CN112383361B - 实现自振荡多载波光纤光源的方法及多载波光纤光源系统 - Google Patents
实现自振荡多载波光纤光源的方法及多载波光纤光源系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种实现自振荡多载波光纤光源的方法及多载波光纤光源系统：建立基于循环移频环路的多载波光纤光源；将多载波光纤光源输出的光信号光域内进行放大；将放大后的光信号光域内进行纵模选择处理；将纵模选择处理后的光信号转化成对应的不同频率的电信号；对电信号进行进行电域滤波；对滤波后的电信号进行电域放大；将放大后的电信号反馈到多载波光纤光源的循环移频环路中的移频器，用于驱动移频器控制光信号移频量，使多载波光纤光源输出设定频率间隔的光信号，所述光信号中的一部分光信号返回第2步进行下一次的循环，另一部分光信号作为整个系统的多载波输出。本发明具有输出信号载波覆盖范围大、功率平坦、相位噪声低，以及无需外加射频驱动源的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光源。特别是涉及一种实现自振荡多载波光纤光源的方法及多载波光纤光源系统。
背景技术
多载波光纤光源，即能够同时输出多个不同频率载波的光纤光源。近年来，多载波光纤光源在密集波分复用(DWDM)、正交频分复用(OFDM)等通讯系统、光纤传感、光学元件测试、光谱学、相控阵雷达等领域均有重要应用，得到国内外研究者的广泛重视和研究。多载波光纤光源按其产生机制可以分为腔内调制和腔外调制两大类。
(1)腔内调制的多载波光纤光源
基于腔内调制方法的多载波光纤光源常采用均匀加宽增益介质，并利用波长选择器件输出多个载波光信号。
①基于调制器的腔内调制多载波光纤光源
基于调制器的腔内调制多载波光纤光源的核心结构包括调制器、滤波器、放大器等，其中调制器用来平衡各个模式之间的能量。但当各载波频率间隔小于几十GHz时，将不可避免地出现模式竞争，导致输出信号稳定性恶化并伴有较大的强度噪声。
②基于腔内非线性效应的多载波光纤光源
基于腔内非线性效应的多载波光纤光源是在激光腔内放置一段高非线性光纤，利用四波混频、受激布里渊散射等非线性效应形成多载波输出。但此种方法中非线性光纤本身造价较高，产生非线性效应的光功率阈值高，也对其他器件的性能提出挑战，这些都提升了整个系统的成本。
综上，腔内调制的多载波光源主要存在输出信号信噪比差、稳定性不足、系统成本较高等问题，这些问题大大影响了此种光源的进一步发展与应用。
(2)腔外调制的多载波光纤光源
基于腔外调制的多载波光纤光源主要是利用电光调制器对单波长种子光在腔外进行调制，调制出新的边带，从而实现多载波的输出。腔外调制的方法使输出载波具有更高的稳定性和更小的强度噪声，且由于腔外调制是在激光形成后进行调制处理，因此调制过程不受激光振荡建立时间的限制，也不会影响激光振荡的形成，同时避免破坏激光本身的相干特性。
①基于腔外调制器方法的多载波光纤光源
典型方案中，种子光进入强度调制器后，在调制器两臂上施加频率相同但振幅不同的正弦驱动电信号对种子光进行调制，两臂光信号再经过耦合，实现多载波光输出。然而，由于光载波单次经过调制器时调制深度一定，调制后各阶边带的强度会对应不同的Bessel函数值，所以平坦度较差。级联调制器虽然可以在一定程度上解决这一问题，但是又会提升系统的强度噪声。此外，无论是基于单一调制器还是级联调制器方法产生的多载波光源，载波个数均会受到调制器驱动信号能量的限制，导致载波覆盖范围较小。
②基于腔外循环移频环路的多载波光纤光源
为了获得更宽的频率覆盖范围，研究者们提出了基于腔外循环移频环路的多载波产生方案：在环路中利用射频信号驱动的电光调制器做移频器件，光信号每经过一次环路，都将产生新的移频分量，如此往复，再辅以环路内部的功率补偿装置，即可实现载波范围宽且功率平坦的多载波输出。
