CN115268118B - 一种光学频率梳生成系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学频率梳生成系统及方法，涉及光学频率梳技术领域，该系统包括7线光学频率梳生成模块、谱线频谱拓宽模块和20线光学频率梳生成模块；7线光学频率梳生成模块至少包括外腔激光器、第一偏振控制器、偏振调制器、第二偏振控制器和检偏器；谱线频谱拓宽模块至少包括第一相位调制器；20线光学频率梳生成模块至少包括：第二相位调制器；7线光学频率梳生成模块生成7线光学频率梳；谱线频谱拓宽模块对7线光学频率梳进行谱线频谱拓宽得到20线光谱信号；20线光学频率梳生成模块根据20线光谱信号生成20线光学频率梳。本发明能够达到频率间隔的变化对产生的光学频率梳性能影响不大，并且不存在偏置电压偏差影响的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光学频率梳技术领域，特别是涉及一种光学频率梳生成系统及方法。
背景技术
在过去三十多年中，光学频率梳因其在光学任意波形产生、光子微波信号处理和波分复用等方面的广泛应用而受到越来越多学者的关注，这些应用都需要具有大量梳状线的平坦光学频率梳。基于此，人们提出了很多产生光学频率梳的方法，例如，锁模激光器法和外调制器法；其中，外调制器法产生的光学频率梳具有平坦度较低、梳线数目理想、带宽较宽和带外抑制比较高等优势。系统过程一般简单可控，只需控制驱动信号的频率、幅度和相位等参数就可以改变产生光学频率梳的性能。同时，外调制器法还细分为：相位调制器法、强度调制器法、偏振调制器法、马赫曾德尔调制器法以及各器件间级联搭配的方法。
近些年来，偏振调制器因其对光谱的利用率高且无需直流偏置，在光学频率梳的产生中应用较为广泛。Fangzheng Zhang等人提出一种基于单个偏振调制器的光学频率梳产生方案，该方案使用复杂的系统结构仅生成了7条梳状线。Cihai Chen等人提出一种将偏振调制器和相位调制器作为一个整体用于产生光学频率梳方案，其中9、11和13条梳状线可以用相对较低的射频功率生成，如果应用较高的射频功率，可以获得15、17和19条梳状线，但13和15条梳状线的平坦度不是很好。此外，该方案使用移相器为射频源提供相位差，移相器限制了光学频率梳(Optical Frequency Comb，简称OFC)的频率间隔可调范围。Chao He等人提出了一种产生稳定可调谐的25条梳状线光学频率梳的方法，该方法基于两个级联偏振调制器提出，但必须将7个参数的值调到非常精确且调制指数较大。Xiuping Lv等人提出了一种基于偏振调制器和双平行马赫曾德尔调制器的方法，虽然产生了平坦度在1dB以内的35条光学频率梳，但射频信号由倍频产生，导致频率间隔小并且系统存在直流偏移的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学频率梳生成系统及方法，以达到频率间隔的变化对产生的光学频率梳性能影响不大，并且不存在偏置电压偏差影响的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
第一方面，一种光学频率梳生成系统，至少包括7线光学频率梳生成模块、谱线频谱拓宽模块和20线光学频率梳生成模块；
所述7线光学频率梳生成模块至少包括外腔激光器、第一偏振控制器、偏振调制器、第二偏振控制器和检偏器；
所述外腔激光器用于产生角频率为目标角频率的连续光信号；
所述第一偏振控制器位于所述连续光信号的传播路径上，所述第一偏振控制器用于将所述连续光信号转换成线偏振光信号；
