一种谱线间隔等于光纤布里渊频移的光频梳发生器

摘要

本发明公开了一种基于受激布里渊散射和电光调制的光频梳发生装置，其利用连续波激光器、电光相位调制器、光纤、光电探测器及射频放大器构成反馈环路，产生振荡频率等于光纤布里渊频移的射频信号，利用此射频信号驱动另一电光调制器，产生谱线间隔等于光纤布里渊频移的光频梳，通过调节激光器的工作波长，或者采用具有不同布里渊频移的光纤可改变光频梳谱线的间隔。与现有的基于电光调制产生光频梳的方法相比，本发明无需外加射频信号驱动调制器，因而具有更高的稳定性和更低的相位噪声，并更容易实现光电集成。

说明书

技术领域

利用射频信号电光调制连续激光是产生光频梳的常用方法，这种方法的实现需外加射频源。本发明涉及一种基于受激布里渊散射和电光调制的光频梳发生装置，其利用连续波激光器、电光相位调制器、光纤、光电检测及射频放大器构成振荡环路，产生频率等于光纤布里渊频移的振荡模式，利用此信号驱动另一电光调制器产生光频梳。因此，本发明无需外加射频信号，并可以同时产生频率为光纤布里渊频移的射频信号以及谱线间隔等于此频率的光频梳，所生成光频梳的带宽还可通过级联电光调制器进行拓展。本发明属于微波光子学领域中的光电振荡器和光频梳发生器的技术领域。

背景技术

近几年，由于光频梳在空间导航、光学精密测量、任意波形生成等领域具有广泛的应用前景，光频梳的产生已成为微波光子学领域的研究热点之一。现有的光频梳产生方法主要分为三种。第一种是基于锁模激光器的方法，这种方法需要构建复杂的谐振腔，且输出光谱易受外界温度及光纤等波导介质的损耗和色散的影响。第二种是利用光纤中非线性效应的方法，此方法产生的谱线数量较多，但激发光纤中的非线性效应需要较高的光功率，且生成的光频梳可调性不高。第三种是基于电光调制器的方法，这种方法具有可调性好，稳定度高的突出优点，是目前最常用的光频梳产生方法。例如，利用射频信号对激光器发出的连续光进行相位调制器，可产生由多个调制边带构成的光频梳。(参考文献[1]：J.Zhang，J.Yu，N.Chi，Z.Dong，X.Li，Y.Shao，J.Yu，and L.Tao，“Flattened comb generation usingonly phase modulators driven by fundamental frequency sinusoidal sources withsmall frequency offset，”Opt.Lett.38(4)，pp.552-554，2013)。通过级联两个强度调制器和一个相位调制器，以10GHz的微波信号驱动调制器，在1dB平坦度内，可得到包含38条谱线的光频梳(参考文献[2]：R.Wu，V.R.Supradeepa，C.M.Long，D.E.Leaird，andA.M.Weiner，“Generation of very flat optical frequency combs from continuous-wave lasers using cascaded intensity and phase modulators driven by tailoredradio frequency waveforms，”Opt.Lett.35(19)，pp.3234-3236，2010)。此外，通过设置两个级联强度调制器的工作点，还可以设计实现谱线间隔和数量可调的光频梳发生器。(参考文献[3]：X.Zou，W.Pan，and J.Yao，“Tunable optical comb generation based oncarrier-suppressed intensity modulation and phase modulation，”Chin.Opt.Lett.8(5)，pp.468-470，2010)。

尽管采用上述基于电光调制器的方法都可得到平坦的光频梳，但都需要高性能、低噪声的微波信号源提供驱动信号，这样，不仅成本高，而且会引入噪声，恶化所生成的光频梳谱线的相位噪声性能。光电振荡器与传统射频信号源相比，具有Q值高、频率稳定、相位噪声低及体积小等优点(参考文献[4]：Huanfa Peng，Cheng Zhang，Xiaopeng Xie，TaoSun，Peng Guo，Xiaoqi Zhu，Lixin Zhu，Weiwei Hu，and Zhangyuan Chen，“Tunable DC-60GHz RF Generation Utilizing a Dual-Loop Optoelectronic Oscillator Based onStimulated Brillouin Scattering.”J.Lightwave Technol.，33(13)，pp.2707-2715，2015)。此外，用光电振荡器代替传统微波信号源驱动电光调制器产生光频梳，更容易实现光电集成的小型化的光频梳发生器。本发明针对以上情况，利用光纤中的受激布里渊散射效应和相位调制器产生光电振荡，实现了一种谱线间隔等于光纤布里渊频移的光频梳发生器。

