一种基于抛物线相位调制产生光学频率梳的方法和装置

摘要

本发明公开了一种基于抛物线相位调制产生光学频率梳的方法，包括以下步骤：步骤(1)窄线宽的连续激光器发出的单频光束通过偏振控制器后进入相位调制器3；偏振控制器使通过相位调制器的光是同一个偏振方向；步骤(2)任意波形发生器产生抛物线型的周期电信号；该电信号经电放大器放大后加载到相位调制器的射频信号输入端，即加载到相位调制器上的驱动电压信号为抛物线型；该电信号的频率与光梳之间的频率间隔相等，最大周期电信号抛物线型宽度的不能超过相位调制器的调制带宽；步骤(3)经相位调制器之后输出的光为多频光。输出的多频光谱始终具有对称性。得到一种有别于传统连续波稳频激光的特殊激光光源。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信、光学测量和光学仪器制造领域，具体涉及一种基于抛物线相位调制产生光学频率梳的方法和装置。

背景技术

光梳是拥有一系列频率均匀分布的频谱，在光通信和光测量领域具有许多应用。作为下一代光网络中较有优势的波分复用（WDM）光网络和频分复用（FDM）光网络，它们通常需要几十个稳定的激光器作为光源传输信号，这些激光器可以使用一个稳定的、平坦的光学频率梳来代替，从而大大降低了系统的成本；使用光学频率梳在百米以上的测量中可以得到微米量级的精度；同时，光梳还可用来制造超短脉冲发生器和任意波形发生器。不同的应用领域对于光学频率梳的平坦度有不同的要求，普遍需求是得到的光学频率梳平坦、稳定、频率间隔可调。一般产生光学频率梳的方法有以下三种：一是使用锁模激光器，但是实际中很难产生稳定的模式锁定；二是使用多个正弦信号驱动相位调制器，这种方法装置简单易于实现，但是需同时控制多个参数，包括多个调制频率、多个相位差和多个电压幅度，这样的缺点是直接导致光梳的频率间隔无法灵活改动，且由于电放大器对于不同频率具有不同的响应，会使放大以后的电信号稳定性降低；最后是使用强度调制器和相位调制器串联，这种方法也可以得到平坦的光学频率梳，但是系统较复杂，成本高且需控制的参数较多。

抛物线相位调制可以在装置简单、易于操作的条件下得到稳定的、梳齿个数和频率间隔可调的平坦的光学频率梳。

发明内容

本发明目的是，针对现有技术的不足，提出一种基于抛物线相位调制产生光学频率梳的方法，同时提供了实现该方法的设备。

本发明的方法由以下步骤实现：基于抛物线相位调制产生光学频率梳的方法，

步骤(1)窄线宽的连续激光器1发出的单频光束通过偏振控制器2后进入相位调制器3。偏振控制器使通过相位调制器的光都是同一个偏振方向，该方向的光受到抛物线型的周期电信号的相位调制，而且插损低。

步骤(2)任意波形发生器4产生抛物线型的周期电信号。该电信号的频率与光梳之间的频率间隔相等，最大周期电信号抛物线型宽度的不能超过相位调制器3的调制带宽。该电信号经电放大器5放大后加载到相位调制器3的射频信号输入端；即加载到相位调制器上的驱动电压信号为抛物线型；放大后的电信号功率不能超过相位调制器的最大输入电功率。

步骤(3)经相位调制器3之后输出的光为多频光。输出的多频光谱始终具有对称性。多频光各阶频率的光功率只与相位调制器3上所加的电压幅度有关，通过调节抛物线电信号的幅度可以得到平坦的光学频率梳。光梳的频率间隔取决于相位调制器和电放大器的带宽；即光梳各个频率之间的间隔与电信号的频率相对应，通过调节抛物线电信号的频率就可以调节光梳中一系列频率均匀分布的频谱的频率间隔。

实现上述基于抛物线相位调制产生光学频率梳方案的装置包括窄线宽的连续激光光源、相位调制器、任意波形发生器、电信号放大器。窄线宽连续激光器的输出端与偏振控制器的输入端连接；偏振控制器的输出端与相位调制器的光信号输入端相连；任意波形发生器的输出端与电信号放大器的输入端连接；电信号放大器的输出端与相位调制器的电信号输入端连接。

本发明有益效果：本发明使用抛物线相位调制实现了光学频率梳的产生。光学频率梳的各阶频率的功率只与相位调制器的电信号幅度（调制深度）有关，通过调节加到相位调制器上的电信号幅度就可以改变光梳的梳齿个数及平坦度。光梳相邻频率之间的间隔随着电信号的频率变化而变化，改变电信号的频率就可同步改变光梳的频率间隔。本发明的方法结构简单、易于操作，除了相位调制器以外没有用到其他的光学元件。

