CN111106872B - 基于级联双平行马赫曾德尔调制器产生光频梳的装置和方法 - Google Patents

基于级联双平行马赫曾德尔调制器产生光频梳的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种基于级联双平行马赫曾德尔调制器产生光频梳的装置和方法，装置包括：可调连续激光器和控制模块,沿所述的可调连续激光器的激光输出方向依次是第一连接光纤、第一光纤环形偏振控制器、第二连接光纤、第一调制器、第三连接光纤、第二光纤环形偏振控制器、第四连接光纤、第二调制器、输出光纤，所述的控制模块分别通过可调激光器电学端口、第一调制器电学端口、第二调制器电学端口与所述的可调激光器、第一调制器、第二调制器的控制端相连。本发明具有结构简单易实现的特点，获得的光频梳既具备波长、带宽及间隔可调，又能减小对射频信号频率的要求，即以低频调制信号产生大带宽光频梳，同时减少了对调制器带宽的依赖。

Description

基于级联双平行马赫曾德尔调制器产生光频梳的装置和方法
技术领域
本发明涉及光频梳技术领域，特别是一种基于级联双平行马赫曾德尔调制器产生光频梳的装置和方法。
背景技术
光频梳不仅在光学频率测量、超快激光技术及精密测量方面应用广泛，而且在基于光频梳的光脉冲及光任意波形产生中也扮演者重要角色。
目前最理想的产生光频梳的方法是使用铌酸锂调制器利用微波信号对连续光源进行调制。该方法利用铌酸锂调制器的电光效应，具有中心波长可调，光频梳间隔可调，光频梳的梳线数可调且系统结构简单等优点。但是，由于调制器带宽的限制，微波源的频率并不是无限可调的，所以，在已有的调制带宽固定的调制器基础上获得大间隔光频梳成为了一个非常有意义的研究课题。
目前已经报道的产生光学频率梳的方案主要有以下几种：
方法1：锁模激光器。锁模激光器在时域上输出为周期性脉冲序列，针对周期性脉冲做傅里叶变换得到在频域上的间隔相等的光学频率梳。但是激光器内部存在的色散会使包络的相位积累和载波相位积累存在固定的差值，因此，需要进行校准。该方案的优点是结构简单，产生的载波数目较多，但是存在光频梳间隔调节困难、系统复杂、成本高等缺点。
方法2：循环频移器RFS结构。基于循环频移器的产生方案包括单边带循环频移器(SSB-RFS)、相位调制器结合循环移频器(PM-RFS)、多路循环频移器(MC-RFS)等方案，其基本原理是利用循环频移来增大产生的载波数目。这种方式的优点是产生的光频梳数目较多、平坦度较好，但是存在载波相位关系不明显、载波噪声较大等缺点。
方法3：非线性光纤。此方案利用高非线性光纤中非线性效应如自相位调制，级联四波混频来得到大带宽的光频梳。这种方式产生的光频梳数目较多，但是存在载波平坦度不好、载波数目不可控等缺点。
方法4：电光调制器无反馈级联。利用电光调制器级联产生光学频率梳是相对较容易实现、应用也较为广泛的方案。常用的调制器包括：相位调制器(PM)、马赫曾德尔调制器(MZM)、双驱动马赫曾德尔调制器(DD-MZM)、双平行马赫曾德尔调制器(DP-MZM)等等。主要思想是通过控制射频信号的幅度、频率及偏置电压等参数来改变输出光频梳的性能，该方案产生的光频梳具有：间隔稳定、平坦度高的优点，且该系统具有结构简单易实现的优点，但是对于光频梳的间隔及带宽受射频信号的频率影响，大带宽和宽间隔光频梳的产生需要高频率的射频信号和大带宽调制器。
总之，以上的方案中，或者结构复杂难实现，或者光频梳的质量差，或者波长间隔不可调、或者对于电信号要求过高、或者调制器带宽要求过高等缺点。所以，需要一种简单易实现的方案既能够实现光频梳的波长、带宽及间隔可调，又能减少对于射频信号频率的要求及对调制器带宽的依赖。
发明内容
