CN110518982A - 级联强度调制器产生平坦光频梳及奈奎斯特脉冲的方法 - Google Patents
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Abstract
一种级联强度调制器产生超平坦光频梳及奈奎斯特脉冲的方法，本发明通过把基频射频信号、两倍频射频信号和五倍频射频信号的频率组合通过级联强度调制器并精确调节它们的功率、相对相位和强度调制器的偏置电压，可以较低的射频功耗产生15根平坦的光频梳。本发明突破单个调制器只能产生3根锁相光频梳的限制，产生了数量多、平坦度优良的光频梳和时域为奈奎斯特脉冲，扩大了频谱带宽，获得了更窄的脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及产生平坦光频梳及奈奎斯特脉冲的方法，具体是一种级联强度调制器产生平坦光频梳及奈奎斯特脉冲的方法。
背景技术
传统的级联强度调制器与相位调制器的方法能产生数量多且平坦度良好的光频梳，但由于相位调制器无法产生锁相的光梳，因而在时域也无法形成奈奎斯特脉冲。奈奎斯特脉冲具有矩形频谱，使数据能够以最小光谱带宽进行编码，并且本质上满足零符号间干扰(ISI)的奈奎斯特准则，该特性使它们对通信系统非常有吸引力，而且在微波光子学技术中也有广泛的应用。
一种典型的奈奎斯特脉冲产生方案是使用两个调制器对连续光进行调制，利用铌酸锂调制器的非线性效应产生光频梳，通过相位控制使产生的光频梳是线性相位，从而得到时域对应的窄脉冲。该方案利用了铌酸锂调制器的电光效应，具有中心波长可调，脉冲频率和脉冲宽度可调的优点。然而要实现更高的重复频率和脉冲宽度，该方案对微波源的要求也相应提高，但是由于电器件的限制，微波源的频率不能一直提高。所以如何利用较低的微波频率来产生较高的脉冲重复频率有待进一步研究。
已报道的奈奎斯特脉冲产生的方法主要有以下4种：
方法1：基于任意波形发生器(简称为AWG)的脉冲调制方案。利用在AWG上产生sinc形状的微波信号，通过调制器调制到光脉冲上。该方案提供相当好的滚降系数，但是受限于数模转换器的分辨率，采样速率和处理器容量都有限。
方法2：基于光纤参量放大的方案。通过利用抛物线脉冲泵浦和相位调制器来补偿泵浦引起的啁啾以产生奈奎斯特脉冲。该方案实验方案复杂，且成本较高。
方法3：基于时间透镜的脉冲整形方案。利用基于色散的啁啾线性化来改善相位特性。此方案相位控制方法复杂，不易实现。
方法4：基于级联强度调制器的方案。利用调制器的电光效应产生平坦和相位锁定的矩形光频梳。此方案要求微波源同步，且不易实现高重复频率和窄脉冲宽度。
总之，以上的几种方法或者相位控制复杂或者受限于电器件速率的约束，产生的奈奎斯特脉冲的性能都欠佳。因此，需要一种高性能的脉冲光源方案，能够兼顾重复频率区间、多波长运行和微波频率利用率。
发明内容
本发明的目的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平坦光频梳及奈奎斯特脉冲的方法，该方法突破单个调制器只能产生3根锁相光频梳的限制，产生了数量多、平坦度优良的光频梳和时域为奈奎斯特脉冲，扩大了频谱带宽，获得了更窄的脉冲。
为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：
一种级联强度调制器产生超平坦光频梳及奈奎斯特脉冲的方法，特点在于该方法采用的平坦光频梳生成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第一强度调制器、第二强度调制器和光谱仪或采样示波器，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第一强度调制器的调制端口，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、所述的第二强度调制器的调制端口，该方法包括以下步骤：
1)若所述的连续光光源输出的连续光不是线偏振的，则将所述的偏振控制器置于光路中，若所述的连续光光源输出的连续光是线偏振的，则应将所述的偏振控制器移出光路，所述的连续光光源输出的线偏振连续光经第一强度调制器输入第二强度调制器的输入端，经第二强度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，若所述的单频射频信号源输出基频射频信号不是线偏振的，则需要在光路中加入偏振控制器调节光信号的偏振态；所述的单频射频信号源输出线偏振的基频射频信号，经二倍频器输出线偏振的两倍频射频信号，经五倍频器输出线偏振的五倍频射频信号，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第一强度调制器的调制端口，通过调节这两个射频信号的功率、相对相位和第一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第二强度调制器的调制端口，调节该五倍频射频信号的功率和相位，获得15根平坦的光频梳，经第二强度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经所述的第二强度调制器在所述的光谱仪(5)上的输出，进一步优化三个射频信号的功率和相位，获得平坦度最佳的光频梳输出；
5)然后将所述的平坦度最佳的光频梳输出光经探测器输出到采样示波器上，获得时域上的奈奎斯特脉冲。
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。
所述的第一强度调制器和第二强度调制器是铌酸锂强度调制器，输入、输出光纤是单模保偏光纤。
所述的第一强度调制器和第二强度调制器采用保偏光纤作为输入输出，以确保偏振态的稳定。