然而，以上腔外调制的多载波光源核心器件都是靠射频源驱动的调制器，射频源输出的信号功率、相位噪声直接决定了多载波光信号的输出功率强度、频谱平坦度和相位噪声。此外射频源及配套外设价格昂贵、体积质量大，导致搭建起的系统成本高且难以实现小型化。
③基于光电振荡器(OEO)的多载波光纤光源
近年来，国内外研究者们考虑到光电振荡器(OEO)低相噪，高品质因数的特点，提出了利用光电振荡器建立自反馈形成驱动调制器的微波信号，进而搭建多载波光纤光源的方案。此种基于光电振荡器的多载波光纤光源具有相位噪声低，且系统体积小质量轻等诸多优势。然而，分析其系统结构可知，基于光电振荡器的多载波光纤光源中多载波的产生机制依然是利用调制器或级联调制器进行调制深度一定的单次调制，这一机制大大限制了其输出光谱平坦度的优化以及载波覆盖范围的进一步拓展。
综上分析，降低光源的相位噪声，拓宽载波频谱覆盖范围，提升输出载波功率平坦度、追求系统小型化、降低系统成本等已成为多载波光纤光源的重要研究方向
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以实现载波覆盖范围广、功率平坦的多载波信号输出的实现自振荡多载波光纤光源的方法及多载波光纤光源系统。
本发明所采用的技术方案是：一种实现自振荡多载波光纤光源的方法，包括如下步骤：
1)建立基于循环移频环路的多载波光纤光源；
2)将多载波光纤光源输出的光信号光域内进行放大；
3)将放大后的光信号光域内进行纵模选择处理；
4)将纵模选择处理后的光信号转化成对应的不同频率的电信号；
5)对电信号进行进行电域滤波；
6)对滤波后的电信号进行电域放大；
7)将放大后的电信号反馈到多载波光纤光源的循环移频环路中的移频器，用于驱动移频器控制光信号移频量，使多载波光纤光源输出设定频率间隔的光信号，所述光信号中的一部分光信号返回步骤2)进行下一次的循环，另一部分光信号作为整个系统的多载波输出。
一种按上述方法构建的多载波光纤光源系统，包括有依次连接的多载波光源模块、光域放大模块、纵模选择模块、光/电转换模块、电域滤波模块和电域放大模块，所述的电域放大模块的输出连接所述多载波光源模块，所述多载波光源模块的输出还作为整个系统的多载波输出。
本发明的实现自振荡多载波光纤光源的方法及多载波光纤光源系统，具有输出信号载波覆盖范围大、功率平坦、相位噪声低，以及无需外加射频驱动源，有利于系统降低成本及实现小型化等优势。本发明的特点如下：
1、无须外加射频电信号驱动即可实现自振荡运转。
首先，这一设计利用低损耗光纤以及调制器构成的正反馈振荡环路，提高了输出信号的品质因数，消除了由射频源引入的额外的相位噪声。其次，除去庞大的外加射频源后，全光纤系统体积小质量轻，有利于进一步降低成本，实现系统小型化，以满足航空航天等领域中的应用。
2、在实现低噪声自振荡运行的同时，采用循环进行的多次一阶边带强度调制机制。
这一设计采取多次循环运转的模式，在每一次循环过程中只采用同一个固定的调制边带(一阶边带)作为输出，其强度对应的Bessel函数值也始终为同一个，即不同频率的多个光载波的强度均相同。这种方法避免了利用调制器直接单次调制时出现的因各阶边带强度对应不同的Bessel函数值而导致的输出信号不平坦的现象，同时也破除了驱动信号能量对输出载波个数的制约，可以实现载波覆盖范围广、功率平坦的多载波信号输出。
附图说明
图1是本发明多载波光纤光源系统的构成框图；
图2是本发明多载波光纤光源系统中多载波光源模块的构成示意图；
图3是本发明多载波光纤光源系统中纵模选择模块的构成示意图；
图4是多载波输出信号示意图；
图5是在光/电转换模块及电域滤波模块的作用下得到的反馈电信号示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的实现自振荡多载波光纤光源的方法及多载波光纤光源系统做出详细说明。
本发明的实现自振荡多载波光纤光源的方法，将多载波光纤光源自由振荡的输出光信号经过光域和电域的多级处理，得到低相噪、高强度的特定频率电信号，并反馈回多载波光纤光源中，驱动多载波光纤光源实现自洽振荡，实现新型宽带自振荡多载波光信号输出。