本发明所要解决的问题就是克服上述现有方案中的不足之处，提供一种基于级联双平行马赫曾德尔调制器产生光频梳的装置和方法，该装置具有结构简单易实现的特点，获得的光频梳既具备波长、带宽及间隔可调，又能减小对射频信号频率的要求，即以低频调制信号产生大带宽光频梳，同时减少了对调制器带宽的依赖。
为了实现上述目标，本发明的技术设计方案如下：
一种基于调制器产生光频梳的装置,其特点在于包括：可调连续激光器和控制模块,沿所述的可调连续激光器的激光输出方向依次是第一连接光纤、第一光纤环形偏振控制器、第二连接光纤、第一调制器、第三连接光纤、第二光纤环形偏振控制器、第四连接光纤、第二调制器、输出光纤，所述的控制模块分别通过可调激光器电学端口、第一调制器电学端口、第二调制器电学端口与所述的可调激光器、第一调制器、第二调制器的控制端相连,所述的控制模块分别通过所述的第一调制器电学端口、第二调制器电学端口为所述的第一调制器、第二调制器提供微波信号及直流偏置。
所述的可调连续激光器的输出波长和输出功率可调节。
所述的可调激光器、第一连接光纤、第二连接光纤、第一调制器、第三连接光纤、第四连接光纤、第二调制器、输出光纤均工作在单模横电(TE)模式或单模横磁(TM)模式。
所述的可调激光器、第一连接光纤、第二连接光纤、第一调制器、第三连接光纤、第四连接光纤、第二调制器都工作在单模横电模式。
所述的第一调制器和第二调制器为铌酸锂晶体的双平行马赫曾德尔调制器，其半波电压为3.5V。
利用上述基于调制器产生光频梳的装置产生光频梳的方法，该方法包括如下步骤：
1)根据应用所需的光频梳的中心波长，通过所述的可调连续激光器的调节，输出想要的输出功率和中心波长的种子光源；
2)所述的控制模块根据所需的光频梳的间隔，通过第一调制器和第二调制器的电学接口，分别输入微波信号和直流偏置电压，并确保输入到第一调制器和第二调制器的微波信号频率不超过调制器的最大调制频率，且第一路微波信号频率是第二路微波信号频率的1.25倍，以保证最终获得的光频梳为等间隔，且间隔均对应于输入到第二路微波信号的频率；
3)调整所述的第一光纤环形偏振控制器和第二光纤环形偏振控制器，使得输入两个调制器的光信号偏振态与调制器要求的输入偏振态相符；
4)通过改变控制第一调制器和第二调制器的电学接口的输入，即调节输入到第一调制器的微波信号的幅度和直流偏置，使得输出光信号在中心波长位于激光器的输入波长，并且一阶边带处的光学频率分量被抑制，获得在二阶边带位置处的两个功率相等的光学频率分量；调节所述的第二调制器的微波信号幅度和直流偏置，使得第二调制器输出10根具有较高平坦度梳齿的光频梳，每个梳齿的频率间隔等于施加在第二调制器上的微波信号的频率；
5)在保证输入到第一调制器的微波信号频率是输入到第二调制器的微波信号频率的1.25倍的条件下，改变控制模块输入到第一调制器和第二调制器的微波信号频率，以改变光学频率梳的间隔。
所述的可调连续激光器(1)的输出波长为1550.0nm，所述的第一调制器和第二调制器的半波电压均为3.5V，加在第一调制器的微波频率为10GHz，功率约为20dBm，直流偏置分别为：Vbias1＝0V，Vbias2＝2.4V，Vbias3＝3.5V；第二调制器的微波频率为8GHz，功率约为20.5dBm，直流偏置分别为：Vbias4＝1V，Vbias5＝3V，Vbias6＝3V。
本发明基于调制器以低频调制信号产生大带宽光频梳原理是通过两个双平行马赫曾德尔调制器产生光频梳，通过控制微波信号幅度和直流偏置，使得两个调制器工作在不同的工作点，获得相应得所需光频率分量。其中，第一调制器抑制载波和一阶边带，获得间隔为四倍于微波信号频率的光频率，而第二调制器则保留载波一阶边带和二阶边带，从而在每个中心波长附近获得5根平坦光梳。当输入到第一调制器的微波信号频率是输入到第二调制器的微波信号频率的1.25倍时，级联两个调制器可以获得10根梳齿的光频梳，梳齿间隔等于输入到第二个调制器的微波信号频率。