所述的强度调制器是铌酸锂强度调制器，以保证较好的调制线性度。
所述的二倍频器和五倍频器均具有优良的谐波抑制度，保证对高阶谐波的抑制。
优选的，所述的微波放大器具有良好的低噪声放大性能，确保微波功率达到要求。
本发明原理是通过利用基频和两倍频信号，使第一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。每个调制频率只使第一强度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第二强度调制器，产生间隔为五倍基频的三条光频梳。这样当第一强度调制器的输出接入第二强度调制器后，两者输出光信号的频谱发生卷积，获得平坦的15根光频梳，调节三个射频信号之间的相对相位，使时域上对应为奈奎斯特脉冲。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明通过把基频射频信号、两倍频射频信号和五倍频射频信号的频率组合通入级联的强度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根平坦的光频梳。相比于背景技术中的方法1(基于AWG的脉冲调制的方案)，本发明可以突破电器件的带宽限制，对微波信号要求较低，且实验方案简单。相比与背景技术中的方法2(基于光纤参量放大的方案)，本发明产生的脉冲序列时间抖动更低，且重复频率可调。相比于背景技术中的方法3(基于时间透镜的脉冲整形方案)，本发明相位控制更为简单，且重复频率可调范围更大。相比于背景技术中的方法4(基于级联强度调制器的方案)，本发明突破了单个调制器只能产生三根锁相光梳的限制，扩大了频谱带宽，因此获得更窄的脉冲。
附图说明
图1是本发明平坦光频梳生成装置实施例的结构图
图2是平坦光频梳的频谱图。
图3是频谱对应的时域脉冲图。
1-连续光光源、2-偏振控制器、3-第一强度调制器、4-第二强度调制器、5-光谱分析仪/采样示波器、6-单频射频信号源、7-第一射频放大器、8-合频器、9-二倍频器、10-第二射频放大器、11-第一射频移相器、12-五倍频器、13-第三射频放大器、14-第二射频移相器
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实施例的结构图，本实施例的连续光光源1输出的是非线偏振光，单频射频信号源6输出的线偏振的。由图可见，本发明产生超平坦光频梳及奈奎斯特脉冲的方法，采用级联光调制器，平坦光频梳生成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、第一强度调制器3、第二强度调制器4和光谱仪(采样示波器)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7、合频器8的第一输入端，进入第一强度调制器3，
沿第二束单频射频信号方向依次是二倍频器9、第二射频放大器10、第一射频移相器11后输入所述的合频器8的第二输入端，该合频器8的输出端接所述的第一强度调制器3的调制端口，
沿第三束单频射频信号方向依次是五倍频器12、第三射频放大器13、第二射频移相器14、所述的第二强度调制器4的调制端口，该方法包括以下步骤：
1)将连续光光源1输出的连续光经所述的偏振控制器2、第一强度调制器3输入第二强度调制器4的输入端，经第二强度调制器4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9输出两倍频射频信号，经五倍频器12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8合成一路输入所述的第一强度调制器3的调制端口，通过调节这两个射频信号功率、相对相位和第一强度调制器3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第二强度调制器4的调制端口，调节该五倍频射频信号的功率和相位，获得15根平坦的光频梳，经第二强度调制器4输出并显示在所述的光谱仪5上；
4)通过所述的光谱仪5观察并调节经所述的第二强度调制器4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；
5)然后将第二强度调制器4输出的平坦度最佳的光频梳经探测器探测后输出到采样示波器上，获得时域上的奈奎斯特脉冲。
下面是实施例参数的说明：
步骤1，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。
所述的第一强度调制器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，第一强度调制器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。
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7通入合频器8的一个输入端，将信号源6的另一路输出通过二倍频器9、第二射频放大器10和第一射频移相器11通入合频器8的另一个输入端，将合频器8的输出端通入第一强度调制器3的射频输入端口。通过调节第一射频放大器7、第二射频放大器10的增益和第一射频移相器11的移相，来调节两路信号的功率和相对相位，并结合调节第一强度调制器3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。
所述的单频射频信号源6需要有3端口以上的输出，若无则需要加一个功分器。
所述的单频射频信号源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2GHz。
