CN111158171B - 大自由光谱范围可重构光学频率梳产生装置及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大自由光谱范围可重构光学频率梳产生装置及实现方法，激光器输出端口连接单边带调制模块输入端口，单边带调制模块输出端口连接奇/偶阶调制模块输出端口，单频射频信号源连接功分器公共端，功分器一个输出端口连接正交耦合器的公共端，正交耦合器两个输出端口分别连接单边带调制模块的两个射频端口；功分器的另一个输出端口连接功放的输入端口，功放输出端口连接奇/偶阶调制模块的射频端口。本发明有效地实现大FSR、可重构的6线或8线光频梳的产生，具有结构简单，功率高效和频率可调谐的特点，使得系统同时具备6线和8线光梳产生的能力，梳线数量可通过偏压点调谐，且显著降低了对微波信号频率和功率的要求。

Description

大自由光谱范围可重构光学频率梳产生装置及实现方法
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其是一种光学频率梳产生装置及实现方法。
背景技术
光学频率梳由均匀间隔的离散频谱分量组成，在大容量光纤通信、密集波分复用和光任意波形产生等领域具有广泛的使用。传统的由激光器阵列组成的多载波光源，由于各载波由独立的激光器产生，存在难同步和相位相干性差的缺点。基于非线性光学效应的光频梳产生方法，如四波混频、自相位调制，受光学效应的限制，生成的光学频率梳频率间距较小、各梳线功率平坦度差和梳线个数不可控，还存在功耗大、效率低的缺点。基于锁模激光器的光频梳产生方法，由于对色散的敏感性较高，存在边模抑制比小、频率间距小且不稳定的缺点。常见的基于电光调制器的光频梳产生方法虽然具有结构简单、易于实现的优点，但是需要较高的调制指数，功率效率低，在实际应用中受到严重制约，同时存在自由光谱范围(Free Spectral Range,FSR)小、梳线数少等缺点。因此，如何产生大FSR、可重构的多梳线光频梳已成为各领域的研究热点，并在光纤通信领域、光载无线传输(RoF)等领域具有迫切的需求和广泛的应用前景。目前，已提出的各种光频梳产生方案，受产生机理和设计方案的限制，存在光梳平坦度差、频率间距小、相位相干性差和梳线个数不可控等缺点。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种大自由光谱范围可重构光学频率梳产生装置及实现方法，将微波光子学和调制器边带调制技术相结合，在不同的工作模式下，能够实现6线和8线光学频率梳的产生。本发明降低了对微波信号源频率和功率的要求，能够实现超宽跨距、可调谐光频梳的产生，各梳线相位高度相干，功率平坦度高，具有结构简单、功率高效及可重构的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种大自由光谱范围可重构光学频率梳产生装置，包括单载波激光器、单频射频信号源、功分器、正交耦合器、功放、单边带调制模块和奇/偶阶调制模块，激光器输出端口连接单边带调制模块输入端口，单边带调制模块输出端口连接奇/偶阶调制模块输出端口，单频射频信号源连接功分器公共端，功分器一个输出端口连接正交耦合器的公共端，正交耦合器两个输出端口分别连接单边带调制模块的两个射频端口；功分器的另一个输出端口连接功放的输入端口，功放输出端口连接奇/偶阶调制模块的射频端口。
所述单边带调制模块为一个双电极马增调制器(Dual Electrode Mach-ZehnderModulator，DEMZM)构成，单频射频信号经过正交耦合器后输出的两路正交射频信号分别馈入DEMZM的两个射频端口，调节DEMZM直流端口的偏置电压，使DEMZM工作于正交偏置点，同时调整输入射频信号的功率以实现幅度相等的单边带+载波信号的产生，单边带调制模块的输出端口标记为a点。
所述奇/偶阶调制模块由一个普通零啁啾、单驱动的马增调制器(Mach-ZehnderModulator，MZM)构成，对单边带调制模块输出的光信号再次进行电光调制，从而产生需要的6线或8线光频梳，单频射频信号源输出的射频信号经过功放放大后，输入到MZM的射频输入端口；当马增调制器MZM工作于最大点时，射频信号经过调制后只产生偶数阶边带，因此对输出的载波和边带信号进行调制可产生6线光梳；当马增调制器MZM2工作于最小点时，射频信号经过调制后只产生奇数阶边带，因此对输出的载波和边带信号进行调制可产生8线光梳，奇/偶阶调制模块的输出端口标记为b点。
本发明还提供涉及大自由光谱范围可重构光学频率梳产生装置的实现方法，包括如下步骤：
步骤1：激光器输出的单载波激光和单频射频信号源产生的单频射频信号分别表示为
Figure BDA0002381606790000021
