CN110429468B - 一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统，包括∞形控制环路、入射信号光源、环形器、耦合器、两个WDM波分复用器、两个IQ调制器和半导体光放大器SOA，所述耦合器设于∞形控制环路的环交接处，且与∞形控制环路连接，所述半导体光放大器SOA设于∞形控制环路的右环上，所述两个WDM波分复用器分别设于半导体光放大器SOA两端，两个所述IQ调制器对称设于∞形控制环路的两个环上，所述入射信号光源和环形器的端口1连接，所述环形器的端口2和耦合器连接。本发明的一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统及方法将能得到多组不同的光频梳，且获得好的频谱平坦度，系统集成度高，弥补了使用单一调制器产生的频梳数量有限的不足。

Description

一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统
技术领域
本发明涉及光频技术领域，具体涉及一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统及方法。
背景技术
光频梳(OFC)是指在频谱上由几十条、几十万条甚至是上百万条间隔均匀并且有着相干稳定关系的频率谱线组成的梳状频谱结构。其最初的使用是在光频测量领域，用于提供高精度的时间基准。伴随着其技术的发展，光频梳技术在光学任意波形产生、密集波分复用等方面也有很好的应用，因此在光纤通信、光纤传感以及信号处理等领域光频梳技术也引起了广泛关注。尤其是在近年来全球宽带业务流量突飞猛涨的情况下，为了满足接入网和城局域网网络容量的更高要求，作为当前光学领域最重要的创新之一，光频梳被认为是实现T比特传输的一个重要解决方案。
作为新的研究热点，近年来许多光频梳的产生方案被不断提出，主要包括锁模激光器、超连续谱光源、参量光频梳以及电光调制光频梳等几大类。但是它们都有各自的不足，比如通过锁模激光器产生的光频梳的谱线间隔不可调并且稳定性较差。而采用超连续光源虽然能产生梳数多、稳定性好光频梳，但是其需要强短光脉冲注入非线性介质来激发产生，所以能耗较大。参量光频梳需要使用两束相干泵浦光通过注入锁定技术来激发参量过程，从而产生光频梳，因此系统的复杂度较高。在这些方案中，基于连续波电光调制的方法由于具有结构简单、稳定性高的优点而被关注与研究得最广泛。最常用的基于连续波电光调制方法是通过射频信号源驱动级联的调制器，从而触发高级调制边带以产生光频梳。通过该方案产生的光频梳具有平坦度较高且数目可调整的谱线，但是其产生的光频梳受系统中电光调制器数目的影响较大。如果仅仅使用一个电光调制器，产生的光频梳在梳线数目以及平坦度等方面都会有不同程度的影响。所以大多数的基于连续波电光调制方案都会采用多级电光调制器级联的方式来生成梳线更多、平坦度更好、带外抑制比更大的光学频率梳，从而达到更好的效果。但是这种多级光电调制器级联的系统往往存在集成度差、可调节性差等问题，因此光频梳的产生仍是目前需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统及方法来解决现有技术产生光频梳难度大，且产生的光频梳质量不佳的问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：提供一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统，其创新点在于：包括∞形控制环路、入射信号光源、环形器、耦合器、两个WDM波分复用器、两个IQ调制器和半导体光放大器SOA，所述耦合器设于∞形控制环路的环交接处，且与∞形控制环路连接来将入射信号光传输至∞形控制环路，所述半导体光放大器SOA设于∞形控制环路的右环上对入射信号光进行交叉相位调制及交叉增益调制，所述两个WDM波分复用器分别设于半导体光放大器SOA两端来分别引入控制光和滤除控制光，两个所述IQ调制器对称设于∞形控制环路的两个环上使入射信号光穿过时产生光频梳，所述入射信号光源和环形器的端口一连接，所述环形器的端口二和耦合器连接，环形器使得入射信号光按照特定的路径传输，可减少光传输的损耗。
进一步的，还包括两个偏振控制器，所述两个偏振控制器对称设于∞形控制环路的两个环上来控制两个环上的入射信号光的偏振方向。
进一步的，每一所述IQ调制器均对应连接一射频源，射频源给IQ调制器输入时钟信号来入射信号光进行调制，产生光频梳。
进一步的，所述耦合器为3*3耦合器，所述环形器的端口二和耦合器的端口二连接来将入射信号光从端口二传入耦合器，所述耦合器的端口四和六连通∞形控制环的右环，所述耦合器的端口一和三连通∞形控制环的左环。
