CN111092660B - 基于射频耦合信号和mzm的光学频率梳产生装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生装置及方法，包括连续光源、马赫‑曾德尔调制器、射频信号源、电功分器、耦合运算电路；射频信号源输出射频信号，射频信号经电功分器分为n个相同的射频支路信号，n个相同的射频支路信号经耦合运算电路耦合产生射频耦合信号驱动马赫‑曾德尔调制器，马赫‑曾德尔调制器对连续光源输出的连续光进行调制。本发明解决了目前利用电光调制器产生光学频率梳的方案中，装置结构复杂，光学频率梳频谱不平坦，所需驱动信号频率较高，频率分量不可调谐的问题。

Description

基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生装置及方法，属于光子学技术领域。
背景技术
近年来，光学频率梳的产生在光子学技术的诸多领域引起了人们的极大兴趣。光学频率梳在包括光通信、微波光子学、光谱学和计量学等领域起着广泛而重要的作用。
传统的光学频率梳生成方法，分为利用锁模激光器和非线性光纤两种。然而，锁模激光器法在启动和维持锁模方面存在困难，非线性光纤法需要复杂的设计和调整。并且这些方法产生的光学频率梳在平坦度、频率间隔和频率分量可调谐性等方面都不理想。近年来，随着电光调制器(EOM)的发展，利用电光调制器产生光学频率梳的研究逐渐引起了人们的广泛关注。
在采用电光调制器生成光学频率梳的研究中，主要的方法有：利用相位调制器(PM)和强度调制器(IM)协同作用，对激光进行调制，先利用相位调制将单频光变为多频光，再利用强度调制器的非线性效应提升光谱平坦度，获得光学频率梳；利用马赫-曾德尔调制器(MZM)在单个正弦射频信号(RF)驱动下，对激光进行调制，通过调节射频信号的相位和直流偏压提升光谱平坦度，获得光学频率梳；利用偏振控制器(PolM)对激光进行调制，通过调节光信号与主轴之间的夹角，使PolM等效于强度调制器且避免了直流漂移，获得光学频率梳等。
目前已有的基于电光调制器产生光学频率梳的方案中，往往装置结构复杂，所产生的光学频率梳频率分量数目较少且功率平坦度较差。因此，如何简化光学频率梳发生装置，产生频谱平坦度高，且频率间隔可调谐的光学频率梳变得尤为重要。
发明内容
目的：为了解决如何简化光学频率梳发生装置和产生频谱平坦度高，且频率间隔可调谐的光学频率梳的问题，本发明提供一种基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生装置及方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生装置，包括连续光源、马赫-曾德尔调制器、射频信号源、电功分器、耦合运算电路；射频信号源输出射频信号，射频信号经电功分器分为n个相同的射频支路信号，n个相同的射频支路信号经耦合运算电路耦合产生射频耦合信号驱动马赫-曾德尔调制器，马赫-曾德尔调制器对连续光源输出的连续光进行调制。
一种基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生方法，包括如下步骤：
根据所需光学频率梳的频率分量数目和频率间隔，得出所需光学频率梳的频谱函数；
由所需光学频率梳的频谱分布得出所需射频耦合信号；
由所需射频耦合信号得出所需射频信号源输出的信号频率、振幅和耦合方式；
根据所需射频信号源输出的信号频率、振幅设置射频信号源输出所需射频信号，经电功分器、耦合运算电路，按照设定的耦合方式耦合产生所需的射频耦合信号驱动马赫-曾德尔调制器；
连续光源输出单波长连续光至马赫-曾德尔调制器中，发生强度和相位调制。
作为优选方式，所述耦合运算电路由乘法器、除法器、加法器和减法器按照设定耦合方式组成。
作为优选方式，所述连续光源为连续激光器。
作为优选方式，所述马赫-曾德尔调制器为单驱动马赫-曾德尔调制器或双驱动马赫-曾德尔调制器。
作为优选方式，所述射频信号源为连续射频信号发生器。