发明内容

本发明公开了一种无需外加微波信号源、且谱线间隔等于光纤布里渊频移的光频梳发生器。具体而言，本发明所涉及的光频梳发生器的结构如图1所示。图中，连续波激光器(1)输出的激光经光耦合器(2)分为两支路，下支路的光经光放大器(3)放大后通过环形器(4)反向输入光纤(5)中，激发光纤(5)中的受激布里渊散射。上支路光通过电光相位调制器(6)产生±1阶调制边带。当信号光的-1阶边带位于光纤(5)的受激布里渊散射的增益带宽内时，此边带将被放大。+1阶边带、放大后的-1阶边带及载波经环形器(4)输入至光耦合器(7)分为两路，其中一路光送入光电探测器(8)进行光电变换，此过程中，+1阶边带和放大后的-1阶边带分别与光载波拍频得到频率等于光纤(5)布里渊频移的微波信号，此信号经射频放大器(9)放大后，输入至射频功分器(10)分为两支路，其中一路反馈驱动相位调制器(6)，形成振荡环路。另一路射频信号再次通过射频功分器(11)分为两路，其中一路直接输出，可作为射频信号源或系统检测信号；另一路经射频移相器(12)、射频放大器(13)及可调射频衰减器(14)后驱动电光调制器(15)对耦合器(7)输出的另一路激光进行调制，产生光频梳，调节射频移相器(12)和可调射频衰减器(14)可得到平坦的光频梳。

本发明具有以下优点：

1、本发明采用自驱动级联电光调制器产生光频梳，与传统方法相比，不需要从外部输入射频信号驱动调制器，因而具有更高的稳定性和更低的相位噪声，并更容易实现光电集成。

2、本发明实现的光频梳谱线间隔等于光纤(5)的布里渊频移。因此，通过调节连续波激光器(1)的输出波长或采用具有不同布里渊频移的光纤(5)，可改变光频梳谱线间的间隔。

3、本发明中射频功分器(11)其中一路的输出可作为射频信号源，输出频率间隔等于光纤(5)布里渊频移的射频振荡，通过调节连续波激光器(1)的输出波长或采用具有不同布里渊频移的光纤(5)，可输出不同频率的射频振荡信号。

4、本发明提供的方案还具有良好的可拓展性，在相位调制器(15)之后还可以级联多个电光强度或相位调制器，并将射频功分器(11)的输出信号再次功分后驱动级联的电光调制器，从而输出包含更多谱线的平坦光频梳。

附图说明

图1：本发明所设计的光学频率梳发生器的装置图。

图2：实验得到的包含9条平坦光频梳的光谱图。

图3：实验得到的振荡信号的频谱图。

图4：实验得到的振荡信号的相位噪声性能图。

具体的实施方式

本发明所提出的光频发生器的方案，已通过实验进行了验证，实验装置如图1所示，实验过程及结果结合附图说明如下。

如图1所示，实验中设置可调连续波激光器的工作波长为1550.2nm，输出功率为14dBm，此激光器的输出光经3dB耦合器分为两路，下路光由掺铒光纤放大器进行放大，并经环形器的2口反向进入长度是2km的非零色散位移光纤，放大器输出功率为12dBm，以激发非零色散位移光纤中的受激布里渊散射效应。当相位调制器输出的-1阶边带位于受激布里渊散射的增益带宽内时，此边带将被放大。光纤输出的光经环形器输入至10：90耦合器分为两路，其中，分光比为90％的一路经光电探测器进行光电变换，此时，+1阶边带与放大后的-1阶边带分别与载波拍频，产生频率等于光纤布里渊频移的拍频信号，然后经过放大，反馈到相位调制器中完成环路振荡。稳定后的振荡信号驱动下一级电光相位调制器。通过调节射频移相器、可变射频衰减器，最后得到了3dB带宽内包括9条谱线的光学频率梳，如图2所示。其中谱线的间隔等于振荡信号的频率，而振荡频率等于非零色散位移光纤的布里渊频移，实验测得的结果为10.67GHz，如图3所示。最后，利用信号分析仪测量了振荡信号的单边带相位噪声，如图4所示，在10kHz频偏处的相位噪声为-85.0dBc/Hz。

因此，通过实验验证了此发明的可行性。

综上所述，本发明达到了预期的目的。