所述偏振调制器位于所述线偏振光信号的传播路径上，所述线偏振光信号经由第一目标驱动电压驱动的所述偏振调制器偏振调制后形成偏振调制光谱信号；
所述第二偏振控制器位于所述偏振调制光谱信号的传播路径上，所述第二偏振控制器用于调节所述偏振调制光谱信号的偏振方向，得到偏振方向调节后的偏振调制光谱信号；
所述检偏器位于所述偏振方向调节后的偏振调制光谱信号的传播路径上，所述检偏器用于将所述偏振方向调节后的偏振调制光谱信号进行由偏振调制到强度调制的转换，得到光场强度信号；所述光场强度信号用于生成7线光学频率梳；
所述谱线频谱拓宽模块至少包括第一相位调制器；
所述第一相位调制器位于所述光场强度信号的传播路径上，所述光场强度信号经由第二目标驱动电压驱动的所述第一相位调制器相位调制后形成得到20线光谱信号；
所述20线光学频率梳生成模块至少包括：第二相位调制器；
所述第二相位调制器位于所述20线光谱信号的传播路径上，所述20线光谱信号经由第三目标驱动电压驱动的所述第三相位调制器相位调制后形成20线光学频率梳。
第二方面，本发明提供了一种光学频率梳生成方法，包括：
搭建第一方面所述的光学频率梳生成系统；
依次经过外腔激光器、第一偏振控制器、偏振调制器、第二偏振控制器和检偏器处理后，生成7线光学频率梳；
通过第一相位调制器对所述7线光学频率梳进行谱线频谱拓宽，生成20线光谱信号；
通过第二相位调制器对所述20线光谱信号进行相位调制，生成20线光学频率梳。
可选地，还包括：根据20线光学频率梳的设计需求，确定所述外腔激光器的产生连续光信号角频率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种光学频率梳生成系统及方法，通过偏振调制器和级联两个相位调制器来生成，级联相位调制器是为了进行频谱拓宽以生成更多的谱线，并通过给第二个相位调制器一个频率偏移来产生平坦的光学频率梳。通过调整射频信号的频率间隔，生成频率间隔为10GHz、20GHz和30GHz、平坦度在3dB以内的三种形式的20线光学频率梳，并且频率间隔的变化对生成光学频率梳的性能影响不大。在本发明中，不存在偏置电压偏差对光学频率梳的影响。该方案相对简单、稳定、带宽大，可以很好地应用于大容量光通信系统、微波光子学、光学任意波形产生和光谱测量等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所公开的光学频率梳生成系统的分步式结构图；
图2为本发明所公开的光学频率梳生成系统的结构示意图一；
图3为本发明所公开的光学频率梳生成系统的结构示意图二；
图4为本发明所公开的偏振调制器原理结构图；
图5为本发明所公开的偏振调制器输出光谱图；
图6为本发明所公开的偏振控制器原理结构图；
图7为本发明所公开的偏振控制器输出光谱图；
图8为本发明所公开的平坦度为1.44dB的7线光学频率梳的光谱图；
图9为本发明所公开的产生20线的相位调制器输出光谱图；
图10为本发明所公开的平坦度为2.03dB的20线光学频率梳的光谱图；
图11为本发明所公开的光学频率梳生成方法的流程示意图；
图12为本发明所公开的不同频率间隔的7线光学频率梳的光谱图；图12中(a)为频率间隔为10GHz的7线光学频率梳的光谱图；图12中(b)为频率间隔为20GHz的7线光学频率梳的光谱图；图12中(c)为频率间隔为30GHz的7线光学频率梳的光谱图；
图13为本发明所公开的不同频率间隔的20线光学频率梳的光谱图；图13中(a)为频率间隔为10GHz的20线光学频率梳的光谱图；图13中(b)为频率间隔为20GHz的20线光学频率梳的光谱图；图13中(c)为频率间隔为30GHz的20线光学频率梳的光谱图；
