CN116047830A - 一种基于光学频率梳的任意波形产生装置 - Google Patents

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CN116047830A CN202211564768.2A CN202211564768A CN116047830A CN 116047830 A CN116047830 A CN 116047830A CN 202211564768 A CN202211564768 A CN 202211564768A CN 116047830 A CN116047830 A CN 116047830A
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张雨春
李浩然
邱琪
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Abstract

本发明属于微波光子信号生成技术领域，具体提供一种基于光学频率梳的任意波形产生装置，用以平衡光学频率梳的梳线数目、频率间隔、平坦度指标，使其能够更好的应用于任意波形产生技术领域。本发明包括光频梳发生器部分与频谱整形部分，光频梳发生器部分包括可调谐激光器(CW)、第一双平行马赫‑增德尔调制器(DPMZM1)与第二双平行马赫‑增德尔调制器(DPMZM2)；本发明通过合理设置双平行马赫‑增德尔调制器的上下臂工作状态，提高了生成光学频率梳的平坦度，通过级联双平行马赫‑增德尔调制器增加了生成光学频率梳的梳线数目；并且本发明产生的任意波形具有整形效果好、占空比高的优点。

Description

一种基于光学频率梳的任意波形产生装置
技术领域
本发明属于微波光子信号生成技术领域，具体提供一种基于光学频率梳的任意波形产生装置。
背景技术
任意波形产生技术在光纤通信领域有着许多的应用，如产生超短脉冲作为脉冲源、光时钟，对光纤通信中码型进行变换，提高通信性能等；任意波形产生一般是通过一定的方法(时域或者频域)对超短脉冲进行控制，从而得到不同时域波形的超短脉冲。基于光学频率梳的任意波形产生技术主要包括两个关键点，一是要产生一个重复频率可调且稳定平坦的光学频率梳，二是要有一个能够对入射光学频率梳谱线进行逐线控制的脉冲整形装置；由此可见，设计任意波形产生装置首先要设计出一种适合应用于任意波形产生的光学频率梳。
基于锁模激光器产生的光学频率梳具有稳定性和相干性好的特点，但是由于其频率间隔较小，因此无法进行逐线整形，会严重影响输出波形的占空比。基于非线性效应产生的光学频率梳的频率间隔很大，可以进行逐线整形，但平坦度很差，会严重影响输出波形的整形效果。基于电光调制器产生的光学频率梳因其结构简单、频率间隔和平坦度指标介于锁模激光器和非线性效应产生的光学频率梳之间，而被广泛应用于任意波形产生领域，但是通过电光调制器产生的光学频率梳往往梳线数目较少，不能满足任意波形产生领域的需求。因此，如何平衡电光调制器产生的光学频率梳的梳线数目、频率间隔、平坦度指标，使其满足任意波形产生技术领域的需求成为了研究重点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中电光调制器法产生光学频率梳的技术缺陷，提出一种基于光学频率梳的任意波形产生装置；本发明基于级联双平行马赫-增德尔调制器产生的光学频率梳做到了频率间隔、梳线数目、平坦度指标的平衡，使其符合任意波形产生技术领域的需求，并且本发明产生的任意波形具有整形效果好、占空比高的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于光学频率梳的任意波形产生装置，包括：光频梳发生器部分与频谱整形部分；其特征在于，
所述光频梳发生器部分包括：可调谐激光器(CW)、第一双平行马赫-增德尔调制器(DPMZM1)与第二双平行马赫-增德尔调制器(DPMZM2)，可调谐激光器输出光信号进入第一双平行马赫-增德尔调制器进行调制，调制后光信号进入第二双平行马赫-增德尔调制器进行再次调制，第二双平行马赫-增德尔调制器输出光学频率梳；