和S(t)＝VSsin(ωSt)；其中，Ec是光载波的电场强度，ωc为光载波的角频率，VS和ωS分别是射频信号的幅度和角频率；经过正交耦合器后，输入到DEMZM两个输入端口的信号表示为：S1(t)＝V sin(ωSt)和S2(t)＝V cos(ωSt)，其中
Figure BDA0002381606790000022
步骤2：单边带调制模块的输出端a点的光信号表示为：
Figure BDA0002381606790000023
其中，
Figure BDA0002381606790000024
为调制器MZM1调制指数，Vπ1是调制器MZM1的半波电压，J0(m1)和J1(m1)分别为第一类0阶和1阶贝塞尔函数，公式(1)中高阶贝塞尔函数幅度相对较小，因此二阶以上的贝塞尔项省略；
在公式(1)中，令
Figure BDA0002381606790000031
即m1＝1.168时，产生的光载波和正一阶边带的幅度相等；
步骤3：在6线光梳工作模式下，奇/偶阶调制模块工作于最大点，只产生偶数阶光边带；功分器输出的射频信号经过功放放大后的射频信号表示为：
Figure BDA0002381606790000032
其中G1是功放的增益；b点输出光信号为：
Figure BDA0002381606790000033
其中，
Figure BDA0002381606790000034
为调制器MZM的调制指数，Vπ2是调制器MZM的半波电压，J0(m2)和J2(m2)分别为第一类0阶和2阶贝塞尔函数；由公式(2)可知，调整输入射频信号的功率，使J0(m2)＝J2(m2)，即m2＝1.839时，生成的6线光频梳具有相同的幅度；
步骤4：在8线光梳工作模式下，奇/偶阶调制模块工作于最小点，只产生奇数阶光边带，b点输出光信号为：
Figure BDA0002381606790000035
其中，J1(m2)和J3(m2)分别为第一类1阶和3阶贝塞尔函数。公式(3)中，由于调制指数相对较大，保留三阶以内的贝塞尔函数项，更高阶贝塞尔函数项省略，由公式(2)可知，调整输入射频信号的功率，使J1(m2)＝J3(m2)，即m2＝3.064时，生成的8线光频梳具有相同的幅度。
本发明的有益效果在于本发明可以有效地实现大FSR、可重构的6线或8线光频梳的产生，本发明具有结构简单，功率高效和频率可调谐的特点。采用了最新的微波光子学技术，融合了电光调制技术和偏压优化技术，通过控制调制器的偏压点，使得系统同时具备6线和8线光梳产生的能力，梳线数量可通过偏压点调谐，且显著降低了对微波信号频率和功率的要求。因此，本发明可以更好满足大容量光纤通信、密集波分复用系统、基于光频梳的信道化系统的要求，具有广泛的使用前景。
附图说明
图1是本发明基于调制器级联的大FSR、可重构的6/8线光学频率梳产生原理图。
图2是本发明单边带调制模块输出的载波和边带的光谱图。
图3是本发明所述装置产生的6线光频梳的光谱图。
图4是本发明所述装置产生的8线光频梳的光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明将微波技术和光子学技术相结合，利用光子技术大带宽、可调谐、抗电磁干扰的固有优势，实现大FSR、可重构的6/8线光学频率梳的产生。该发明方法基于微波光子电光调制技术，利用激光器、DEMZM、MZM、正交耦合器等光电器件，通过调整MZM的工作点，在不同的工作模式下，实用较低的调制指数即可实现6线或8线光频梳的产生，降低了对微波信号源的频率和功率的需求，并且具有FSR大、可重构、相干性好和功率高效的优点。
一种大自由光谱范围可重构光学频率梳产生装置，包括单载波激光器、单频射频信号源、功分器、正交耦合器、功放、单边带调制模块和奇/偶阶调制模块，激光器输出端口连接单边带调制模块输入端口，单边带调制模块输出端口连接奇/偶阶调制模块输出端口，单频射频信号源连接功分器公共端，功分器一个输出端口连接正交耦合器的公共端，正交耦合器两个输出端口分别连接单边带调制模块的两个射频端口；功分器的另一个输出端口连接功放的输入端口，功放输出端口连接奇/偶阶调制模块的射频端口。
所述单边带调制模块为一个双电极马增调制器(Dual Electrode Mach-ZehnderModulator，DEMZM)构成，单频射频信号经过正交耦合器后输出的两路正交射频信号分别馈入DEMZM的两个射频端口，调节DEMZM直流端口的偏置电压，使DEMZM工作于正交偏置点，同时调整输入射频信号的功率以实现幅度相等的单边带+载波信号的产生，单边带调制模块的输出端口标记为a点。
所述奇/偶阶调制模块由一个普通零啁啾、单驱动的马增调制器(Mach-ZehnderModulator，MZM)构成，对单边带调制模块输出的光信号再次进行电光调制，从而产生需要的6线或8线光频梳，单频射频信号源输出的射频信号经过功放放大后，输入到MZM的射频输入端口；当马增调制器MZM工作于最大点时，射频信号经过调制后只产生偶数阶边带，因此对输出的载波和边带信号进行调制可产生6线光梳；当马增调制器MZM2工作于最小点时，射频信号经过调制后只产生奇数阶边带，因此对输出的载波和边带信号进行调制可产生8线光梳，奇/偶阶调制模块的输出端口标记为b点。
