CN117111338A - 相干双光频梳产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相干双光频梳产生装置，包括激光光源、光功分器、第一光频梳产生单元和第二光频梳产生单元；第一光频梳产生单元用于对光功分器第一路输出的激光信号进行电光调制，输出第一光频梳信号；第二光频梳产生单元用于对光功分器第二路输出的激光信号先进行移频后再进行电光调制，输出第二光频梳信号。本发明中，基于同源移频能够同时输出两套光频梳，保证了两套光频梳的相干性；两套光频梳独立产生，可以独立调谐各套光频梳的梳齿间隔、梳齿数量与平坦度，能够用于高精度距离测量、信道化测频和高速通信等系统中。
Description
技术领域
本发明属于微波光子技术领域，涉及一种相干双光频梳产生装置。
背景技术
光频梳是指在光域存在的频谱分离且等间隔分布的光学梳状谱，并且各梳齿之间具有稳定的相位关系(即梳齿间具有相干性)，在时域上光频梳表现为周期超短脉冲序列。基于光频梳特殊的时频特性，其在诸多方面皆有应用前景。例如，在光通信领域光频梳可用作多波长源解决高集成光载波产生问题；在雷达探测领域光频梳可用作宽带任意波形发生器的光学种子源，也可作为高速光采样的种子光源；在电子对抗领域，光频梳可为超宽带信道化接收机提供本振光源。在传感、信号处理等领域，还具有对相干双光频梳的应用需求，且要求双光频梳的梳齿间隔均可灵活调谐，因此，有必要提出一种能够满足上述需求的相干双频梳产生装置。
发明内容
针对上述技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种梳齿间隔可灵活调谐的相干双光频梳产生装置。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种相干双光频梳产生装置，包括
激光光源，用于输出激光信号；
光功分器，用于将激光光源输出的激光信号分为两路分别输出；
第一光频梳产生单元，用于对光功分器输出的第一路激光信号进行电光调制，生成第一光频梳信号；以及
第二光频梳产生单元，用于对光功分器输出的第二路激光信号先进行移频后再进行电光调制，生成第二光频梳信号。
进一步的，所述激光光源为大功率窄线宽的激光器。
进一步的，所述第一光频梳产生单元包括第一电光调制器级联结构和第一光功率放大器，所述第一电光调制器级联结构的射频端口用于连接第一射频信号；所述第一电光调制器级联结构的光输入端用于接入光功分器第一路输出的激光信号，所述第一电光调制器级联结构的输出端与第一光功率放大器的输入端连接。
进一步的，所述第二光频梳产生单元包括光移频器、光滤波器、第二电光调制器级联结构和第二光功率放大器，所述光移频器的射频端口用于连接第三射频信号；所述光移频器的光输入端用于接入光功分器第二路输出的激光信号，所述光移频器的输出端与光滤波器连接，所述光滤波器与第二电光调制器级联结构的输入端连接；所述第二电光调制器级联结构的射频端口用于连接第二射频信号，所述第二电光调制器级联结构的输出端与第二光功率放大器的输入端连接。
进一步的，采用薄膜铌酸锂作为本底实现光功分器、第一电光调制器级联结构、光移频器、光滤波器、第二电光调制器级联结构的单片集成，并采用异构集成的方式将激光光源、第一光功率放大器和第二光功率放大器异构集成在薄膜铌酸锂本底上。
进一步的，所述第一电光调制器级联结构和第二电光调制器级联结构均为马赫曾德尔电光调制器和相位调制器级联的结构。
进一步的，所述光移频器为双平行马赫曾德尔电光调制器。
进一步的，所述光滤波器为双波导耦合微环滤波器。
进一步的，通过优化第一射频信号的驱动功率与第一电光调制器级联结构的马赫曾德尔电光调制器的直流偏置点提高第一光频梳信号的梳齿数量与平坦度；通过优化第二射频信号的驱动功率与第二电光调制器级联结构的马赫曾德尔电光调制器的直流偏置点提高第二光频梳信号的梳齿数量与平坦度。
进一步的，所述光功分器的分光比为9:1。