所述频谱整形部分包括：第一光环形器(CIR1)、第二光环形器(CIR2)、第一光耦合器(OC1)、第二光耦合器(OC2)、第一布拉格光栅阵列与第二布拉格光栅阵列，光学频率梳经过第一光耦合器分成两路，两路光信号分别从第一、第二光环形器的第一端口输入，由第一、第二光环形器的第二端口输出进入第一、第二布拉格光栅阵列；第一、第二布拉格光栅阵列分别输出反射光信号，两路反射光信号分别从第一、第二光环形器的第二端口输入，由第一、第二光环形器的第三端口输出；两路反射光信号再经第二光耦合器进行耦合，得到目标波形信号。
进一步的，所述第一双平行马赫-增德尔调制器中，上臂工作在最大传输点、下臂工作在最小传输点，上、下臂射频调制信号的角频率相同，第二双平行马赫-增德尔调制器中上、下臂工作状态与第一双平行马赫-增德尔调制器相同；并且，第一、第二双平行马赫-增德尔调制器中上臂的射频调制信号的角频率ωRF1、ωRF4满足：ωRF1＝5ωRF4，第一、第二双平行马赫-增德尔调制器中的直流偏置电压VDC3、VDC6为0V。
进一步的，所述第一双平行马赫-增德尔调制器中，上臂的调制系数m1＝1.839，下臂的调制系数m2＝3.05；所述第二双平行马赫-增德尔调制器中，上臂的调制系数m4＝m1，下臂的调制系数m5＝m2。
进一步的，所述第一布拉格光栅阵列与第二布拉格光栅阵列采用相同结构，由多个光纤拉伸器(FS)和多个布拉格光栅(FBG)组成，其中，布拉格光栅用于完成光学频率梳谱线分离，光纤拉伸器用于完成每条谱线的相位调整。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于光学频率梳的任意波形产生装置，通过合理设置双平行马赫-增德尔调制器的上下臂工作状态，提高了生成光学频率梳的平坦度，通过级联双平行马赫-增德尔调制器增加了生成光学频率梳的梳线数目；最终使得本发明能够平衡电光调制器产生的光学频率梳的梳线数目、频率间隔、平坦度指标，使其能够更好的应用于任意波形产生技术领域，并且本发明产生的任意波形具有整形效果好、占空比高的优点。
附图说明
图1为本发明提供的基于光学频率梳的任意波形产生装置的结构示意图。
图2为本发明提供的光频梳发生器产生的光学频率梳。
图3为本发明提供的基于光学频率梳的任意波形产生装置产生的锯齿波和三角波波形图。
图4为本发明提供的基于光学频率梳的任意波形产生装置产生的高斯波和方波波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种基于光学频率梳的任意波形产生装置，其结构如图1所示，包括光频梳发生器和频谱整形两大部分；其中，
所述光频梳发生器部分包括：可调谐激光器(CW)、第一双平行马赫-增德尔调制器(DPMZM1)与第二双平行马赫-增德尔调制器(DPMZM2)；所述频谱整形部分包括：第一光环形器(CIR1)、第二光环形器(CIR2)、第一光耦合器(OC1)、第二光耦合器(OC2)、第一布拉格光栅阵列与第二布拉格光栅阵列，第一布拉格光栅阵列与第二布拉格光栅阵列采用相同结构，由多个光纤拉伸器(FS)和多个布拉格光栅(FBG)组成；
所述光频梳发生器部分中，可调谐激光器输出光信号进入DPMZM1进行调制，调制后光信号再进入DPMZM2进行调制，DPMZM2输出频谱整形所需的光学频率梳；
所述频谱整形部分中，光频梳发生器产生的光学频率梳经过第一光耦合器分成两路，一路从第一光环形器的1端口输入、由第一光环形器的2端口输出进入第一布拉格光栅阵列，另一路从第二光环形器的1端口输入、由第二光环形器的2端口输出进入第二布拉格光栅阵列；两路光信号分别在第一、第二布拉格光栅阵列中通过FBG完成光学频率梳谱线分离，再通过光纤拉伸器完成每条谱线的相位调整；两路反射光信号再分别从第一、第二光环形器的2端口输入，由第一、第二光环形器的3端口输出；两路反射光信号再经第二光耦合器进行耦合后，得到生成的任意波形信号。
