的射频信号E2与参考信号进行鉴相，输出相差信号；

低通滤波器，用于对相差信号进行低通滤波，输出误差信号用以控制电移相器。

本发明装置利用锁相环将耦合型光电振荡器的振荡信号相位锁定到一个高稳参考源，从而产生低相噪声、高稳定的射频信号，实现锁定频率和光纤激光器模式的同步匹配，从而实现稳定的光频梳输出；由于光频梳经过不同长度的光纤延迟线的环路后，光耦合器将经历不同时延的光频梳耦合后，即可以产生任意倍频的光频梳。因此，本发明装置可适用于为行星探测、光纤通信、阿秒脉冲等系统提供稳定的光学信号源。

附图说明

图1为本发明装置的系统框图。

图2为本发明装置的具体结构示意图。

图中：1—光放大器，2—1×2光耦合器，3—1×2光耦合器，4—电光调制器，5—第二光电探测器，6—电放大器，7—带通滤波器，8—电移相器，9—电功分器，10—分频器，11—参考源，12—鉴相器，13—低通滤波器，14—2×2光耦合器，15—光纤延迟线、16—第一光电探测器，17—可调带通滤波器。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明基于耦合型光电振荡光频梳任意倍频信号的产生装置，整个系统包括光纤激光环路、振荡环路、锁相环回路、倍频环路。如图2所示，其中光纤激光环路由光放大器1、1×2光耦合器2、1×2光耦合器3、电光调制器4组成；振荡环路由第二光电探测器5、电放大器6、带通滤波器7、电移相器8、电功分器9组成；锁相环回路由分频器10、参考源11、鉴相器12、低通滤波器13组成；倍频环路由不同长度的多级光纤延迟线14、2×2光耦合器15组成，最后一级倍频环路的光频梳信号经由第一光电探测器16、可调带通滤波器17输出。

光放大器1、1×2光耦合器2、1×2光耦合器3、电光调制器4、通过光纤依次连接，光耦合器3通过光纤与第二光电探测器5连接，第二光电探测器5、电放大器6、带通滤波器7、电移相器8、电功分器9、电光调制器4通过射频线依次连接，电功分器9、分频器10、鉴相器12、低通滤波器13通过射频线依次连接，参考源11通过射频线与鉴相器12连接，2×2光耦合器14、光纤延迟线15、第一光电探测器16之间用光纤依次相连、第一光电探测器16与可调带通滤波器17通过射频线相连。

光放大器1输出的光通过保偏光纤耦合进入1×2光耦合器2、1×2光耦合器3、电光调制器4最终反馈回光放大器1构成光纤激光器腔；在光纤激光器腔中，光放大器1的自发辐射产生了最初的光信号，经过循环放大、选频，形成一系列光纵模；光纤激光腔产生的部分光信号经1×2光耦合器3引出，由第二光电探测器5拍频形成射频信号，再进行射频放大、带通滤波后，又耦合至电光调制器4的射频调制端口，形成一个闭合的光电环路。光纤激光器腔的光纵模经第二光电探测器5拍频形成腔基频整数倍的一系列射频频率，由于在光电环路中带通滤波器7具有选通作用，只有少数的几个模式保留；但由于增益竞争，只有最接近激光纵模拍频频率的那个振荡模式才能获取足够的能量而维持稳定的振荡，这个振荡模式被反馈至电光调制器4来调制环形光纤激光环路的增益，迫使光纤激光器腔进入谐波锁模状态。在谐波锁模作用下，光纤激光环路中的纵模间隔变为与光电振荡器的振荡频率相同，并且抑制其他不满足调制频率间隔的纵模，此时光纵模之间的间隔就变为光纤激光腔固有模式间隔的整数倍，从而产生一系列等间隔的光频梳信号。

本实施方式中，倍频环路由多级不同长度的光纤延迟线、2×2光耦合器组成。两级光纤延迟线之间由2×2光耦合器相连；每一级光纤延迟线由上下两路具有时延差的光纤组成，再由2×2光耦合器耦合输入至下一级光纤延迟线。

本实施方式中，光纤延迟线的级数由所需的N倍频大小决定，当log₂N为正整数，则倍频环路由log₂N级两路光纤延迟线构成，每级光纤延迟线的长度由倍频大小决定；当log2N不是正整数，则倍频环路共由