本发明还提供涉及大自由光谱范围可重构光学频率梳产生装置的实现方法，包括如下步骤：
步骤1：激光器输出的单载波激光和单频射频信号源产生的单频射频信号分别表示为
Figure BDA0002381606790000051
和S(t)＝VS sin(ωSt)；其中，Ec是光载波的电场强度，ωc为光载波的角频率，VS和ωS分别是射频信号的幅度和角频率；经过正交耦合器后，输入到DEMZM两个输入端口的信号表示为：S1(t)＝V sin(ωSt)和S2(t)＝V cos(ωSt)，其中
Figure BDA0002381606790000052
步骤2：单边带调制模块的输出端a点的光信号表示为：
Figure BDA0002381606790000053
其中，
Figure BDA0002381606790000054
为调制器MZM1调制指数，Vπ1是调制器MZM1的半波电压，J0(m1)和J1(m1)分别为第一类0阶和1阶贝塞尔函数，公式(1)中高阶贝塞尔函数幅度相对较小，因此二阶以上的贝塞尔项省略；
在公式(1)中，令
Figure BDA0002381606790000055
即m1＝1.168时，产生的光载波和正一阶边带的幅度相等；
步骤3：在6线光梳工作模式下，奇/偶阶调制模块工作于最大点，只产生偶数阶光边带；功分器输出的射频信号经过功放放大后的射频信号表示为：
Figure BDA0002381606790000056
其中G1是功放的增益；b点输出光信号为：
Figure BDA0002381606790000057
其中，
Figure BDA0002381606790000058
为调制器MZM的调制指数，Vπ2是调制器MZM的半波电压，J0(m2)和J2(m2)分别为第一类0阶和2阶贝塞尔函数；由公式(2)可知，调整输入射频信号的功率，使J0(m2)＝J2(m2)，即m2＝1.839时，生成的6线光频梳具有相同的幅度；
步骤4：在8线光梳工作模式下，奇/偶阶调制模块工作于最小点，只产生奇数阶光边带，b点输出光信号为：
Figure BDA0002381606790000061
其中，J1(m2)和J3(m2)分别为第一类1阶和3阶贝塞尔函数。公式(3)中，由于调制指数相对较大，保留三阶以内的贝塞尔函数项，更高阶贝塞尔函数项省略，由公式(2)可知，调整输入射频信号的功率，使J1(m2)＝J3(m2)，即m2＝3.064时，生成的8线光频梳具有相同的幅度。
本发明中：
1)激光器：用于输出单载波激光；
2)信号源：用于产生单频射频信号；
3)电正交耦合器：用于将信号源输出的射频信号相移90°后，产生两路正交射频信号；
4)功放：功率放大器，用于对信号源输出的射频信号进行功率放大，以提高调制器的调制指数；
5)单边带调制模块：可由DEMZM构成，工作在正交点，被射频信号驱动后输出载波和单边带信号；
6)奇/偶阶调制模块：可由零啁啾单驱动MZM构成，在不同的最大点或最小点偏压模式下，可以产生6线或8线光频梳。
实施例：
通过光系统仿真软件对所述基于级联调制器的大FSR、可重构的6/8线光学频率梳产生方案进行仿真分析，仿真原理图参照图1。
仿真中需要的器件包括：射频信号源、单载波激光器、功放、正交耦合器、DEMZM和MZM等光电器件。系统主要仿真参数配置如下：
·射频信号：中心频率20GHz，功率16dBm；
·单载波激光器：输出波长1551nm、功率45mw、相对强度噪声-155dB/Hz、线宽100kHz的激光；
·功放：输出功率0.5W；
·正交耦合器：带宽：18-22GHz；
·DEMZM和MZM：半波电压3.5V，插入损耗5dB，消光比30dB；
操作步骤：
步骤1：激光源连接DEMZM的光输入口，射频信号源通过电功分器输出两路射频信号；
步骤2：一路射频信号通过正交耦合器分为正交的两路射频信号，分别输入单边带调制模块的两个射频端口中，单边带调制模块输出的光信号包含载波和正一阶光边带，频率间隔20GHz，如图2所示；
步骤3：单边带调制模块的光输出端口连接奇/偶阶调制模块的光梳入口，另一路射频信号经过功放后，输入奇/偶阶调制模块MZM的射频输入端口。调节MZM的直流偏压使之工作于6线光频梳模式下，则输出频率间距为20GHz的等幅度6线光频梳，如图3所示；
步骤4：配置MZM2工作于8线光频梳模式下，重复步骤3，调整功放的输出功率，最终输出的频率间距为20GHz的等幅8线光频梳，如图4所示。
以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，射频信号频率和功率、激光波长和功率等都可改变。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种大自由光谱范围可重构光学频率梳产生装置，其特征在于：