进一步地，假设可调谐激光器的输出光信号Ein(t)和双平行马赫-增德尔调制器的射频调制信号Vi(t)的表达式为：
Ein(t)＝E0 exp(jω0t)
Vi(t)＝VRFi sin(ωRFit)
其中，E0和ω0分别是输出光信号的振幅和角频率，VRFi和ωRFi分别是射频调制信号的调制幅度和角频率，i＝1,2,4,5；
设置DPMZM1的上臂工作在最大传输点、下臂工作在最小传输点，VDC3为0V；则经过DPMZM1调制后的输出光信号表达式为：
Figure BDA0003985740400000041
其中，m1＝πVRF1/Vπ、m2＝πVRF2/Vπ分别是DPMZM1上、下两臂的调制系数，
Figure BDA0003985740400000042
分别是加载在DPMZM1上、下两臂上的直流偏置电压引起的相位变化，VDC1、VDC2分别是DPMZM1上、下两臂的直流偏置电压，Vπ为双平行马赫-增德尔调制器的半波电压，Jn(m1)、Jn(m2)是n阶第一类贝塞尔函数；
则载波、正负一阶边带、正负二阶边带的表达式为：
Figure BDA0003985740400000043
Figure BDA0003985740400000044
Figure BDA0003985740400000045
为了使|E0|、|E±1|、|E±2|相等，则令m1＝1.839，m2＝3.05，ωRF1＝ωRF2，就可以使载波、正负一阶边带、正负二阶边带强度相等，生成5线平坦的光学频率梳；
DPMZM1调制后的信号进入DPMZM2继续调制，则调制后的信号可以表示为：
Figure BDA0003985740400000046
Figure BDA0003985740400000047
其中，m4＝πVRF4/Vπ、m5＝πVRF5/Vπ分别是DPMZM2上、下两臂的调制系数,
Figure BDA0003985740400000048
分别是加载在DPMZM2上、下两臂上的直流偏置电压引起的相位变化，VDC4、VDC5分别是DPMZM2上、下两臂的直流偏置电压，Jk(m4)、Jk(m5)是k阶第一类贝塞尔函数；
因此，设置DPMZM2的上下臂工作状态均与DPMZM1相同，且令ωRF1＝5ωRF4，本发明则能够生成25线平坦的光学频率梳。
进一步地，所述频谱整形部分中的第一、第二布拉格光栅阵列中相对应的FBG的中心反射波长应相同，并且第一、第二布拉格光栅阵列中各个FBG的中心反射波长与光学频率梳的对应频谱分量应相等；
假设光频梳发生器产生的平坦的光学频率梳可以表示为：
Figure BDA0003985740400000051
其中，Ω为光学频率梳的角频率间隔，ψn和|Sn|分别为光学频率梳的初始相位和幅度,ωc为光学频率梳的中心角频率,n为谱线的阶数；
再假设第一布拉格光栅阵列中每个FBG的反射率为ρ1n，第二布拉格光栅阵列中每个FBG的反射率为ρ2n，每个阵列中FBG的数目为2N+1，
Figure BDA0003985740400000052
为第一个布拉格光栅阵列对第n条谱线产生的相移，
Figure BDA0003985740400000053
为第二个阵列对第n条谱线产生的相移，则
Figure BDA0003985740400000054
为两个阵列之间的相位差；于是，两个阵列的频率响应可以表示为：
Figure BDA0003985740400000055
Figure BDA0003985740400000056
则最终输出的频谱表达式为：
Figure BDA0003985740400000057
其中，α为光耦合器的功分比，根据表达式可得最终输出的任意波形信号的幅度和相位为：
Figure BDA0003985740400000058
Figure BDA0003985740400000059
由上式可以看出，本发明先调节第一布拉格光栅阵列中的光纤拉伸器来控制第一布拉格光栅阵列中的相移，来实现对谱线相位的控制；之后再通过调节第二布拉格光栅阵列中的光纤拉伸器来控制两个阵列之间的相位差，来实现对谱线幅度的控制，可以计算得到两个阵列之间的相位差