本发明提出了一种基于同源移频与级联电光调制相结合的相干双光频梳结构，能够同时输出两套光频梳，每套光频梳均采用级联电光调制得到；且两套光频梳采用同一个激光源做载波，保证了两套光频梳的相干性，并通过多芯片集成提高集成度。两套光频梳独立产生，并且可以采用片上移频达到灵活调整两套光频梳之间起始频率差的目的。两套光频梳可通过调节各自驱动射频信号的频率独立调谐各套光频梳的梳齿间隔，并且可通过优化驱动射频信号的驱动功率与马赫曾德尔电光调制器的偏置点提高梳齿数量与平坦度；可在高精度距离测量、信道化测频、高速通信等系统中发挥重要作用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明相干双光频梳产生装置一实施方式的结构框图。
图2为电光调制器级联结构的结构示意图。
图3为电光调制器级联结构输出的梳状光谱的示意图。
图4为基于DPMZM的光移频器的结构示意图。
图5为光移频器移频前后信号的光谱变化示意图。
图6为移频信号在滤波前后的光谱变化示意图。
图7为光频梳1和光频梳2的光谱分布图。
图8为采用薄膜铌酸锂本底集成相干双光频梳产生装置的结构示意图。
图9为移频效率与射频移频信号调制系数的关系示意图。
图10为采用本发明产生的梳齿间隔分别为48.5GHz和50GHz的双光频梳的频谱分布图。
附图中各标号的含义为：
第一光频梳产生单元-100；第一电光调制器级联结构-110；第一光功率放大器-120；
第二光频梳产生单元-200；光移频器-210；主马赫曾德尔电光调制器-220；第一分支马赫曾德尔电光调制器-221；第二分支马赫曾德尔电光调制器-222；光滤波器-230；第二电光调制器级联结构-240；第二光功率放大器-250；
激光器-300；光功分器-400；薄膜铌酸锂本底-500。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本发明相干双光频梳产生装置的一实施方式包括激光光源，所述激光光源可采用大功率窄线宽的激光器300，用于输出大功率窄线宽的激光信号。所述激光器300的输出端连接有光功分器400，所述光功分器400设有第一输出端和第二输出端，用于将激光器300输出的激光信号分为两路分别输出。所述光功分器400的第一输出端连接有第一光频梳产生单元100，所述第一光频梳产生单元100用于对光功分器400第一路输出的激光信号进行电光调制，输出第一光频梳信号(以下简称为光频梳1)。所述光功分器400的第二输出端连接有第二光频梳产生单元200，所述第二光频梳产生单元200用于对光功分器400第二路输出的激光信号先进行移频、滤波后再进行电光调制，输出第二光频梳信号(以下简称为光频梳2)。考虑到第二光频梳产生单元200的移频和滤波所造成的功率损失，所述光功分器400可采用第二输出端和第一输出端的分光比为9:1的功分器。
光频梳的产生方式有多种，比如基于半导体锁模的光频梳产生、基于级联电光调制器的光频梳产生以及基于光波导Kerr非线性的光频梳产生等方法。基于半导体锁模机制产生光频梳虽然可以产生几十GHz到百GHz梳齿间隔的光频梳，但其平坦度较差、输出功率低，且由于半导体激光器300的腔长固定，表现为对应光频梳的梳齿间隔固定，不能调谐，同时也不能产生双光频梳；基于微腔克尔效应的光频梳在孤子态下，可产生高重频、宽光谱覆盖的光频梳，并且具有梳齿数量多、体积小、集成度高等优点，不足之处在于光频梳的平坦度差、调谐范围小且稳定性差；基于分立电光调制器件级联产生的光频梳虽然存在体积大、射频驱动功率高等问题，但是其梳齿间隔可灵活调谐，并且便于同源设计产生相干双光频梳。因此，本实施例中的第一光频梳产生单元100和第二光频梳产生单元200均采用基于电光调制器级联的结构来产生光频梳。
如图2所示，电光调制器级联结构包括级联的马赫曾德尔电光调制器I M和相位调制器PM,马赫曾德尔电光调制器I M和相位调制器PM的射频输入端口均与外部输入的驱动射频信号RF连接。该结构利用电光调制存在的非线性，在调制过程中会产生数量庞大的高阶边带，从而实现梳状谱的产生。如图3所示，为电光调制器级联结构产生的梳状光谱图。电光调制器级联结构的原理如下：
设定输入光信号的光场为上式中P0表示激光器300的输出光功率，ωc表示激光器300的角频率。则电光调制器级联结构输出的光频梳信号EOC(t)可以表示为：