图14为本发明所公开的不同频率间隔的20线光学频率梳图；图14中(a)为频率间隔为10GHz的20线光学频率梳图；图14中(b)为频率间隔为20GHz的20线光学频率梳图；图14中(c)为频率间隔为30GHz的20线光学频率梳图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
为产生频率间隔可调、平坦且带宽大的稳定光学频率梳，本发明实施例提供了一种光学频率梳生成系统。为了便于对系统性能进行分析以及保证每一步仿真结果的正确性，将本发明实施例提供的光学频率梳生成系统拆分为三部分，如图1所示，分别为7线光学频率梳生成模块、谱线频谱拓宽模块和20线光学频率梳生成模块。
为了进一步介绍本发明实施例提供的一种光学频率梳生成系统，本发明实施例提供了如图2和图3所示的光学频率梳生成系统。其中，该系统由1个外腔激光器、2个射频信号源、2个偏振控制器、1个检偏器、1个偏振调制器、2个相位调制器、3个电放大器、1个光放大器、1个光谱分析仪组成
在图2中，CW表示外腔激光器，PC1表示第一偏振控制器，PC2表示第二偏振控制器，fs表示射频信号源，PoIM表示偏振调制器，PoI表示检偏器，EA表示电放大器，PM1表示第一相位调制器，PM2表示第二相位调制器，EDFA表示光放大器，OSA表示光谱分析仪，△f表示频率偏移。
所述7线光学频率梳生成模块至少包括外腔激光器、第一偏振控制器、偏振调制器、第二偏振控制器和检偏器。
所述外腔激光器1用于产生角频率为目标角频率的连续光信号。
所述第一偏振控制器2位于所述连续光信号的传播路径上，所述第一偏振控制器2用于将所述连续光信号转换成线偏振光信号。
所述偏振调制器3位于所述线偏振光信号的传播路径上，所述线偏振光信号经由第一目标驱动电压驱动的所述偏振调制器3偏振调制后形成偏振调制光谱信号。
进一步地，如图4所示，本发明实施例所述的偏振调制器3包括偏振分束器、第三相位调制器、第四相位调制器和偏振合束器。
所述偏振分束器用于将所述线偏振光信号分束为第一光信号和第二光信号；所述第一光信号和所述第二光信号为两个偏振态互相垂直的光信号。
所述第三相位调制器用于对所述第一光信号进行相位调制，得到相位调制后的第一光信号；所述第四相位调制器用于对所述第二光信号进行相位调制，得到相位调制后的第二光信号；其中，对所述第一光信号进行相位调制时的相位与对所述第二光信号进行相位调制时的相位相反。
所述偏振合束器用于将所述相位调制后的第一光信号和所述相位调制后的第二光信号进行合束操作，得到偏振调制光谱信号。
进一步地，本发明实施例提供的光学频率梳生成系统，还包括：第一射频信号源4、第一电放大器5和第二电放大器9。
所述第一射频信号源4用于产生第一射频信号。
所述第一电放大器5用于对所述第一射频信号进行第一电放大处理，得到第一目标驱动电压。
所述第二电放大器9，用于：
对所述第一射频信号进行第二电放大处理，得到第二目标驱动电压。
或者，基于外界提供的频率偏移量所述第一射频信号进行第二电放大处理，得到第二目标驱动电压。
一个示例为：外腔激光器1产生目标角频率为w0的连续光信号，经过第一偏振控制器2后变为线偏振光信号，并以45°进入偏振调制器3，在进入偏振调制器3前的线偏振光信号表达式如下所示。
其中，Ein为输入的线偏振光信号，P为输入的线偏振光信号的光强，w0为输入的线偏振光信号的角频率，也为连续光的目标角频率。
在线偏振光进入偏振调制器3后，会由集成在偏振调制器3前端的偏振分束器分成两个偏振态互相垂直的光，即第一光信号和第二光信号，并在偏振调制器3的两个轴上分别传输。
此时频率为20GHz的第一射频信号源4经第一电放大器5后，以第一目标驱动电压，例如5.9381V的电压，对偏振调制器3进行偏振调制，会使偏振调制器3两个正交轴上的光信号进行相位相反的相位调制，其表达式可以表示为