Figure BDA0003985740400000061
以及第一个阵列造成的相移
Figure BDA0003985740400000062
为：
Figure BDA0003985740400000063
Figure BDA0003985740400000064
令光学频率梳的初始幅度|Sn|＝1，初始相位ψn＝0，耦合器的功分比为α＝0.5，FBG的反射系数为|ρ1n|＝|ρ2n|＝1，则两个阵列之间的相位差
Figure BDA0003985740400000065
以及第一个阵列造成的相移
Figure BDA0003985740400000066
可以表示为：
Figure BDA0003985740400000067
Figure BDA0003985740400000068
因此，本发明先对目标波形进行傅里叶变换，得到目标波形的傅里叶幅度系数和傅里叶相位系数，再根据以上公式计算出两个阵列之间的相位差
Figure BDA0003985740400000069
以及第一个阵列造成的相移
Figure BDA00039857404000000610
然后调节两个布拉格光栅阵列中各个光纤拉伸器，使得各条谱线获得的相移为相应的计算得到的值，则最终输出的谱线幅度满足目标波形的傅里叶幅度系数，同时输出的相位满足目标波形的傅里叶相位系数，根据傅里叶变换的原理可知，时域输出的波形为目标波形。
如图2所示为本实施例中基于光学频率梳的任意波形产生装置中光频梳发生器产生的光学频率梳，设置可调谐激光器的中心波长为1550nm，DPMZM1的上臂射频调制信号频率为50GHz、振幅为2.05V，上臂直流偏置电压为0V，下臂射频调制信号频率为50GHz、振幅为0.745V，下臂直流偏置电压为1.75V，两臂半波电压均为为3.5V；DPMZM2的上臂射频调制信号频率为10GHz、振幅为2.05V，上臂直流偏置电压为0V，下臂射频调制信号频率为10GHz、振幅为0.745V，下臂直流偏置电压为1.75V，两臂半波电压均为为3.5V；则得到如图2所示的平坦度为0.56dB、频率间隔为10GHz的25线平坦光学频率梳。
如图3所示为本实施例中基于光学频率梳的任意波形产生装置产生的锯齿波和三角波波形图，在如图2所示的25线光学频率梳中，以1550nm处的谱线为中心谱线，选取15条频率谱线进行频谱整形，设置各个布拉格光栅的中心反射波长与15条谱线相对应，第一布拉格光栅阵列与第二布拉格光栅阵列的相位差
Figure BDA0003985740400000071
分别为169.19°、165.98°、165.07°、158.69°、154.88°、136.28°、76.1322°、0°、76.1322°、136.28°、154.88°、158.69°、165.07°、165.98°、169.19°，并且通过调整第一布拉格光栅阵列中的光纤拉伸器使各条谱线之间的相位pn均为0°，则整形得到的锯齿波归一化幅度谱和相位谱如图3中(a)所示，得到的锯齿波如图3中(b)所示；同样地，设置第一布拉格光栅阵列与第二布拉格光栅阵列的相位差
Figure BDA0003985740400000072
分别为175.90°、174.73°、178.28°、179.06°、162.86°、123.28°、65.91°、0°、65.91°、123.28°、162.86°、179.06°、178.28°、174.73°、175.90°，并且通过调整第一布拉格光栅阵列中的光纤拉伸器使各条谱线之间的相位pn均为0°，则整形得到的三角波归一化幅度谱和相位谱如图3中(c)所示，得到的三角波如图3中(d)所示；由波形图可知，本实施例生成的锯齿波和三角波与理想的锯齿波和三角波拟合效果良好。