其中,mI表示电光强度调制器IM的强度调制系数，mI＝πVRF/VπRF-IM；VRF表示驱动射频信号RF的电压幅值；VπRF-IM表示电光强度调制器IM的射频半波电压；ωRF表示入的驱动射频信号RF的角频率；φb表示电光强度调制器IM的偏置角，φb＝πVDC/VπDC，VDC表示电光强度调制器IM的直流偏置电压，VπDC表示电光强度调制器IM的直流半波电压；mp为电光相位调制器PM的相位调制系数，mp＝πVRF/VπRF-PM，VπRF-PM表示电光相位调制器PM的射频半波电压；φτ为附加相移；n表示强度调制的边带阶数；k表示相位调制的边带阶数。
从上式可知，经过电光调制器级联结构的级联电光调制后，会产生数量庞大的系列边带从而得到光频梳，边带间距等于调制的射频信号的频率。光频梳梳齿的数量与平坦度取决于强度调制系数与调制器偏置点、相位调制系数。一般而言，相位调制系数越大，梳齿数量越多，但是为了改善平坦度，需要在此基础上进一步优化强度调制系数与马赫曾德尔电光调制器的偏置点位置。例如，可以先根据输入的射频信号的大小确定强度调制系数，然后再找出平坦度较好的马赫曾德尔电光调制器的偏置点位置。
所述第一光频梳产生单元100包括第一电光调制器级联结构110和第一光功率放大器120，所述第一电光调制器级联结构110采用电光调制器级联结构,包括第一马赫曾德尔电光调制器I M1和第一电光相位调制器PM1，所述第一马赫曾德尔电光调制器I M1和第一电光相位调制器PM1的射频输入端口均与第一射频信号RF1连接。所述第一电光调制器级联结构110的输入端用于接入光功分器400第一路输出的激光信号，所述第一电光调制器级联结构110的输出端与第一光功率放大器120的输入端连接。
由于第一光频梳产生单元100的第一马赫曾德尔电光调制器I M1和第一电光相位调制器PM1形成了电光调制器级联结构；因此，以第一射频信号RF1的相关参数作为光频梳信号EOC(t)的表达式中的驱动射频信号RF的参数，以第一马赫曾德尔电光调制器IM1的相关参数作为光频梳信号EOC(t)的表达式中的电光强度调制器I M的参数，以第一电光相位调制器PM1的相关参数作为光频梳信号EOC(t)的表达式中的相位强度调制器PM的参数，即可得到光频梳1的光场表达式。
所述第一光频梳产生单元100的工作过程如下：光功分器400第一路输出的光源作为光载波依次通过第一马赫曾德尔电光调制器I M1和第一电光相位调制器PM1，第一射频信号RF1分别送入第一马赫曾德尔电光调制器I M1和第一电光相位调制器PM1进行电光调制。将得到的信号送入第一光功率放大器120中，经放大后输出光频梳1，可通过第一射频信号RF1控制光频梳1的起点和间隔。
所述第二光频梳产生单元200可以包括光移频器210、光滤波器230、第二电光调制器级联结构240和第二光功率放大器250，所述第二电光调制器级联结构240包括第二马赫曾德尔电光调制器I M2和第二电光相位调制器PM2，所述第二马赫曾德尔电光调制器I M2和第二电光相位调制器PM2的射频输入端口均与第二射频信号RF2连接。所述光移频器210的射频端口与第三射频信号RFs连接,所述光移频器210的输入端用于接入光功分器400第二路输出的激光信号，所述光移频器210的输出端与光滤波器230连接。所述光滤波器230与第二马赫曾德尔电光调制器I M2的输入端连接，所述第二马赫曾德尔电光调制器I M2的输出端与第二电光相位调制器PM2的输入端连接。所述第二电光相位调制器PM2的输出端与第二光功率放大器250的输入端连接，所述第二光功率放大器250的输出端输出放大后的光频梳2。
如图4所示，所述光移频器210可以采用双平行马赫曾德尔电光调制器(DPMZM)，包括主马赫曾德尔电光调制器200(以下简称主MZM)、设置在主MZM第一干涉臂上的第一子马赫曾德尔电光调制器(以下简称子MZM1)和设置在主MZM第二干涉臂上的第二子马赫曾德尔电光调制器(以下简称子MZM2)。其中，子MZM1的直流偏置电压为VDC1，子MZM2的直流偏置电压为VDC2，主MZM的直流偏置电压为VDC3，子MZM1和子MZM2的射频端口均连接第三射频信号RFs。可通过优化偏置点位置实现载波抑制单边带调制，通过改变第三射频信号RFs的频率调整频移量。光移频器210的输出光场EDPMZM(t)可表示为：