对比于现有的技术，本发明具有如下优点：
本发明是一种基于电光调制器产生光频梳的方案，除了具备已有电光调制方案的优点：如中心波长可调、间隔稳定且可调、平坦度高等优点以外，还避免了在使用较低微波调制功率时，采用相对梳齿间隔来说过高的微波调制频率，充分利用了调制器的调制带宽。传统调制器产生光频梳方案中，若需要避免使用过高的微波功率，则需要增加微波调制频率，例如两个级联调制器上分别调制频率为f和3f的微波频率(参见Soto,et al.,NatureCommunications 4,2898(2013))，产生的光频梳梳齿间隔f，这样受限于调制器的带宽fmax，产生的最大梳齿间隔只能达到fmax/3。而本方案施加在两个级联调制器上的调制频率分别是1.25f和f，因此产生的最大梳齿间隔可以达到fmax/1.25，相比于前者提升了2.4倍，并且本发明对于微波信号最大频率要求降低为原来的0.41倍。
附图说明
图1是本发明基于级联双平行马赫曾德尔调制器产生光频梳装置结构示意图。
图中：1-可调连续光激光器、2-第一连接光纤、3-第一偏振控制器、4-第二连接光纤、5-第一调制器、6-第三连接光纤、7-第二偏振控制器、8-第四连接光纤、9-第二调制器、10-输出光纤、11-可调激光器电学接口、12-第一调制器电学接口、13-第二调制器电学接口、14-控制模块。
图2是图1装置两个主要节点的输出光谱示意图，其中(a)表示第一调制器输出光谱，f1是施加在第一调制器上的微波调制频率，(b)表示第二调制器输出光谱，f2是施加在第二调制器上的微波调制频率。
图3是图1装置两个主要节点的优选实施例的仿真光谱输出，其中a)表示第一调制器的输出光谱，(b)表示第二调制器的输出光谱。
具体实施方式
下面结合附图和实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。
请参阅图1，图1是本发明基于调制器产生光频梳的装置示意图，本发明基于调制器产生光频梳的装置,包括：可调连续激光器1和控制模块14,沿所述的可调连续激光器1的激光输出方向依次是第一连接光纤2、第一光纤环形偏振控制器3、第二连接光纤4、第一调制器5、第三连接光纤6、第二光纤环形偏振控制器7、第四连接光纤8、第二调制器9、输出光纤10，所述的控制模块14分别通过可调激光器电学端口11、第一调制器电学端口12、第二调制器电学端口13与所述的可调激光器1、第一调制器5、第二调制器9的控制端相连,所述的控制模块14分别通过所述的第一调制器电学端口12、第二调制器电学端口13为所述的第一调制器5、第二调制器9提供微波信号及直流偏置。
所述的可调连续激光器1的输出波长和输出功率可调节。
所述的可调激光器、第一连接光纤、第二连接光纤、第一调制器、第三连接光纤、第四连接光纤、第二调制器、输出光纤均工作在单模横电(TE)模式或单模横磁(TM)模式。
所述的可调激光器、第一连接光纤、第二连接光纤、第一调制器、第三连接光纤、第四连接光纤、第二调制器都工作在单模横电模式。
所述的第一调制器5和第二调制器9为铌酸锂晶体的双平行马赫曾德尔调制器，其半波电压为3.5V。
利用上述基于调制器产生光频梳的装置产生光频梳的方法，该方法包括如下步骤：
1)根据应用所需的光频梳的中心波长，通过所述的可调连续激光器1的调节，输出想要的输出功率和中心波长的种子光源；
2)所述的控制模块14根据所需的光频梳的间隔，通过第一调制器5和第二调制器9的电学接口，分别输入微波信号和直流偏置电压，并确保输入到第一调制器5和第二调制器9的微波信号频率不超过调制器的最大调制频率，且第一路微波信号频率是第二路微波信号频率的1.25倍，以保证最终获得的光频梳为等间隔，且间隔均对应于输入到第二路微波信号的频率；