作为优选方式，所述射频耦合信号由n个射频支路信号，根据四则运算法则，按照所需耦合方式进行电运算实现。
有益效果：本发明提供的基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生装置及方法，利用射频信号进行混频产生射频耦合信号，马赫-曾德尔调制器在该射频耦合信号驱动下，对输入的连续光进行调制产生平坦的光学频率梳，以简单的射频信号经过耦合替代复杂的所需驱动信号，相对于射频信号直接驱动实现了频率间隔的倍增，具有装置结构简单、易于实现、光梳频谱平坦度高、频率间隔可调谐等优点。
本发明对所需射频信号的频率要求较低，通过改变射频信号的频率，便可对输出的光学频率梳频率间隔进行调谐，产生的光学频率梳具有良好的频谱特性，并在微波光子学和光通信等领域中得到重要的应用。
解决了目前利用电光调制器产生光学频率梳的方案中，装置结构复杂，光学频率梳频谱不平坦，所需驱动信号频率较高，频率分量不可调谐的问题。
附图说明
图1本发明光学频率梳产生装置的结构示意图；
图2本发明实施例中耦合方式1的示意图；
图3本发明实施例中耦合方式2的示意图；
图4本发明实施例中射频耦合信号时域图和频谱图；
图5是本发明实施例得到的平坦光学频率梳频谱图；
附图中标记的含义：CW Laser-连续光源、MZM-马赫-曾德尔调制器、RF SignalSource-射频信号源、Splitter 1xN-电功分器、Coupling Circuit-耦合运算电路、OSA-光学频谱分析仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生装置，包括连续光源(CW)、马赫-曾德尔调制器(MZM)、射频信号发生器(RF)、电功分器和耦合运算电路。
射频信号源输出射频信号，射频信号经电功分器分为n个相同的射频支路信号，再经耦合运算电路，按照耦合方式进行混频，产生射频耦合信号驱动马赫-曾德尔调制器，马赫-曾德尔调制器对连续光源输出的连续光进行调制，得到频率分量数目多、功率平坦度高且频率间隔可调的光学频率梳。
马赫-曾德尔调制器可为单驱动马赫-曾德尔调制器或双驱动马赫-曾德尔调制器。
一种基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生方法，包括步骤如下所示：
一、根据所需OFC的频率分量数目和频率间隔，得出所需OFC的频谱函数；
二、根据MZM的原理，由所需OFC的频谱分布得出所需射频耦合信号；
三、根据所需射频耦合信号的函数，由所需射频耦合信号的函数得出所需射频信号源输出的信号频率、振幅和耦合方式；
四、设置射频信号源输出所需射频信号，经射频信号经电功分器分为n个相同的射频支路信号，再由耦合运算电路，按照耦合方式混频产生所需的射频耦合信号驱动MZM；
五、CW输出单波长连续光至MZM中，同时发生强度和相位调制，产生平坦OFC；
通过射频信号耦合，实现OFC频率间隔的倍增；通过改变射频信号源输出信号的频率，实现OFC的频率间隔可调谐；通过改变MZM两个光支路的偏置电压和调制电压对OFC的各光边带进行优化，使OFC的频谱平坦度发生改变；通过设计不同耦合方式，实现OFC的频率分量数目和频率间隔可设计。
实施例一：根据MZM的原理，由目标OFC的频谱函数，得出驱动MZM产生7梳线平坦OFC所需的驱动信号为单个周期波形类高斯脉冲的射频信号；根据傅里叶级数关系，该射频耦合信号可等效表示为2个功率比值为4:1、频率分别为2fc和4fc的正弦射频信号的叠加，如图2所示，亦等同于4个频率为的fc正弦射频信号的乘法耦合，如图3所示。MZM产生的OFC等效于2套频率间隔为2fc和4fc的OFC谱系叠加，使得梳状光谱具有较高的功率平坦度。
射频信号发生器输出频率为fc、振幅为V0的射频信号，耦合运算电路将输入的射频信号进行混频产生射频耦合信号，耦合运算电路输出的射频耦合信号驱动MZM，耦合方式决定了耦合运算电路输出的射频耦合信号的时域波形和频谱特性，同时决定了对应光学频率梳的频率间隔和频率分量数目；MZM的调制深度与两光支路的偏置电压Vbias1、Vbias2以及驱动电压Vd有关，通过改变偏置电压和调制电压可调整光学频率梳中各阶光边带的功率大小，进而提高OFC的功率平坦度。