其中,ms为移频信号的调制系数，ms＝πVRFs/VπRFs，VRFs表示第三射频信号RFs的电压幅值,VπRFs表示第三射频信号RFs的射频半波电压；ωRFs为第三射频信号RFs的角频率；分别为DPMZM的直流偏置电压VDC1、VDC2、VDC3所引起的光相移，VπDC1表示子MZM1的直流半波电压，VπDC2表示子MZM2的直流半波电压，VπDC3表示主MZM的直流半波电压；θs为输入DPMZM移频信号的相位相差。
当设定DPMZM中的子MZM1和子MZM2均工作在最小传输点主MZM工作在正交偏置点/>输入DPMZM的移频信号相位相差θs＝π/2(θs＝-π/2时，产生负频移)时；光移频器210的输出光场EDPMZM(t)可表示为：
其中，n表示调制边带的阶数，n为整数。
从上式可知，经过DPMZM调制后，将主要信号的能量从载波转移到了一阶边带，从而达到了移频的效果，光移频器210移频前后信号的光谱变化示意图如图5所示。其中，图5(a)为移频前信号的光谱示意图，图5(b)为移频后信号的光谱示意图。
但是，从图5也可以看出，移频后仍然存在高阶调制边带残留引入的杂散，因此为了保证移频后高的频谱纯度，需要采用光滤波器230。光滤波器230的功能是滤除移频过程产生的杂散，因此光滤波器230的结构可以不受约束；例如：可采用波导光栅、微环谐振器等实现，本实施例以光滤波器230采用双波导耦合微环结构为例，通过优化环腔长度、耦合系数即可得到高选择性的滤波响应，并且通过调节环腔长度来改变滤波器中心波长，以保证光滤波器230的中心波长与移频边带对准。如图6所示，为对移频信号进行滤波前后的光谱变化示意图；其中，图6(a)为滤波前信号的光谱示意图，图6(b)为滤波后信号的光谱示意图。
设定光滤波器230的响应特性为h(t)，则移频信号经过滤波后的输出光场EOF(t)可表示为：
经过移频、滤波后的光信号作为载波进入级联的第二马赫曾德尔电光调制器I M2和第二电光相位调制器PM2中，第二射频信号RF2分别送入第二马赫曾德尔电光调制器和第二电光相位调制器PM2进行电光调制，可通过第二射频信号RF2控制光频梳2的起点和间隔。将得到的信号送入第二光功率放大器250中，经放大后输出具有高相干性的光频梳2，即得到具有一定频移且间隔可任意调节的相干双光频梳，如图7所示。
由于第二光频梳产生单元200的第二马赫曾德尔电光调制器I M2和第二电光相位调制器PM2形成了电光调制器级联结构，因此，以第二射频信号RF2的相关参数作为光频梳信号EOC(t)的表达式中的驱动射频信号RF的参数，以第二马赫曾德尔电光调制器I M2的相关参数作为光频梳信号EOC(t)的表达式中的电光强度调制器I M的参数，以第二电光相位调制器PM2的相关参数作为光频梳信号EOC(t)的表达式中的相位强度调制器PM的参数，即可得到光频梳1的光场表达式。
所述第二光频梳产生单元200的工作过程如下：光功分器400第二路输出的光源先经过光移频器210进行移频，然后通过光滤波器230对移频后的信号进行滤波。将滤波后输出的信号作为光载波依次通过第二马赫曾德尔电光调制器I M2和第二电光相位调制器PM2，第二射频信号RF2分别送入第二马赫曾德尔电光调制器I M2和第二电光相位调制器PM2进行电光调制。将得到的信号送入第二光功率放大器250中，经放大后输出光频梳2，可通过第二射频信号RF2控制光频梳2的起点和间隔。
如图8所示，为提高相干双光频梳产生装置的集成度，可以采用薄膜铌酸锂作为本底实现光功分器400、第一马赫曾德尔电光调制器I M1、第一电光相位调制器PM1、光移频器210、光滤波器230、第二马赫曾德尔电光调制器I M2和第二电光相位调制器PM2的单片集成，并采用异构集成的方式将激光器300、第一光功率放大器120和第二光功率放大器250异构集成在薄膜铌酸锂本底500上。
下面以一个具体的实例对本发明进行说明，为了满足典型的2-18GHz微波光子信道化需求，本实例的相干双光频梳产生装置设计产生梳齿间隔分别为48.5GHz与50GHz的两套相干光频梳，并且光频梳基准频率差为1.5GHz。其中激光光源采用C波段窄线宽激光器300，输出功率为20dBm；光功分器400分光比设定为9:1，移频器采用DPMZM调制实现，移频效率与射频移频信号调制系数的关系如图9所示。从图9中可知，当移频信号调制系数mRFs＝0.58π时，移频效率达到最大，约为-4.7dB。光滤波器230采用双波导耦合微环结构。对于产生的两套光频梳，为了满足基准频率差的要求，梳齿间隔为50GHz的光频梳的频率要整体移动15GHz，通过优化强度调制系数与偏置点位置、优化相位调制系数(参数取值如下表所示)，产生了光频梳梳齿数量为21根，梳齿平坦度优于2dB的相干双光频梳，其频谱分布如图10所示。