本发明的装置简单，控制方便，产生的频率梳在光通信、光学测量和光学仪器制造等领域有着重要意义。在光通信中，光学频率梳可用于替代DWDM等系统中所需的多个激光光源，大大降低了系统的成本，有助于下一代光网络的实现。根据傅立叶变换关系，频率域谱线的变化对应时域的波形变化，通过对频域谱线的精密控制也将可以获得时域的任意波形，即光学任意波形的产生。此外光梳还可用于产生超短脉冲，用于超短脉冲发生器。在光学测量领域，光学频率梳作为微波频率与光学频率的桥梁，可以实现对激光频率的直接精密计量，同时作为一种有别于传统连续波稳频激光的特殊激光光源，在激光频率标尺、绝对距离测量和精密光谱测量等光学精密测量领域都有着重要应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为任意波形发生器产生的周期抛物线波形。

图3为输出多频光的0阶到6阶光功率与调制深度之间的关系。

图4为使用本方法得到的13条光学频率梳，平坦度在1.5dB以内的有13条。

具体实施方式

参见图1～图4。如图1所示，实现上述方案的装置包括窄线宽的连续激光光源、偏振控制器、相位调制器、任意波形发生器、电信号放大器。窄线宽连续激光器的输出端与偏振控制器的输入端连接；偏振控制器的输出端与相位调制器的光信号输入端相连；任意波形发生器的输出端与电信号放大器的输入端连接；电信号放大器的输出端与相位调制器的电信号输入端连接。

本实施方式具体由以下步骤组成：

步骤(1)窄线宽的连续激光器1发出的单频光束通过偏振控制器2后进入相位调制器3，调节偏振控制器2使进入相位调制器3的光功率最大使相位调制器3的插损最小且保证输入光都是同一偏振方向。窄线宽光纤激光器是指激光以腔内振动单一纵模的形式输出，激光光谱线宽非常狭窄，100－150nm以内。

步骤(2)任意波形发生器4产生频率变化为抛物线型的周期电信号，如图2所示。电信号的频率应小于相位调制器的调制带宽。如使用安捷伦公司的任意波形发生器81180A，则需使用与之配套的软件benchlink才能产生该信号。该信号经电放大器5放大后加载到相位调制器3的射频信号输入端，电放大器5的响应带宽需满足电信号的频率需求，放大后的电信号功率不能超过相位调制器3的最大输入电功率，可在示波器上事先观察电压幅度以避免损坏相位调制器。

步骤(3)经相位调制器3之后输出的光为多频光。输出的多频光始终具有对称性。多频光各阶频率的光功率只与相位调制器3上所加的电压幅度有关，通过调节电信号的幅度可以得到平坦的光学频率梳。光梳相邻频率之间的间隔与电信号的频率相对应，通过调节电信号的频率就可以调节光梳的频率间隔。即光梳的条数及平坦度取决于相位调制器的最大输入电功率，光梳的频率间隔取决于相位调制器和电放大器的带宽。

经抛物线相位调制后单频光变成了多频光，多频光电场表达式为。其中，E_in为输入的单频光电场，f_mod为调制频率，即光频梳的频率间隔。F_n为归一化的多频光各阶振幅。公式(1)给出了多频光的各阶频率的光功率值：

$>P_n={\left|F_n\right|}^2=\frac{\pi }{16A}{|\mathrm{erf}\left(\frac{\sqrt{j}(\mathrm{n\pi }-2A)}{2\sqrt{A}}\right)-\mathrm{erf}\left(\frac{\sqrt{j}(\mathrm{n\pi }+2A)}{2\sqrt{A}}\right)|}^2$>

（1）

其中，P_n是第n阶频率的光功率，是相位调制器的调制深度，V是抛物线电信号的幅值，V_π是相位调制器的半波电压。是误差函数，它是一种奇函数，即有erf(-x)＝-erf(x)，由此可见产生的多频光谱总是对称的。且第n阶的光功率只与调制深度有关，因此，通过调节电信号幅度就可以得到平坦的光学频率梳。

根据公式(1)作出的第0阶到第6阶的光功率与调制深度之间的关系如图3所示，考虑到光谱的对称性，图3其实可代表13条光梳。从图中可以看出，对于特定的13条光梳，随着调制深度的加大，各阶光功率之间的波动逐渐减小，即光梳趋于平坦；随着调制深度的加大，光梳的条数也在增加，例如从图中可以知道，在调制深度为3的时候，可以得到3条平坦度在2dB以内的光梳，在调制深度为13时可产生13条光梳。对于图3中显示的13条光梳，随着调制深度的增加，光梳的平坦度总体也在变好。图4是使用本发明方法产生的13条光学频率梳，平坦度在1.5dB以内的有13条。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。