初步设置CW Laser的中心频率为193.1THz，光功率为15dBm，初始相位为0，线宽为10MHz；射频信号发生器输出为频率10GHz的正弦型射频信号；MZM的偏置电压Vbias1、Vbias2分别为-2.755V和-2.3V。光源输出的光注入到MZM中；在耦合运算电路中，电功分器将输入的正弦射频信号分为相同的四路输出信号，混频电路将输入的四路正弦射频信号进行相乘混频，耦合方式如图3所示，产生的射频耦合信号如图4所示；MZM在输入的耦合正弦射频信号驱动下，调制连续光，得到频率分量数为7、频率间距为20GHz、平坦度为2dB的光学频率梳，如图5所示。
综上所述，本发明利用耦合运算电路对射频信号耦合混频产生耦合信号，驱动MZM对输入光进行调制产生平坦的光学频率梳，结构简单，易于操作，光学频率梳的频谱平坦度高，频率间隔可调谐，产生的光学频率梳具有良好的平坦度，且所需射频信号频率较低，并在光通信等领域中得到重要的应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生装置，其特征在于：包括连续光源、马赫-曾德尔调制器、射频信号源、电功分器、耦合运算电路；射频信号源输出射频信号，射频信号经电功分器分为n个相同的射频支路信号，n个相同的射频支路信号经耦合运算电路耦合产生射频耦合信号驱动马赫-曾德尔调制器，马赫-曾德尔调制器对连续光源输出的连续光进行调制。
2.根据权利要求1所述的基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生装置，其特征在于：所述耦合运算电路由乘法器、除法器、加法器和减法器按照设定耦合方式组成。
3.根据权利要求1所述的基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生装置，其特征在于：所述连续光源为连续激光器。
4.根据权利要求1所述的基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生装置，其特征在于：所述马赫-曾德尔调制器为单驱动马赫-曾德尔调制器或双驱动马赫-曾德尔调制器。
5.根据权利要求1所述的基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生装置，其特征在于：所述射频信号源为连续射频信号发生器。
6.一种基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生方法，其特征在于：包括如下步骤：
根据所需光学频率梳的频率分量数目和频率间隔，得出所需光学频率梳的频谱函数；
由所需光学频率梳的频谱分布得出所需射频耦合信号；
由所需射频耦合信号得出所需射频信号源输出的信号频率、振幅和耦合方式；
根据所需射频信号源输出的信号频率、振幅设置射频信号源输出所需射频信号，经电功分器、耦合运算电路，按照设定的耦合方式耦合产生所需的射频耦合信号驱动马赫-曾德尔调制器；
连续光源输出单波长连续光至马赫-曾德尔调制器中，发生强度和相位调制；
所述电功分器将射频信号分为n个相同的射频支路信号；
所述射频耦合信号由n个射频支路信号，根据四则运算法则，按照所需耦合方式进行电运算实现。
7.根据权利要求6所述的基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生方法，其特征在于：所述连续光源为连续激光器，射频信号源为连续射频信号发生器。
8.根据权利要求6所述的基于射频耦合信号和MZM的光学频率梳产生方法，其特征在于：所述马赫-曾德尔调制器为单驱动马赫-曾德尔调制器或双驱动马赫-曾德尔调制器。
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