其中，wm1为第一射频信号源4的角频率，为偏振调制器的调制系数，A1为第一射频信号源4经过第一电放大器5后的驱动电压，Vπ1为偏振调制器的半波电压，在本示例中，设置的半波电压为3.5V，偏振调制器3的输出光谱图如图5所示。
所述第二偏振控制器6位于所述偏振调制光谱信号的传播路径上，所述第二偏振控制器6用于调节所述偏振调制光谱信号的偏振方向，得到偏振方向调节后的偏振调制光谱信号。
所述检偏器7位于所述偏振方向调节后的偏振调制光谱信号的传播路径上，所述检偏器7用于将所述偏振方向调节后的偏振调制光谱信号进行由偏振调制到强度调制的转换，得到光场强度信号；所述光场强度信号用于生成7线光学频率梳。
其中，如图6所示，按照所述偏振调制光谱信号传播方向，所述第二偏振控制器依次设置有第一四分之一波片、二分之一波片和第二四分之一波片。
所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片的旋转角度3.51°，所述二分之一波片的旋转角度为2.34°。
一个示例为：第二偏振控制器6输出的光谱图经过检偏器7，可以实现偏振调制后的光信号由偏振调制到强度调制的转换，转换后的光场强度表达式可以表示为：
其中，φ为偏振调制器3上两个轴的相位差，α为偏振调制器3上一个轴与检偏器7产生的夹角，Eo1为检偏器输出的光场强度。
在本示例中，设置检偏器7的旋转角度为-36°，最终可获得如图8所示的平坦的输出光谱图，即为平坦度为1.44dB的7线光学频率梳。
所述谱线频谱拓宽模块至少包括第一相位调制器8。
所述第一相位调制器8位于所述光场强度信号的传播路径上，所述光场强度信号经由第二目标驱动电压驱动的所述第一相位调制器8相位调制后形成得到20线光谱信号。
一个示例：频率为20GHz的第一射频信号源4经第二电放大器9后，以第二目标驱动电压，即5.8645V的电压，驱动第一相位调制器8，其表达式可以表示为：
其中，为第一相位调制器8的调制系数，A2为第一射频信号源4经过第二电放大器9后的驱动电压，Vπ2为第一相位调制器9的半波电压。基于雅可比-安格尔恒等式，公式(4)中的信号可以展开为
其中，Jn表示第一类贝塞尔函数的第n阶，在本示例中，设置的第一相位调制器9的半波电压为4V，其输出光谱如图9所示。
所述20线光学频率梳生成模块至少包括：第二相位调制器10。
所述第二相位调制器位于所述20线光谱信号的传播路径上，所述20线光谱信号经由第三目标驱动电压驱动的所述第三相位调制器相位调制后形成20线光学频率梳。
进一步地，本发明实施例提供的一种光学频率梳生成系统，还包括：第二射频信号源11和第三电放大器12。
所述第二射频信号源11用于产生第二射频信号。
所述第三电放大器12用于对所述第二射频信号进行第三电放大处理，得到第三目标驱动电压。
进一步地，本发明实施例提供的一种光学频率梳生成系统，还包括：光放大器13和光谱分析仪14。
所述第二相位调制器10用于对所述20线光谱信号进行相位调制，形成初步20线光学频率梳。
所述光放大器13用于对所述初步20线光学频率梳进行放大处理，得到最终的20线光学频率梳。
所述光谱分析仪14用于输出最终的20线光学频率梳。
一个示例：频率为20.0008GHz的第二射频信号源11经第三电放大器12后，以第三目标驱动电压，例如4.6353V的电压，驱动第二相位调制器10，其表达式可以表示为
其中，wm2为第二射频信号源11的角频率，为第二相位调制器10的调制系数，A3为第二射频信号源11经过第三电放大器12后的驱动电压，Vπ3为第二相位调制器10的半波电压，在本示例中，第二相位调制器10的半波电压为4V。