当系统运转时，首先利用自由振荡状态下的多载波光纤光源输出光信号，光信号经过光域的放大、纵模选择后进入光/电转换模块中产生一系列拍频电信号。对该系列电信号进行滤波、放大后，提取出低相噪的特定频率电信号并反馈驱动多载波光纤光源内的调制器，调制器对光纤光源内的自由振荡光载波循环进行多次精准的一阶边带强度调制，循环振荡使光源达到自洽的运行模式，最终形成稳定的多载波输出。
本发明的实现自振荡多载波光纤光源的方法，包括如下步骤：
1)建立基于循环移频环路的多载波光纤光源；
所述的多载波光纤光源中的循环移频环路中的移频器初始不设置驱动电信号，多载波光纤光源最初输出的光信号是处在自由振荡状态的光信号，利用下述步骤2)～步骤7)对多载波中的特定频率形成正反馈，最终形成对应该频率间隔的自振荡稳定多载波输出。
2)将多载波光纤光源输出的光信号在光域内进行放大；
3)将放大后的光信号在光域内进行纵模选择处理；
所述的纵模选择是将初始为自由振荡状态的多频率光信号分为两路以上，分别通过长度不同的两段以上的单模光纤，利用游标效应，从多频率光载波中选择出同时满足所述两段以上单模光纤长度的振荡模式。
4)将纵模选择处理后的光信号转化成对应的不同频率的电信号，是将步骤3)中不同长度的光纤输出的自由振荡光信号送入光/电探测器进行拍频，在这一过程中将光信号转换成具有多种频率成分的电信号，并利用光电探测器的带宽限制，对多种频率电信号中的高频成分进行自动滤波；
5)对电信号进行电域滤波；
6)对滤波后的电信号进行电域放大；
7)将放大后的电信号反馈到多载波光纤光源的循环移频环路中的移频器，用于驱动移频器控制光信号移频量，使多载波光纤光源输出设定频率间隔的光信号，所述光信号中的一部分光信号返回步骤2)进行下一次的循环，另一部分光信号作为整个系统的多载波输出。
如图1所示，本发明构建的多载波光纤光源系统，包括有依次连接的多载波光源模块1、光域放大模块2、纵模选择模块3、光/电转换模块4、电域滤波模块5和电域放大模块6，所述的电域放大模块6的输出连接所述多载波光源模块1，所述多载波光源模块1的输出还作为整个系统的多载波输出。
本发明构建的多载波光纤光源系统中，所述的光域放大模块2可以选用掺稀土元素光纤放大器(如掺铒光纤放大器)、非线性光学放大器(如拉曼放大器、布里渊放大器)、半导体放大器等。所述光/电转换模块4可以选用光电导型探测器、PN结型探测器、PIN型探测器、雪崩光电二极管等。所述电域滤波模块5可以选用有源带通滤波器、无源带通滤波器等。
如图2所示，所述的多载波光源模块1包括有：种子源1.1和与所述种子源1.1输出相连的基于单边带调制器的循环移频环路1.2，其中，所述循环移频环路1.2的射频电信号驱动端连接所述电域放大模块6的输出端，所述循环移频环路1.2的输出端连接光域放大模块2进行下一次的循环，所述循环移频环路1.2的输出端还构成整个系统的多载波输出。
如图3所示，所述的纵模选择模块3是由长度不同的两段以上的单模光纤构成，所述两段以上的单模光纤共用一个输入端口，用于连接光域放大模块2的输出，输出端为与所述两段以上的单模光纤相对应的两个以上的端口。
图4、图5为多载波输出信号以及在光/电转换模块及电域滤波模块的作用下得到的反馈电信号示意图，其中f0-fN是分立的N个频率成份，即N个光载波；Δf是多载波光信号相邻频率成份间的频率差。BPF表示带通电滤波器，其中心波长为频率间隔Δf。
如图4、图5所示，自洽振荡建立以后，多载波光源模块输出一个频率间隔为Δf的梳状光谱，梳状光谱进行拍频，除产生频率为Δf的拍信号外，还会存在2Δf、3Δf、4Δf等高阶边带。这些高阶边带在电域滤波模块中进行中心频率为Δf的带通滤波后会被滤除，只留下频率为Δf的电信号反馈回多载波光源模块。
本发明构建的多载波光纤光源系统的运转分为起振与正反馈运转两个过程：
1、起振过程
电域滤波模块在被放大的噪声信号中提取出滤波模块中心频率Δf处的射频信号，经电域放大模块放大后反馈给多载波光源模块，驱动单边带调制器。单边带调制器受此信号控制，对输入的光信号进行一阶边带强度调制。