级光纤延迟线组成，

表示向上取整运算，每一级的光纤延迟线长度同样取决于倍频数。比如所需倍频数为16倍时，倍频环路由4级不同长度的光纤延迟线组成；而所需倍频数为19倍时，倍频环路由

级不同长度的光纤延迟线组成。

本实施方式中，每级两路光纤延迟线并不等长，而是有一定的时延差，时延差大小由所需的N倍频大小决定，当log₂N为正整数时，每一级光纤延迟线的时延差依次为Δτ/2、Δτ/4、Δτ/8、...Δτ/N，Δτ指的是为光频梳信号从耦合型光电振荡器输出至倍频环路接收到的时间间隔；当log₂N不是正整数时，则每一段光纤延迟线的时延差为

譬如所需倍频数N＝19时，则首先确定其倍频环路有

级光纤延迟线组成，再确定每一级的光纤的时延差为

本实施方式中，光纤激光环路与振荡环路构成耦合型光电振荡器，锁相环电路使耦合型光电振荡器的相位锁定到一个高稳参考源，使得输出的光频梳信号可以有更低的相噪以及更高的稳定性。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于耦合型光电振荡光频梳任意倍频信号的产生装置，其特征在于：包括光纤激光环路、振荡环路、锁相环回路以及倍频环路；其中，光纤激光环路与振荡环路构成耦合型光电振荡器用于产生光频梳信号，锁相环回路用于将耦合型光电振荡器的振荡信号相位锁定到一个高稳参考源，所述光频梳信号经过倍频环路后由第一光电探测器拍频、可调带通滤波器滤波，最终得到对应的倍频信号输出；

所述倍频环路由多级光纤延迟线依次连接组成，且相邻两级光纤延迟线之间通过2×2光耦合器相连，每一级光纤延迟线由上下两路具有时延差的光纤组成，两路光纤经由2×2光耦合器耦合连接至下一级光纤延迟线。

2.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于：所述倍频环路中光纤延迟线的级数由所需的倍频数大小N决定且N为大于1的自然数；若log₂N为正整数，则倍频环路包含log₂N级光纤延迟线；若log₂N不是正整数，则倍频环路包含

级光纤延迟线，

为向上取整运算符。

3.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于：每一级光纤延迟线中的两路光纤并不等长且具有一定的时延差，该时延差大小由所需的倍频数大小N决定且N为大于1的自然数；若log₂N为正整数，则第i级光纤延迟线中两路光纤的时延差为Δτ/2ⁱ，i为自然数且1≤i≤log₂N；若log₂N不是正整数，则第i级光纤延迟线中两路光纤的时延差为

i为自然数且

Δτ为光频梳信号从耦合型光电振荡器输出至倍频环路接收到的时间间隔。

4.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于：所述光纤激光环路包括：

光放大器，用于对输入的光信号进行放大，输出第一光信号；

第一1×2光耦合器，用于将第一光信号分为两路光信号L1和L2；

第二1×2光耦合器，用于将光信号L2进一步分为两路光信号L21和L22；

电光调制器，用于将光信号L21调制上振荡环路提供的射频信号E3，从而输出第二光信号至光放大器。

5.根据权利要求4所述的产生装置，其特征在于：所述振荡环路包括：

第二光电探测器，用于将光信号L22转换成电信号；

电放大器，用于对第二光电探测器输出的电信号进行放大；

带通滤波器，用于对放大后的电信号进行带通滤波；

电移相器，在锁相环回路提供的误差信号控制下对滤波后的电信号进行移相，从而得到射频信号E1；

电功分器，用于将射频信号E1分为两路射频信号E2和E3，其中射频信号E2提供给锁相环回路，射频信号E3输入至电光调制器的射频端。

6.根据权利要求5所述的产生装置，其特征在于：所述锁相环回路包括：

高稳参考源，用于产生参考信号；

分频器，用于对射频信号E2进行分频；

鉴相器，用于将分频后的射频信号E2与参考信号进行鉴相，输出相差信号；

低通滤波器，用于对相差信号进行低通滤波，输出误差信号用以控制电移相器。

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