3)调整所述的第一光纤环形偏振控制器3和第二光纤环形偏振控制器7，使得输入两个调制器的光信号偏振态与调制器要求的输入偏振态相符；
4)通过改变控制第一调制器5和第二调制器9的电学接口的输入，即调节输入到第一调制器的微波信号的幅度和直流偏置，使得输出光信号在中心波长位于激光器的输入波长，并且一阶边带处的光学频率分量被抑制，获得在二阶边带位置处的两个功率相等的光学频率分量；调节所述的第二调制器9的微波信号幅度和直流偏置，使得第二调制器9输出10根具有较高平坦度梳齿的光频梳，每个梳齿的频率间隔等于施加在第二调制器9上的微波信号的频率；
5)在保证输入到第一调制器5的微波信号频率是输入到第二调制器9的微波信号频率的1.25倍的条件下，改变控制模块14输入到第一调制器5和第二调制器9的微波信号频率，以改变光学频率梳的间隔。
所述的可调连续激光器1的输出波长为1550.0nm，所述的第一调制器5和第二调制器9的半波电压均为3.5V，加在第一调制器5的微波频率为10GHz，功率约为20dBm，直流偏置分别为：Vbias1＝0V，Vbias2＝2.4V，Vbias3＝3.5V；第二调制器9的微波频率为8GHz，功率约为20.5dBm，直流偏置分别为：Vbias4＝1V，Vbias5＝3V，Vbias6＝3V。
所述的可调激光器1为普通的商用CW光激光器，激光器的输出波长和输出功率可调。
本发明的优选实例中，可调激光器的输出波长为1550.0nm，两个双平行马赫曾德尔调制器的半波电压均为3.5V，加在第一个双平行马赫曾德尔调制器的微波频率为10GHz，功率约为20dBm，直流偏置分别为：Vbias1＝0V，Vbias2＝2.4V，Vbias3＝3.5V；第二个双平行马赫曾德尔调制器的微波频率为8GHz，功率约为20.5dBm，直流偏置分别为：Vbias4＝1V，Vbias5＝3V，Vbias6＝3V。
图2是图1中实验方案两个主要节点的输出光谱原理示意图，图2(a)表示第一调制器输出光谱，其中f1是施加在第一调制器上的微波调制频率，图2(b)表示第二调制器输出光谱，其中f2是施加在第二调制器上的微波调制频率，两者的频率关系为f1＝1.25f2。
图3给出了上述优选示例中的两个调制器的输出光谱的仿真结果，其中图3(a)为第一个调制器的输出光谱，我们可以看出：当微波信号的频率为10GHz时，通过控制直流偏置的让第一个DP-MZM工作在抑制载波和一阶边带的条件下，可以获得由两个二阶边带构成的平坦光频梳，也即间隔为40GHz(四倍于输入信号频率)的光频梳，且带外抑制在20dB以上。图3(b)为第一个DP-MZM的输出光谱，此时的输入到第二个调制器的微波信号频率为8GHz，我们可以得到输出光频梳为间隔为8GHz的10根光频梳组成，所以光频梳的带宽为80GHz。
通过图3可验证本发明的可行性，正如实例中所述，本发明产生80GHz带宽且光频梳间隔为8GHz光频梳时，所需要的最大微波频率仅为10GHz。这较于已有的方案(如Soto,etal.,Nature Communications 4,2898(2013)，光频梳间隔不仅对调制器带宽要求更低，而且对于微波信号频率的要求更低。这也证明了本发明相对于传统方案对调制器带宽利用率和微波信号频率利用率上的优势。

Claims (7)