随后经光放大器14进行光功率的放大，光谱分析仪14的输出光谱图如图10所示。
本发明还提供了一种光学频率梳生成方法。如图11所示，该方法包括：
步骤100：搭建实施例一所述的光学频率梳生成系统。
步骤200：依次经过外腔激光器、第一偏振控制器、偏振调制器、第二偏振控制器和检偏器处理后，生成7线光学频率梳；
步骤300：通过第一相位调制器对所述7线光学频率梳进行谱线频谱拓宽，生成20线光谱信号；
步骤400：通过第二相位调制器对所述20线光谱信号进行相位调制，生成20线光学频率梳。
进一步地，本发明实施例提供的方法还包括：根据20线光学频率梳的设计需求，确定所述外腔激光器的产生连续光信号角频率。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)本发明使用偏振调制器产生光学频率梳，其产生的光学频率梳信噪比高，频率稳定，其产生的光学频率梳的频率便于调节。相对于使用马赫曾德尔调制器作为外部调制器产生光学频率梳的系统，本发明使用偏振调制器作为外部调制器，不需要直流偏置，并且没有偏置漂移的影响，产生的光学频率梳非常稳定。如果想改变产生光学频率梳频率的间隔，只需调整外腔激光器的产生频率，无需改变第一射频信号源和第二射频信号源的电压幅度等参数，且不同频率间隔情况下的光学频率梳平坦度均小于2dB，详细参见图13。
(2)本发明可以产生了200GHz、400GHz、600GHz带宽的光学频率梳。相对于其他使用偏振调制器产生光学频率梳的系统，本发明产生的光学频率梳的带宽大，梳齿数目多，系统结构简单，频率间隔可调。本发明没有使用移相器，从而避免了限制频率调节范围的缺陷；本发明所需调整的参数个数少于其他系统中参数个数，且产生光学频率梳性能好，调制指数小，不同频率间隔情况下的光学频率梳平坦度均小于3dB。为了更清楚地看到光学频率梳的平整度，分别放大了三种频率间隔下的光学频率梳的上部，详细参见图13和图14。
(3)本发明给第二射频信号源一个较小的频率偏移800(kHz)来驱动第二相位调制器。相对于使用强度调制器来调节光学频率梳的平坦度，本发明采用频率偏移方法即可达到同样的效果，且无需考虑直流偏置电压带来的直流偏移的影响。同时基于相位调制器的梳齿通常具有更低的插入损耗，所以产生的光学频率梳更加稳定。
(4)在本发明中，频率间隔的变化对产生的光学频率梳性能影响不大，并且不存在偏置电压偏差的影响。本发明相对简单、稳定、带宽大，可以很好地应用于大容量光通信系统、微波光子学、光学任意波形产生和光谱测量等领域。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种光学频率梳生成系统，其特征在于，至少包括7线光学频率梳生成模块、谱线频谱拓宽模块和20线光学频率梳生成模块；
所述7线光学频率梳生成模块至少包括外腔激光器、第一偏振控制器、偏振调制器、第二偏振控制器和检偏器；
所述外腔激光器用于产生角频率为目标角频率的连续光信号；
所述第一偏振控制器位于所述连续光信号的传播路径上，所述第一偏振控制器用于将所述连续光信号转换成线偏振光信号；
所述偏振调制器位于所述线偏振光信号的传播路径上，所述线偏振光信号经由第一目标驱动电压驱动的所述偏振调制器偏振调制后形成偏振调制光谱信号；
所述第二偏振控制器位于所述偏振调制光谱信号的传播路径上，所述第二偏振控制器用于调节所述偏振调制光谱信号的偏振方向，得到偏振方向调节后的偏振调制光谱信号；
所述检偏器位于所述偏振方向调节后的偏振调制光谱信号的传播路径上，所述检偏器用于将所述偏振方向调节后的偏振调制光谱信号进行由偏振调制到强度调制的转换，得到光场强度信号；所述光场强度信号用于生成7线光学频率梳；