进一步的，还包括频谱监测模块和迭代输出模块，所述频谱监测模块和迭代输出模块分别均连接至环形器的端口三。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案还提供一种基于双环锁定的光子双频梳产生的方法，其创新点在于：具体包括以下步骤：
(1)脉冲光源产生入射信号光，入射信号光从环形器的端口一进入环形器，根据环形器固定设置的传输来路径从端口二出来；
(2)从环形器的端口二射出的入射信号光从3×3耦合器的端口二进入耦合器，耦合器将入射信号光分成两束分别从端口四和六射出进入∞形控制环路的右环，形成顺时针CW和逆时针CCW两个方向传输的两束光；
(3)在∞形控制环路内对顺时针和逆时针两个方向的信号光进行调制产生光频梳，产生光频梳分为以下两种情况：
A、当一个WDM波分复用器没有引入控制光注入到双环中的半导体光放大器SOA时，顺时针和逆时针方向的两束信号光经过右环中的IQ调制器后调制产生光频梳，耦合器端口四和六射出的入射信号光经过IQ调制器产生的光频梳分别通过耦合器端口六和四回到耦合器，并从耦合器的端口二输出至环形器；
B、当一个WDM波分复用器引入一束控制光注入到双环中的半导体光放大器SOA时，受到半导体光放大器SOA中交叉相位调制及交叉增益调制的作用，分别从端口四和六射出的入射信号光产生非线性相移，当非线性相移达到π时，两束光经过右环的IQ调制器产生的光频梳分别从端口六和四回到耦合器，并从耦合器的端口一和三输出至∞形控制环路的左环，并在左环中经过左环内的IQ调制器调制后产生更多光频梳后再分别从端口三和一回到耦合器，再通过耦合器循环进入右环和左环产生光频梳，当光频梳数量达到所需数值后，通过WDM波分复用器再次引入另一束控制光注入到双环中的半导体光放大器SOA中，通过导体光放大器SOA的动态光开关选择控制耦合器的逆时针传输和顺时针传输的信号光产生的非线性相移达到2π，并将此时的光频梳从耦合器的端口二输出；
(4)从耦合器端口传输出来的光频梳传输至环形器，并从环形器的端口三输出至迭代传输模块进行迭代输出，同时频谱监测模块对迭代输出的输出光频梳进行监测。
进一步的，所述步骤(1)中脉冲光源产生的入射信号光的中心波长为1549nm，频率是25GHz。
进一步的，所述步骤(3)中在∞形控制环路内对顺时针和逆时针两个方向的信号光进行调制时，在∞形控制环路的右环和左环的射频源的频率分别为fm和fn，在右环中，射频源在IQ调制器的I路和Q路上分别输入Vmsin(2πfmt)和Vmcos(2πfmt)的时钟信号，信号光通过IQ调制器后，输出的光场中增加一个调制参数Cos(2πfmt)+jsin(2πfmt)＝exp(j2πfmt)的调制信号，相应的产生一个频移为f1＝f0+fm的载波，该载波通过耦合器进入左环的IQ调制器，经过频率为fn的左环射频源调制，产生第二个频率为f2＝f1+fn的载波，当信号光在∞形控制环路中停止循环时，在系统中经过多次循环将产生频率分别为f0、f1、f2…fN的多个载波，其间隔为fm和fn，当fm＝fn时，即可得到等间距的光频梳。
进一步的，所述步骤(3)产生的光频梳利用另一个WDM波分复用器进行滤波处理滤除其他频率成分及噪声，控制光频梳的数目，从而得到数目和频率锁定的光频梳。
本发明和现有技术相比，产生的有益效果为：
本发明的一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统及方法将基于SOA的双环结构与基于调制器的光频梳发生器相结合，灵活自由的调节光频梳的产生数量，能得到多组不同的光频梳，基于双环自带的放大作用，可在发射功率不变的情况下获得好的频谱平坦度，系统集成度高，弥补了使用单一调制器产生的频梳数量有限的不足，对于光频梳产生的灵活性及数量有明显的提升。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统框图。
图2为本发明的一种基于双环锁定的光子双频梳产生的方法流程图。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统，具体系统框图如图1所示，包括∞形控制环路、入射信号光源、环形器、耦合器、两个WDM波分复用器、两个IQ调制器和半导体光放大器SOA，所述耦合器设于∞形控制环路的环交接处，且与∞形控制环路连接来将入射信号光传输至∞形控制环路，半导体光放大器SOA设于∞形控制环路的右环上对入射信号光进行交叉相位调制及交叉增益调制，所述两个WDM波分复用器分别设于半导体光放大器SOA两端来分别引入控制光和滤除控制光，两个所述IQ调制器对称设于∞形控制环路的两个环上使入射信号光穿过时产生光频梳，每一IQ调制器均对应连接一射频源，射频源给IQ调制器输入时钟信号来入射信号光进行调制，产生光频梳。入射信号光源和环形器的端口一连接，所述环形器的端口二和耦合器连接，环形器使得入射信号光按照特定的路径传输，可减少光传输的损耗。