所述大自由光谱范围可重构光学频率梳产生装置，包括单载波激光器、单频射频信号源、功分器、正交耦合器、功放、单边带调制模块和奇/偶阶调制模块，激光器输出端口连接单边带调制模块输入端口，单边带调制模块输出端口连接奇/偶阶调制模块输出端口，单频射频信号源连接功分器公共端，功分器一个输出端口连接正交耦合器的公共端，正交耦合器两个输出端口分别连接单边带调制模块的两个射频端口；功分器的另一个输出端口连接功放的输入端口，功放输出端口连接奇/偶阶调制模块的射频端口；
所述单边带调制模块为一个双电极马赫-增德调制器构成，单频射频信号经过正交耦合器后输出的两路正交射频信号分别馈入双电极马赫-增德调制器的两个射频端口，调节双电极马赫-增德调制器直流端口的偏置电压，使双电极马赫-增德调制器工作于正交偏置点，同时调整输入射频信号的功率以实现幅度相等的单边带+载波信号的产生，单边带调制模块的输出端口标记为a点；
所述奇/偶阶调制模块由一个普通零啁啾、单驱动的马赫-增德调制器构成，对单边带调制模块输出的光信号再次进行电光调制，从而产生需要的6线或8线光频梳，单频射频信号源输出的射频信号经过功放放大后，输入到马赫-增德调制器的射频输入端口；当马赫-增德调制器工作于最大点时，射频信号经过调制后只产生偶数阶边带，因此对输出的载波和边带信号进行调制可产生6线光梳；当马赫-增德调制器工作于最小点时，射频信号经过调制后只产生奇数阶边带，因此对输出的载波和边带信号进行调制可产生8线光梳，奇/偶阶调制模块的输出端口标记为b点。
2.一种利用权利要求1所述大自由光谱范围可重构光学频率梳产生装置的实现方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：激光器输出的单载波激光和单频射频信号源产生的单频射频信号分别表示为
Figure FDA0003084260010000011
和S(t)＝VSsin(ωSt)；其中，Ec是光载波的电场强度，ωc为光载波的角频率，VS和ωS分别是射频信号的幅度和角频率；经过正交耦合器后，输入到双电极马赫-增德调制器两个输入端口的信号表示为：S1(t)＝Vsin(ωSt)和S2(t)＝Vcos(ωSt)，其中
Figure FDA0003084260010000012
步骤2：单边带调制模块的输出端a点的光信号表示为：
Figure FDA0003084260010000021
其中，
Figure FDA0003084260010000022
为调制器MZM1调制指数，Vπ1是调制器MZM1的半波电压，J0(m1)和J1(m1)分别为第一类0阶和1阶贝塞尔函数，公式(1)中高阶贝塞尔函数幅度相对较小，因此二阶以上的贝塞尔项省略；
在公式(1)中，令
Figure FDA0003084260010000023
即m1＝1.168时，产生的光载波和正一阶边带的幅度相等；
步骤3：在6线光梳工作模式下，奇/偶阶调制模块工作于最大点，只产生偶数阶光边带；功分器输出的射频信号经过功放放大后的射频信号表示为：
Figure FDA0003084260010000024
其中G1是功放的增益；b点输出光信号为：
Figure FDA0003084260010000025
其中，
Figure FDA0003084260010000026
为调制器MZM的调制指数，Vπ2是调制器MZM的半波电压，J0(m2)和J2(m2)分别为第一类0阶和2阶贝塞尔函数；由公式(2)可知，调整输入射频信号的功率，使J0(m2)＝J2(m2)，即m2＝1.839时，生成的6线光频梳具有相同的幅度；
步骤4：在8线光梳工作模式下，奇/偶阶调制模块工作于最小点，只产生奇数阶光边带，b点输出光信号为：
Figure FDA0003084260010000027
其中，J1(m2)和J3(m2)分别为第一类1阶和3阶贝塞尔函数，公式(3)中，由于调制指数相对较大，保留三阶以内的贝塞尔函数项，更高阶贝塞尔函数项省略，由公式(2)可知，调整输入射频信号的功率，使J1(m2)＝J3(m2)，即m2＝3.064时，生成的8线光频梳具有相同的幅度。
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Power efficient optical frequency comb generation using laser gain switching and dual-drive Mach-Zehnder modulator;AMOL DELMADE等;《OPTICS EXPRESS》;20190819;第27卷(第17期);全文 *

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