2、正反馈运转过程
起振过程建立以后，多载波光源模块的输出端会同时存在初始频率的光信号以及经过一阶边带强度调制产生的频率移动过后的光信号，二者经过光放大、纵模选择后在光/电转换模块中拍频，得到Δf、2Δf、3Δf、4Δf等频率处的射频信号，再经过电滤波、电放大后反馈给单边带调制器进一步驱动后续调制过程。形成正反馈后，系统将会在自洽状态运转，一阶边带强度调制过程将会循环多次运转，输出特定频率间隔的低相位噪声的多载波激光。
总的来讲，本发明的实现自振荡多载波光纤光源的方法及多载波光纤光源系统具有输出信号载波覆盖范围大、功率平坦、相位噪声低，以及有利于系统降低成本及实现小型化等特点与优势，在密集波分复用(DWDM)、正交频分复用(OFDM)等通讯系统、光纤传感、光学元件测试、光谱学、相控阵雷达等领域均有巨大的应用潜力。
上文结合附图对本发明进行了阐述，但本发明并不局限于所举例的具体实施方式，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明的宗旨还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种实现自振荡多载波光纤光源的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）建立基于循环移频环路的多载波光纤光源；
所述的多载波光纤光源中的循环移频环路中的移频器初始不设置驱动电信号，多载波光纤光源最初输出的光信号是处在自由振荡状态的光信号，利用步骤2）～步骤7）对多载波中的设定频率形成正反馈，最终形成对应该频率间隔的自振荡稳定多载波输出；
2）将多载波光纤光源输出的光信号在光域内进行放大；
3）将放大后的光信号在光域内进行纵模选择处理；
所述的纵模选择是将初始为自由振荡状态的多频率光信号分为两路以上，分别通过长度不同的两段以上的单模光纤，利用游标效应，从多频率光载波中选择出同时满足所述两段以上单模光纤长度的振荡模式；
不同长度的光纤输出的自由振荡光信号送入光/电探测器进行拍频，在这一过程中将光信号转换成具有多种频率成分的电信号，并利用光电探测器的带宽限制，对多种频率电信号中的高频成分进行自动滤波；
4）将纵模选择处理后的光信号转化成对应的不同频率的电信号；
5）对电信号进行电域滤波；
6）对滤波后的电信号进行电域放大；
7）将放大后的电信号反馈到多载波光纤光源的循环移频环路中的移频器，用于驱动移频器控制光信号移频量，使多载波光纤光源输出设定频率间隔的光信号，所述光信号中的一部分光信号返回步骤2）进行下一次的循环，另一部分光信号作为整个系统的多载波输出。
2.一种按权利要求1所述方法构建的多载波光纤光源系统，其特征在于，包括有依次连接的多载波光源模块（1）、光域放大模块（2）、纵模选择模块（3）、光/电转换模块（4）、电域滤波模块（5）和电域放大模块（6），所述的电域放大模块（6）的输出连接所述多载波光源模块（1），所述多载波光源模块（1）的输出还作为整个系统的多载波输出；
所述的多载波光源模块（1）包括有：种子源（1.1）和与所述种子源（1.1）输出相连的基于单边带调制器的循环移频环路（1.2），其中，所述循环移频环路（1.2）的射频电信号驱动端连接所述电域放大模块（6）的输出端，所述循环移频环路（1.2）的输出端连接光域放大模块（2）进行下一次的循环，所述循环移频环路（1.2）的输出端还构成整个系统的多载波输出；
所述的纵模选择模块（3）是由长度不同的两段以上的单模光纤构成，所述两段以上的单模光纤共用一个输入端口，用于连接光域放大模块（2）的输出，输出端为与所述两段以上的单模光纤相对应的两个以上的端口。
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| GR01 | Patent grant | ||
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