本实施例提供了一种基于同源移频与级联电光调制相结合的相干双光频梳产生与集成方法，具有以下优点:
首先，本实施例采用了电光调制器级联结构产生光频梳，具有光频梳的梳齿间隔可连续、大范围灵活调谐的优势；并提出通过共用单个激光光源来实现相干双光频梳输出。
其次，提出采用移频滤波相结合的方式，让两套光频梳相互独立，采用该方式可保证两套光频梳不仅梳齿间隔可以独立调谐，并且两套光频梳的相对位置(即起始频率)也可以灵活设置，这样在相同射频驱动功率下有用的梳齿数量可提高一倍。
第三，提出采用薄膜铌酸锂新型材料体系实现光频梳、移频器、光滤波与光功分器400的单片集成，提出采用通过端面空间光耦合实现激光器300和两个光功率放大器与薄膜铌酸锂本底500形成的芯片的异构集成，进而实现双光频梳模块的小型化、集成化。
本实施例所提出的基于同源移频与级联电光调制相结合的相干双光频梳可在高精度距离测量、信道化测频、高速通信等系统中发挥重要作用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种相干双光频梳产生装置，其特征在于：包括
激光光源，用于输出激光信号；
光功分器，用于将激光光源输出的激光信号分为两路分别输出；
第一光频梳产生单元，用于对光功分器输出的第一路激光信号进行电光调制，生成第一光频梳信号；以及
第二光频梳产生单元，用于对光功分器输出的第二路激光信号先进行移频后再进行电光调制，生成第二光频梳信号。
2.根据权利要求1所述的相干双光频梳产生装置，其特征在于：所述激光光源为大功率窄线宽的激光器。
3.根据权利要求2所述的相干双光频梳产生装置，其特征在于：所述第一光频梳产生单元包括第一电光调制器级联结构和第一光功率放大器，所述第一电光调制器级联结构的射频端口用于连接第一射频信号；所述第一电光调制器级联结构的光输入端用于接入光功分器第一路输出的激光信号，所述第一电光调制器级联结构的输出端与第一光功率放大器的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的相干双光频梳产生装置，其特征在于：所述第二光频梳产生单元包括光移频器、光滤波器、第二电光调制器级联结构和第二光功率放大器，所述光移频器的射频端口用于连接第三射频信号；所述光移频器的输入端用于接入光功分器第二路输出的激光信号，所述光移频器的输出端与光滤波器连接，所述光滤波器与第二电光调制器级联结构的输入端连接；所述第二电光调制器级联结构的射频端口用于连接第二射频信号，所述第二电光调制器级联结构的输出端与第二光功率放大器的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的相干双光频梳产生装置，其特征在于：采用薄膜铌酸锂作为本底实现光功分器、第一电光调制器级联结构、光移频器、光滤波器、第二电光调制器级联结构的单片集成，并采用异构集成的方式将激光光源、第一光功率放大器和第二光功率放大器异构集成在薄膜铌酸锂本底上。
6.根据权利要求5所述的相干双光频梳产生装置，其特征在于：所述第一电光调制器级联结构和第二电光调制器级联结构均为马赫曾德尔电光调制器和相位调制器级联的结构。
7.根据权利要求6所述的相干双光频梳产生装置，其特征在于：所述光移频器为双平行马赫曾德尔电光调制器。
8.根据权利要求7所述的相干双光频梳产生装置，其特征在于：所述光滤波器为双波导耦合微环滤波器。
9.根据权利要求6至8任一项所述的相干双光频梳产生装置，其特征在于：通过优化第一射频信号的驱动功率与第一电光调制器级联结构的马赫曾德尔电光调制器的直流偏置点提高第一光频梳信号的梳齿数量与平坦度；通过优化第二射频信号的驱动功率与第二电光调制器级联结构的马赫曾德尔电光调制器的直流偏置点提高第二光频梳信号的梳齿数量与平坦度。
10.根据权利要求1至8任一项所述的相干双光频梳产生装置：所述光功分器的分光比为9:1。
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