1.一种基于级联双平行马赫曾德尔调制器产生光频梳的装置,其特征在于包括：可调连续激光器(1)和控制模块(14)，沿所述的可调连续激光器(1)的激光输出方向依次是第一连接光纤(2)、第一光纤环形偏振控制器(3)、第二连接光纤(4)、第一调制器(5)、第三连接光纤(6)、第二光纤环形偏振控制器(7)、第四连接光纤(8)、第二调制器(9)、输出光纤(10)，所述的控制模块(14)分别通过可调激光器电学端口(11)、第一调制器电学端口(12)、第二调制器电学端口(13)与所述的可调激光器、第一调制器(5)、第二调制器(9)的控制端相连,所述的控制模块(14)分别通过所述的第一调制器电学端口(12)、第二调制器电学端口(13)为所述的第一调制器(5)、第二调制器(9)提供微波信号及直流偏置，且第一路微波信号频率是第二路微波信号频率的1.25倍，以保证最终获得的光频梳为等间隔，且间隔均对应于输入到第二路微波信号的频率。
2.根据权利要求1所述的基于级联双平行马赫曾德尔调制器产生光频梳的装置，其特征在于所述的可调连续激光器(1)的输出波长和输出功率可调节。
3.根据权利要求1所述的基于级联双平行马赫曾德尔调制器产生光频梳的装置，其特征在于所述的可调激光器、第一连接光纤、第二连接光纤、第一调制器、第三连接光纤、第四连接光纤、第二调制器、输出光纤均工作在单模横电(TE)模式或单模横磁(TM)模式。
4.根据权利要求1所述的基于级联双平行马赫曾德尔调制器产生光频梳的装置，其特征在于所述的可调激光器、第一连接光纤、第二连接光纤、第一调制器、第三连接光纤、第四连接光纤、第二调制器都工作在单模横电模式。
5.根据权利要求1所述的基于级联双平行马赫曾德尔调制器产生光频梳的装置，其特征在于所述的第一调制器(5)和第二调制器(9)为铌酸锂晶体的双平行马赫曾德尔调制器，其半波电压为3.5V。
6.利用权利要求1所述的基于调制器产生光频梳的装置产生光频梳的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)根据应用所需的光频梳的中心波长，通过所述的可调连续激光器(1)的调节，输出想要的输出功率和中心波长的种子光源；
2)所述的控制模块(14)根据所需的光频梳的间隔，通过第一调制器(5)和第二调制器(9)的电学接口，分别输入微波信号和直流偏置电压，并确保输入到第一调制器(5)和第二调制器(9)的微波信号频率不超过调制器的最大调制频率，且第一路微波信号频率是第二路微波信号频率的1.25倍，以保证最终获得的光频梳为等间隔，且间隔均对应于输入到第二路微波信号的频率；
3)调整所述的第一光纤环形偏振控制器(3)和第二光纤环形偏振控制器(7)，使得输入两个调制器的光信号偏振态与调制器要求的输入偏振态相符；
4)通过改变控制第一调制器(5)和第二调制器(9)的电学接口的输入，即调节输入到第一调制器的微波信号的幅度和直流偏置，使得输出光信号在中心波长位于激光器的输入波长，并且一阶边带处的光学频率分量被抑制，获得在二阶边带位置处的两个功率相等的光学频率分量；调节所述的第二调制器(9)的微波信号幅度和直流偏置，使得第二调制器(9)输出10根具有较高平坦度梳齿的光频梳，每个梳齿的频率间隔等于施加在第二调制器(9)上的微波信号的频率；
5)在保证输入到第一调制器(5)的微波信号频率是输入到第二调制器(9)的微波信号频率的1.25倍的条件下，改变控制模块(14)输入到第一调制器(5)和第二调制器(9)的微波信号频率，以改变光学频率梳的间隔。
7.根据权利要求6所述的产生光频梳的方法，其特征在于所述的可调连续激光器(1)的输出波长为1550.0nm，所述的第一调制器(5)和第二调制器(9)的半波电压均为3.5V，加在第一调制器(5)的微波频率为10GHz，功率约为20dBm，直流偏置分别为：Vbias1＝0V，Vbias2＝2.4V，Vbias3＝3.5V；第二调制器(9)的微波频率为8GHz，功率约为20.5dBm，直流偏置分别为：Vbias4＝1V，Vbias5＝3V，
Vbias6＝3V。
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