如图4所示为本实施例中基于光学频率梳的任意波形产生装置产生的高斯波和方波波形图，在如图2所示的25线光学频率梳中，以1550nm处的谱线为中心谱线，选取13条频率谱线进行频谱整形，设置各个布拉格光栅的中心反射波长与13条谱线相对应，并且设置第一布拉格光栅阵列与第二布拉格光栅阵列的相位差
Figure BDA0003985740400000073
分别为123.33°、106.85°、88.22°、67.80°、46.00°、23.24°、0°、23.24°、46.00°、67.80°、88.22°、106.85°、123.33°，并且通过调整第一布拉格光栅阵列中的光纤拉伸器使各条谱线之间的相位pn均为0°，则整形得到的高斯波归一化幅度谱和相位谱如图4中(a)所示，得到的高斯波如图4中(b)所示；同样地，在如图2所示的25线光学频率梳中，以1550nm处的谱线为中心谱线，选取19条频率谱线进行频谱整形，设置各个布拉格光栅的中心反射波长与19条谱线相对应，第一布拉格光栅阵列与第二布拉格光栅阵列的相位差
Figure BDA0003985740400000074
分别为155.12°、160.66°、172.65°、169.57°、147.13°、121.21°、92.82°、31.61°、0°、31.61°、92.82°、121.21°、147.13°、169.57°、172.65°、160.66°、155.12°，并且通过调整第一布拉格光栅阵列中的光纤拉伸器使各条谱线之间的相位pn均为0°，则整形得到的方波归一化幅度谱和相位谱如图4中(c)所示，得到的方波如图4中(d)所示；由波形图可知，本实施例生成的高斯波和方波与理想的高斯波和方波拟合效果良好。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种基于光学频率梳的任意波形产生装置，包括：光频梳发生器部分与频谱整形部分；其特征在于，
所述光频梳发生器部分包括：可调谐激光器(CW)、第一双平行马赫-增德尔调制器(DPMZM1)与第二双平行马赫-增德尔调制器(DPMZM2)，可调谐激光器输出光信号进入第一双平行马赫-增德尔调制器进行调制，调制后光信号进入第二双平行马赫-增德尔调制器进行再次调制，第二双平行马赫-增德尔调制器输出光学频率梳；
所述频谱整形部分包括：第一光环形器(CIR1)、第二光环形器(CIR2)、第一光耦合器(OC1)、第二光耦合器(OC2)、第一布拉格光栅阵列与第二布拉格光栅阵列，光学频率梳经过第一光耦合器分成两路，两路光信号分别从第一、第二光环形器的第一端口输入，由第一、第二光环形器的第二端口输出进入第一、第二布拉格光栅阵列；第一、第二布拉格光栅阵列分别输出反射光信号，两路反射光信号分别从第一、第二光环形器的第二端口输入，由第一、第二光环形器的第三端口输出；两路反射光信号再经第二光耦合器进行耦合，得到目标波形信号。
2.按权利要求1所述基于光学频率梳的任意波形产生装置，其特征在于，所述第一双平行马赫-增德尔调制器中，上臂工作在最大传输点、下臂工作在最小传输点，上、下臂射频调制信号的角频率相同，第二双平行马赫-增德尔调制器中上、下臂工作状态与第一双平行马赫-增德尔调制器相同；并且，第一、第二双平行马赫-增德尔调制器中上臂的射频调制信号的角频率ωRF1、ωRF4满足：ωRF1＝5ωRF4，第一、第二双平行马赫-增德尔调制器中的直流偏置电压VDC3、VDC6为0V。
3.按权利要求1所述基于光学频率梳的任意波形产生装置，其特征在于，所述第一双平行马赫-增德尔调制器中，上臂的调制系数m1＝1.839，下臂的调制系数m2＝3.05；所述第二双平行马赫-增德尔调制器中，上臂的调制系数m4＝m1，下臂的调制系数m5＝m2。
4.按权利要求1所述基于光学频率梳的任意波形产生装置，其特征在于，所述第一布拉格光栅阵列与第二布拉格光栅阵列采用相同结构，由多个光纤拉伸器(FS)和多个布拉格光栅(FBG)组成，其中，布拉格光栅用于完成光学频率梳谱线分离，光纤拉伸器用于完成每条谱线的相位调整。
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