光电振荡器产生光学频率梳的装置与方法

摘要

本发明公开了一种光电振荡器产生光学频率梳的装置与方法。该装置由第二功分器、放大器、移相器、第一功分器与延迟线顺序相连构成电增益环腔并产生微波信号，送入由第三功分器、直接调制DFB激光器、光衰减器、光分路器、光接收模块、第一功分器、延迟线、第二功分器顺序相连构成的光电振荡器环路中；当该两个环路互相锁定后，同时符合两个环路振荡的频率被选出，由第三功分器输出微波信号，同时光路经光分路器输出经微波信号调制的光频信号；采用MZM调制器将微波信号再次调制到该光频信号上获得等间距谱的光频信号，通过电压调节移相器改变光频信号的谱间隔，经EDFA饱和放大获得等间隔、功率一致的梳状光频信号。本发明的结构简单、造价较低、性能稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及光频测量的技术领域，特别是一种光电振荡器产生光学频率梳的装置与方法。 

背景技术

随着以锁模飞秒激光器为核心的光学频率梳技术的成熟，其已经被广泛应用于光学频率测量、高速异步光学采样、绝对距离测量以及天文光谱的波长校准等领域.尤其在光频测量领域中，光学频率梳已成为迄今为止最有效的绝对光学频率测量工具，它可以将铯原子微波频标与光频标准确、可靠且相对简单地直接联系起来。在可见到近红外区域，可实现以铯原子微波频标作为参考的任意光学频率合成。 

传统钛宝石光频梳是目前光频测量领域应用最为广泛并且技术最为成熟的系统，但由于其结构复杂、体积庞大、成本昂贵、难于维护以及对工作环境要求苛刻等问题，目前很难适应光频测量领域对简便运行及长期连续测量的诉求。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、性能稳定的光电振荡器产生光学频率梳的装置与方法，以获得等间隔、功率一致的梳状光频信号。 

实现本发明目的的技术解决方案为：一种光电振荡器产生光学频率梳的装置，包括光端设备和电端设备，所述光端设备包括直接调制DFB激光器、光衰减器、光分路器、光接收模块和MZM调制器，其中直接调制DFB激光器、光衰减器和光分路器通过光纤顺序相连，光分路器的一个输出端通过光纤接入光接收模块、光分路器的另一输出端通过光纤与MZM调制器的一个输入端相连；所述电端设备包括第一功分器、放大器、移相器、延迟线、第二功分器、第三功分器，其中光接收模块的输出端接入第一功分器的一个输入端，第一功分器的输出端通过延迟线接入第二功分器输入端，第二功分器的一个输出端顺次通过放大器、移相器接入第一功分器的另一个输入端，第二功分器的另一个输出端接入第三功分器，第三功分器的一个输出端接入直接调制DFB激光器、第三功分器的另一个输出端接入MZM调制器的另一个输入端； 

所述第二功分器、放大器、移相器、第一功分器与延迟线顺序相连构成电增益环腔，该电增益环腔产生微波信号，送入由第三功分器、直接调制DFB激光器、光衰减器、 光分路器、光接收模块、第一功分器、延迟线、第二功分器顺序相连构成的光电振荡器环路中；当电增益环腔和光电振荡器环路互相锁定后，同时符合两个环路振荡的频率被选出，由光电振荡器环路的电端即第三功分器的输出端输出微波信号，同时光路经光分路器输出经微波信号调制的光频信号；采用MZM调制器将微波信号再次调制到该光频信号上，由于光电振荡器环路输出的光频信号携带射频信号的多次谐波，调制后获得等间距谱的光频信号，通过电压调节电增益环腔中的移相器改变光频信号的谱间隔，在MZM调制器的输出端外接掺铒光纤放大器对光频信号进行饱和放大，获得等间隔、功率一致的梳状光频信号。 

一种光电振荡器产生光学频率梳的方法，将光电振荡器产生的射频信号调制到光电振荡器产生的光频信号上，得到更多频率间隔等距的光学频率梳，步骤如下： 

步骤1，第二功分器、放大器、移相器、第一功分器与延迟线顺序相连构成电增益环腔，该电增益环腔产生微波信号，送入由第三功分器、直接调制DFB激光器、光衰减器、光分路器、光接收模块、第一功分器、延迟线、第二功分器顺序相连构成的光电振荡器环路中； 

步骤2，当电增益环腔和光电振荡器环路互相锁定后，同时符合两个环路振荡的频率被选出，由光电振荡器环路的电端即第三功分器的输出端输出微波信号，同时光路经光分路器输出经微波信号调制的光频信号； 

步骤3，采用MZM调制器将微波信号再次调制到该光频信号上，由于光电振荡器环路输出的光频信号携带射频信号的多次谐波，调制后获得等间距谱的光频信号，通过电压调节电增益环腔中的移相器改变光频信号的谱间隔，在MZM调制器的输出端外接掺铒光纤放大器对光频信号进行饱和放大，获得等间隔、功率一致的梳状光频信号。 

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)将射频信号通过马赫-曾德尔调制器(MZM调制器)调制到光电振荡器产生的光域信号上，在光电振荡器得到携带微波信号多次谐波的光频信号基础上，再调制后得到了更多等频率间距、性能稳定的光学频率梳；(2)基于相位补偿的光电振荡器可以实现频率的动态调节，通过改变移相器两端的电压就可以实现光学频率梳频梳间隔的改变；(3)系统结构简单，造价低，性能稳定性。 