本发明的一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统还包括两个偏振控制器、频谱监测模块和迭代输出模块，两个偏振控制器对称设于∞形控制环路的两个环上来控制两个环上的入射信号光的偏振方向，频谱监测模块和迭代输出模块分别均连接至环形器的端口三。
本发明的耦合器为3*3耦合器，环形器的端口二和耦合器的端口二连接来将入射信号光从端口二传入耦合器，耦合器的端口四和六连通∞形控制环的右环，耦合器的端口一和三连通∞形控制环的左环。
本发明的技术方案还提供一种基于双环锁定的光子双频梳产生的方法，如图2所示，具体包括以下步骤：
(1)脉冲光源产生中心波长为1549nm，频率是25GHz的入射信号光，入射信号光从环形器的端口一进入环形器，根据环形器固定设置的传输来路径从端口二出来；
(2)从环形器的端口二射出的入射信号光从3×3耦合器的端口二进入耦合器，耦合器将入射信号光分成两束分别从端口四和六射出进入∞形控制环路的右环，形成顺时针CW和逆时针CCW两个方向传输的两束光；
(3)在∞形控制环路内对顺时针和逆时针两个方向的信号光进行调制产生光频梳，产生光频梳分为以下两种情况：
A、当一个WDM波分复用器没有引入控制光注入到双环中的半导体光放大器SOA时，顺时针和逆时针方向的两束信号光经过右环中的IQ调制器后调制产生光频梳，耦合器端口四和六射出的入射信号光经过IQ调制器产生的光频梳分别通过耦合器端口六和四回到耦合器，并从耦合器的端口二输出至环形器；
B、当一个WDM波分复用器引入一束控制光注入到双环中的半导体光放大器SOA时，受到半导体光放大器SOA中交叉相位调制及交叉增益调制的作用，分别从端口四和六射出的入射信号光产生非线性相移，当非线性相移达到π时，两束光经过右环的IQ调制器产生的光频梳分别从端口六和四回到耦合器，并从耦合器的端口一和三输出至∞形控制环路的左环，并在左环中经过左环内的IQ调制器调制后产生更多光频梳后再分别从端口三和一回到耦合器，再通过耦合器循环进入右环和左环产生光频梳，当光频梳数量达到所需数值后，通过WDM波分复用器再次引入另一束控制光注入到双环中的半导体光放大器SOA中，通过导体光放大器SOA的动态光开关选择控制耦合器的逆时针传输和顺时针传输的信号光产生的非线性相移达到2π，并将此时的光频梳从耦合器的端口二输出，其中，产生的光频梳利用另一个WDM波分复用器进行滤波处理滤除其他频率成分及噪声，控制光频梳的数目，从而得到数目和频率锁定的光频梳。
(4)从耦合器端口传输出来的光频梳传输至环形器，并从环形器的端口三输出至迭代传输模块进行迭代输出，同时频谱监测模块对迭代输出的输出光频梳进行监测。
本发明的一种基于双环锁定的光子双频梳产生的方法在∞形控制环路内对顺时针和逆时针两个方向的信号光进行调制时，在∞形控制环路的右环和左环的射频源的频率分别为fm和fn，在右环中，射频源在IQ调制器的I路和Q路上分别输入Vm sin(2πfmt)和Vm cos(2πfmt)的时钟信号，信号光通过IQ调制器后，输出的光场中增加一个调制参数Cos(2πfmt)+jsin(2πfmt)＝exp(j2πfmt)的调制信号，相应的产生一个频移为f1＝f0+fm的载波，该载波通过耦合器进入左环的IQ调制器，经过频率为fn的左环射频源调制，产生第二个频率为f2＝f1+fn的载波，当信号光在∞形控制环路中停止循环时，在系统中经过多次循环将产生频率分别为f0、f1、f2…fN的多个载波，其间隔为fm和fn，当fm＝fn时，即可得到等间距的光频梳。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (9)

1.一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统，其特征在于，包括∞形控制环路、入射信号光源、环形器、耦合器、两个WDM波分复用器、两个IQ调制器和半导体光放大器SOA，所述耦合器设于∞形控制环路的环交接处，且与∞形控制环路连接来将入射信号光传输至∞形控制环路，所述半导体光放大器SOA设于∞形控制环路的右环上对入射信号光进行交叉相位调制及交叉增益调制，所述两个WDM波分复用器分别设于半导体光放大器SOA两端来分别引入控制光和滤除控制光，两个所述IQ调制器对称设于∞形控制环路的两个环上使入射信号光穿过时产生光频梳，所述入射信号光源和环形器的端口一连接，所述环形器的端口二和耦合器连接，环形器使得入射信号光按照特定的路径传输，减少光传输的损耗。