其中，最终输入第一强度调制器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。
步骤3：将单频射频信号源6的第三路输出通过五倍频器12、第三射频放大器13和第二射频移相器14通入第二强度调制器4的调制端口，调节该五倍频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；
最终输入第二强度调制器4的射频功率的优选范围是10-15dBm。在本发明的优选实施例中，射频功率是12dBm。
步骤4：通过所述的光谱仪5观察并调节经所述的第二强度调制器4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，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；
步骤5：然后将信号经探测器探测之后输出到采样示波器上，调节移相器使得脉冲形状接近奈奎斯特脉冲。
图2给出了平坦光频梳的频谱图，第一强度调制器3产生的5根平坦光频梳和第二强度调制器4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根平坦光频梳，频率间隔为2GHz,光梳之间平坦度小于1dB。图3给出了15根光梳对应的时域脉冲图，周期为500ps,脉冲宽度约为33ps。
实验表明，本发明通过把基频射频信号、两倍频射频信号和五倍频射频信号的频率组合通过级联的强度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，可以较低的射频功耗产生15根平坦的光频梳。本发明突破单个调制器只能产生3根锁相光频梳的限制，产生了数量多、平坦度优良的光频梳和时域为奈奎斯特脉冲，扩大了频谱带宽，获得了更窄的脉冲。
Claims (6)
1.一种级联强度调制器产生超平坦光频梳及奈奎斯特脉冲的方法，特征在于该方法采用的平坦光频梳生成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第一强度调制器(3)、第二强度调制器(4)和光谱仪或采样示波器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(7)、合频器(8)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(9)、第二射频放大器(10)、第一射频移相器(11)后输入所述的合频器(8)的第二输入端，该合频器(8)的输出端接所述的第一强度调制器(3)的调制端口，沿第三束单频射频信号方向依次是五倍频器(12)、第三射频放大器(13)、第二射频移相器(14)、所述的第二强度调制器(4)的调制端口，该方法包括以下步骤：
1)若所述的连续光光源(1)输出的连续光不是线偏振的，则将所述的偏振控制器(2)置于光路中，若所述的连续光光源(1)输出的连续光是线偏振的，则应将所述的偏振控制器(2)移出光路，所述的连续光光源(1)输出的线偏振连续光经第一强度调制器(3)输入第二强度调制器(4)的输入端，经第二强度调制器(4)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，若所述的单频射频信号源(6)输出基频射频信号不是线偏振的，则需要在光路中加入偏振控制器调节光信号的偏振态；所述的单频射频信号源(6)输出线偏振的基频射频信号，经二倍频器(9)输出线偏振的两倍频射频信号，经五倍频器(12)输出线偏振的五倍频射频信号，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(8)合成一路输入所述的第一强度调制器(3)的调制端口，通过调节这两个射频信号的功率、相对相位和第一强度调制器(3)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第二强度调制器(4)的调制端口，调节该五倍频射频信号的功率和相位，获得15根平坦的光频梳，经第二强度调制器(4)输出并显示在所述的光谱仪(5)上；
4)通过所述的光谱仪(5)观察经所述的第二强度调制器(4)在所述的光谱仪(5)上的输出，进一步优化三个射频信号的功率和相位，获得平坦度最佳的光频梳输出；
5)然后将所述的平坦度最佳的光频梳输出光经探测器输出到采样示波器上，获得时域上的奈奎斯特脉冲。
2.根据权利要求1所述的产生超平坦光频梳及奈奎斯特脉冲的方法，特征在于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。
3.根据权利要求1所述的产生超平坦光频梳及奈奎斯特脉冲的方法，特征在于所述的第一强度调制器和第二强度调制器是铌酸锂强度调制器，输入、输出光纤是单模保偏光纤。
4.根据权利要求1所述的产生超平坦光频梳及奈奎斯特脉冲的方法，特征在于所述的第一强度调制器和第二强度调制器采用保偏光纤作为输入输出，以确保偏振态的稳定。
5.根据权利要求1所述的产生超平坦光频梳及奈奎斯特脉冲的方法，特征在于所述的强度调制器是铌酸锂强度调制器，以保证较好的调制线性度。
6.根据权利要求1至5任一项所述的产生超平坦光频梳及奈奎斯特脉冲的方法，特征在于所述的二倍频器和五倍频器均具有优良的谐波抑制度，保证对高阶谐波的抑制。
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- 2019-07-15 CN CN201910636128.XA patent/CN110518982A/zh active Pending
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