附图说明

图1是本发明基于光电振荡器产生光学频率梳的装置原理框图。 

具体实施方式

本发明基于光电振荡器产生光学频率梳的装置与方法，该方法依托将电自激振荡环路和光电振荡器环路结合形成互注入锁定光电振荡器，可输出射频信号和调制的光频信号。基于马赫-曾德尔调制器(MZM调制器)将射频信号再次调制到该光频信号上，由于光电振荡器输出的光频信号携带微波信号的多次谐波，经再次调制，可获得更多等间距谱的光频信号，利用EDFA(掺铒光纤放大器)进行饱和放大，获得等间隔、功率一致的梳状光频信号，该方法采用半导体激光器，利用光电振荡器环路中的移相器实现光学频率梳的调谐。 

结合图1，本发明光电振荡器产生光学频率梳的装置，包括光端设备和电端设备，所述光端设备包括直接调制DFB激光器1、光衰减器2、光分路器3、光接收模块4和MZM调制器11，其中直接调制DFB激光器1、光衰减器2和光分路器3通过光纤顺序相连，光分路器3的一个输出端通过光纤接入光接收模块4、光分路器3的另一输出端通过光纤与MZM调制器11的一个输入端相连；所述电端设备包括第一功分器5、放大器7、移相器6、延迟线8、第二功分器9、第三功分器10，其中光接收模块4的输出端接入第一功分器5的一个输入端，第一功分器5的输出端通过延迟线8接入第二功分器9，第二功分器9的一个输出端顺次通过放大器7、移相器6接入第一功分器5的另一个输入端，第二功分器9的另一个输出端接入第三功分器10，第三功分器10的一个输出端接入直接调制DFB激光器1、第三功分器10的另一个输出端接入MZM调制器11的另一个输入端； 

所述第二功分器9、放大器7、移相器6、第一功分器5与延迟线8顺序相连构成电增益环腔，该电增益环腔产生微波信号，送入由第三功分器10、直接调制DFB激光器1、光衰减器2、光分路器3、光接收模块4、第一功分器5、延迟线8、第二功分器9顺序相连构成的光电振荡器环路中；当电增益环腔和光电振荡器环路互相锁定后，同时符合两个环路振荡的频率被选出，由光电振荡器环路的电端即第三功分器的输出端输出微波信号，同时光路经光分路器3输出经微波信号调制的光频信号；采用MZM调制器11将微波信号再次调制到该光频信号上，由于光电振荡器环路输出的光频信号携带射频信号的多次谐波，调制后获得等间距谱的光频信号，通过电压调节电增益环腔中的移相器6改变光频信号的谱间隔，在MZM调制器11的输出端外接掺铒光纤放大器EDFA对光频信号进行饱和放大，获得等间隔、功率一致的梳状光频信号。 

本发明光电振荡器产生光学频率梳的方法，基于上述装置将光电振荡器产生的射频 信号调制到光电振荡器产生的光频信号上，得到更多频率间隔等距的光学频率梳，具体步骤如下： 

步骤1，第二功分器9、放大器7、移相器6、第一功分器5与延迟线8顺序相连构成电增益环腔，该电增益环腔产生微波信号，送入由第三功分器10、直接调制DFB激光器1、光衰减器2、光分路器3、光接收模块4、第一功分器5、延迟线8、第二功分器9顺序相连构成的光电振荡器环路中； 

步骤2，当电增益环腔和光电振荡器环路互相锁定后，同时符合两个环路振荡的频率被选出，由光电振荡器环路的电端即第三功分器的输出端输出微波信号，同时光路经光分路器3输出经微波信号调制的光频信号； 

步骤3，采用MZM调制器11将微波信号再次调制到该光频信号上，由于光电振荡器环路输出的光频信号携带射频信号的多次谐波，调制后获得等间距谱的光频信号，通过电压调节电增益环腔中的移相器6改变光频信号的谱间隔，在MZM调制器11的输出端外接掺铒光纤放大器EDFA对光频信号进行饱和放大，获得等间隔、功率一致的梳状光频信号。 

实施例1 

本实施例中，本发明光电振荡器产生光学频率梳的装置，由常用的光纤通信器件和微波器件构成： 

直接调制DFB激光器1采用模拟带宽20G的直接调制半导体激光器； 

光衰减器2采用1550nm波长的光可变衰减器； 

光分路器3采用1×2的光耦合器； 

光接收模块4采用模拟带宽20G的PIN接收组件； 

第一功分器5采用50:50的电功率分路器； 

移相器6采用宽带0-2π相移器； 

放大器7采用窄带微波放大器； 

延迟线8采用高频电缆传输线； 

第二功分器9采用50:50的电功率分路器； 

第三功分器10采用50:50的电功率分路器； 

MZM调制器11采用铌酸锂强度调制器。 

该装置包括光端端设备和电端设备，其中， 

光端设备中，直接调制DFB激光器1采用模拟带宽20G的分布反馈半导体激光器、光衰减器2采用波长1550nm的可变光功率衰减器、光分路器3采用1×2的光分路器与光接收模块4采用20G的模拟PIN+TIA接收组件通过光纤顺序相连，光分路器3的另一输出端与MZM11调制器采用电光强度调制器的一个输入端通过光纤相连； 

电端设备中，第一功分器5采用3dB的微波功分器、延迟线8采用20G的高频传输线、第二功分器9采用3dB的微波功分器、第三功分器10采用3dB的微波功分器和直接调制DFB激光器1顺序连接，第二功分器9的另一输出端、放大器7采用8-12G的微波放大器、移相器6采用8-12GG、0-2π的相移器、第一功分器5的另一输入端顺序相连，第二功分器9、放大器7、移相器6、第一功分器5与延迟线8顺序相连构成电增益环腔，第三功分器10另一输出端与MZM调制器11的另一个输入端顺序相连。 

综上所述，本发明基于光电振荡器实现光学频率梳的方法与装置，基于光电振荡器的输出和MZM强度调制器实现，通过调节电自激振荡环路中的移相器，可改变光频梳的频率间隔，系统结构简单、成本低、易于小型化。