2.根据权利要求1所述的一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统，其特征在于：还包括两个偏振控制器，所述两个偏振控制器对称设于∞形控制环路的两个环上来控制两个环上的入射信号光的偏振方向。
3.根据权利要求1所述的一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统，其特征在于：每一所述IQ调制器均对应连接一射频源，射频源给IQ调制器输入时钟信号来将入射信号光进行调制，产生光频梳。
4.根据权利要求1所述的一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统，其特征在于：所述耦合器为3*3耦合器，所述环形器的端口二和耦合器的端口二连接来将入射信号光从端口二传入耦合器，所述耦合器的端口四和六连通∞形控制环的右环，所述耦合器的端口一和三连通∞形控制环的左环。
5.根据权利要求1所述的一种基于双环锁定的光子双频梳产生的系统，其特征在于：还包括频谱监测模块和迭代输出模块，所述频谱监测模块和迭代输出模块均连接至环形器的端口三来分别对光频梳进行监测和迭代输出。
6.一种基于双环锁定的光子双频梳产生的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)脉冲光源产生入射信号光，入射信号光从环形器的端口一进入环形器，根据环形器固定设置的传输来路径从端口二出来；
(2)从环形器的端口二射出的入射信号光从3×3耦合器的端口二进入耦合器，耦合器将入射信号光分成两束分别从端口四和六射出进入∞形控制环路的右环，形成顺时针CW和逆时针CCW两个方向传输的两束光；
(3)在∞形控制环路内对顺时针和逆时针两个方向的信号光进行调制产生光频梳，产生光频梳分为以下两种情况：
A、当一个WDM波分复用器没有引入控制光注入到双环中的半导体光放大器SOA时，顺时针和逆时针方向的两束信号光经过右环中的IQ调制器后调制产生光频梳，耦合器端口四和六射出的入射信号光经过IQ调制器产生的光频梳分别通过耦合器端口六和四回到耦合器，并从耦合器的端口二输出至环形器；
B、当一个WDM波分复用器引入一束控制光注入到双环中的半导体光放大器SOA时，受到半导体光放大器SOA中交叉相位调制及交叉增益调制的作用，分别从端口四和六射出的入射信号光产生非线性相移，当非线性相移达到π时，两束光经过右环的IQ调制器产生的光频梳分别从端口六和四回到耦合器，并从耦合器的端口一和三输出至∞形控制环路的左环，并在左环中经过左环内的IQ调制器调制后产生更多光频梳后再分别从端口三和一回到耦合器，再通过耦合器循环进入右环和左环产生光频梳，当光频梳数量达到所需数值后，通过WDM波分复用器再次引入另一束控制光注入到双环中的半导体光放大器SOA中，通过导体光放大器SOA的动态光开关选择控制耦合器的逆时针传输和顺时针传输的信号光产生的非线性相移达到2π，并将此时的光频梳从耦合器的端口二输出；
(4)从耦合器端口传输出来的光频梳传输至环形器，并从环形器的端口三输出至迭代传输模块进行迭代输出，同时频谱监测模块对迭代输出的输出光频梳进行监测。
7.根据权利要求6所述的一种基于双环锁定的光子双频梳产生的方法，其特征在于：所述步骤(1)中脉冲光源产生的入射信号光的中心波长为1549nm，频率是25GHz。
8.根据权利要求6所述的一种基于双环锁定的光子双频梳产生的方法，其特征在于：所述步骤(3)中在∞形控制环路内对顺时针和逆时针两个方向的信号光进行调制时，在∞形控制环路的右环和左环的射频源的频率分别为fm和fn，在右环中，射频源在IQ调制器的I路和Q路上分别输入Vmsin(2πfmt)和Vmcos(2πfmt)的时钟信号，信号光通过IQ调制器后，输出的光场中增加一个调制参数Cos(2πfmt)+jsin(2πfmt)＝exp(j2πfmt)的调制信号，相应的产生一个频移为f1＝f0+fm的载波，该载波通过耦合器进入左环的IQ调制器，经过频率为fn的左环射频源调制，产生第二个频率为f2＝f1+fn的载波，当信号光在∞形控制环路中停止循环时，在系统中经过多次循环将产生频率分别为f0、f1、f2…fN的多个载波，其间隔为fm和fn，当fm＝fn时，即可得到等间距的光频梳。
9.根据权利要求6所述的一种基于双环锁定的光子双频梳产生的方法，其特征在于：所述步骤(3)产生的光频梳利用另一个WDM波分复用器进行滤波处理滤除其他频率成分及噪声，控制光频梳的数目，从而得到数目和频率锁定的光频梳。
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