所述谱线频谱拓宽模块至少包括第一相位调制器；
所述第一相位调制器位于所述光场强度信号的传播路径上，所述光场强度信号经由第二目标驱动电压驱动的所述第一相位调制器相位调制后形成得到20线光谱信号；
所述20线光学频率梳生成模块至少包括：第二相位调制器；
所述第二相位调制器位于所述20线光谱信号的传播路径上，所述20线光谱信号经由第三目标驱动电压驱动的所述第二相位调制器相位调制后形成20线光学频率梳。
2.根据权利要求1所述的一种光学频率梳生成系统，其特征在于，所述偏振调制器包括偏振分束器、第三相位调制器、第四相位调制器和偏振合束器；
所述偏振分束器用于将所述线偏振光信号分束为第一光信号和第二光信号；所述第一光信号和所述第二光信号为两个偏振态互相垂直的光信号；
所述第三相位调制器用于对所述第一光信号进行相位调制，得到相位调制后的第一光信号；所述第四相位调制器用于对所述第二光信号进行相位调制，得到相位调制后的第二光信号；其中，对所述第一光信号进行相位调制时的相位与对所述第二光信号进行相位调制时的相位相反；
所述偏振合束器用于将所述相位调制后的第一光信号和所述相位调制后的第二光信号进行合束操作，得到偏振调制光谱信号。
3.根据权利要求1所述的一种光学频率梳生成系统，其特征在于，还包括：第一射频信号源、第一电放大器和第二电放大器；
所述第一射频信号源用于产生第一射频信号；
所述第一电放大器用于对所述第一射频信号进行第一电放大处理，得到第一目标驱动电压；
所述第二电放大器用于对所述第一射频信号进行第二电放大处理，得到第二目标驱动电压。
4.根据权利要求1所述的一种光学频率梳生成系统，其特征在于，按照所述偏振调制光谱信号传播方向，所述第二偏振控制器依次设置有第一四分之一波片、二分之一波片和第二四分之一波片；
所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片的旋转角度3.51°，所述二分之一波片的旋转角度为2.34°。
5.根据权利要求1所述的一种光学频率梳生成系统，其特征在于，所述检偏器的旋转角度为-36°。
6.根据权利要求1所述的一种光学频率梳生成系统，其特征在于，还包括第二射频信号源和第三电放大器；
所述第二射频信号源用于产生第二射频信号；
所述第三电放大器用于对所述第二射频信号进行第三电放大处理，得到第三目标驱动电压。
7.根据权利要求1所述的一种光学频率梳生成系统，其特征在于，还包括：光放大器和光谱分析仪；
所述第二相位调制器用于对所述20线光谱信号进行相位调制，形成初步20线光学频率梳；
所述光放大器用于对所述初步20线光学频率梳进行放大处理，得到最终的20线光学频率梳；
所述光谱分析仪用于输出最终的20线光学频率梳。
8.根据权利要求1所述的一种光学频率梳生成系统，其特征在于，所述7线光学频率梳的平坦度为1.44dB；所述20线光学频率梳的平坦度为2.03dB。
9.一种光学频率梳生成方法，其特征在于，包括：
搭建权利要求1-8任一项所述的光学频率梳生成系统；
依次经过外腔激光器、第一偏振控制器、偏振调制器、第二偏振控制器和检偏器处理后，生成7线光学频率梳；
通过第一相位调制器对所述7线光学频率梳进行谱线频谱拓宽，生成20线光谱信号；
通过第二相位调制器对所述20线光谱信号进行相位调制，生成20线光学频率梳。
10.根据权利要求9所述的一种光学频率梳生成方法，其特征在于，还包括：根据20线光学频率梳的设计需求，确定所述外腔激光器的产生连续光信号角频率。
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