梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置及產生方法
2023-12-01 06:33:06 1
梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置及產生方法【專利摘要】本發明提供了一種梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置，信號發生器經過微波功率分配器後形成兩路輸出端，其中，第一路輸出端經過第一寬帶微波功率放大器後與光電相位調製器相連接，第二路輸出端依次經過可調微波延遲線和第二寬帶微波功率放大器後與光電強度調製器相連接，連續波雷射器依次經過級聯的光電相位調製器和光電強度調製器輸出，光電強度調製器設有直流偏置。同時還提供了產生方法。本發明實現梳齒頻率間隔的寬帶連續掃頻和精確任意調節；所產生的光頻梳相位、頻率穩定；產生光頻梳中心波長穩定，且可調諧；設備方案簡單，成本較低；符合光學測量、光學成像、雷射雷達、雷射光譜學、光纖傳感、光通信以及微波光子學等領域的應用需求。【專利說明】梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置及產生方法【
技術領域：
】[0001]本發明涉及光通信和光學測量【
技術領域：
】的一種梳齒間隔頻率可寬帶相位連續掃頻的光學頻率梳的產生方法，具體地說，是一種採用級聯光電相位調製器和光電強度調製器，實現梳齒間隔頻率可寬帶相位連續頻率掃描的梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置及產生方法，在整個掃頻過程中光頻梳的梳齒平坦度保持不變。【
背景技術：
】[0002]頻率間隔精確穩定、梳齒相干的光學頻率梳被廣泛應用於雷射測量、光學成像、雷射雷達、雷射光譜學、光纖傳感、光通信以及微波光子學等領域。梳齒功率平坦、頻譜範圍寬、相位相干且梳齒頻率間隔可連續任意控制的光學頻率梳，在任意波形發生器、寬帶可調頻的微波光子濾波器、寬帶可調諧微波/毫米波/太赫茲信號產生、多個光學頻率梳間的同步和鎖相、光學測量以及超寬帶連續譜光學頻率梳的產生中均有迫切的需求。[0003]目前，主要的梳齒間隔頻率可調諧光學頻率梳產生方式有基於光放大器的光纖環路、鎖模雷射器以及射頻信號驅動的級聯光電相位調製三種。[0004]第一種，基於光放大器的光纖環路，將光電調製器放置於環路內部，通過循環頻率偏移的方式產生多條梳齒，並通過光纖環路內部的光纖放大器和光帶通濾波器分別補償環路損耗和控制頻梳帶寬。其梳齒間隔與調製器驅動信號頻率以及光纖環路的振蕩頻率相關，調節梳齒頻率間隔時需要匹配的進行光放大器和光濾波器的調節，因此不能對梳齒間隔頻率進行相位相干的連續調節；且通過光纖環路中的光放大器進行循環放大，多次累積後產生的頻率梳齒噪聲係數逐步增大。[0005]第二種，採用非線性介質對鎖模雷射器進行光譜展寬，產生相位相干的寬帶超連續光譜，其梳齒頻率間隔可以通過調節振蕩腔的長度進行調諧。經過對現有技術文獻的檢索發現，現有的對鎖模雷射器梳齒間隔頻率(即重複頻率)進行連續掃頻調節的實現方式主要有兩種。BrianR.Washburn等人發表在學術雜誌《OpticsExpress》(《光學快訊》)中的學術論文「Fiber-laser-basedfrequencycombwithatunablerepetitionrate」(基於光纖雷射器的重複頻率可調諧頻率梳)中，提出利用電機控制的腔內光纖延時線，改變鎖模雷射器的腔長從而達到頻率調諧的目的。其梳齒頻率間隔的調節範圍為49.34-50.12MHz，雷射器在整個調諧過程中可以保持鎖模，即是相位相干。HolgerHundermark等人發表在學術雜誌《OpticsExpress))(《光學快訊》)中的學術論文「Stablesub_85fspassivelymode-lockedErbiumfiberoscillatorwithtunablerepetitionrate」(重複頻率可調諧的亞85飛秒被動鎖模摻鉺光纖振蕩器)中，提出通過改變鎖模雷射器腔內的可調節透鏡的位置，從而改變腔長，達到頻率調諧的目的。其對頻率間隔的調節範圍為1.1MHz，在整個調諧過程中可以保持梳齒間穩定的相干性。上述方案均可對光頻梳的梳齒頻率間隔進行連續的相干調諧，但是由於鎖模雷射器需要對腔進行複雜的穩定控制，限制了腔長的可調諧範圍，從而限制了梳齒頻率間隔的調諧範圍在數個MHz級別，且需要複雜的腔體穩定性控制機制。[0006]第三種，射頻信號驅動的級聯光電相位調製可產生相位相干、梳齒功率平坦的光學頻率梳，其產生的梳齒數量略少與前兩種方式，但其結構簡單，穩定性高，且梳齒頻率間隔可直接由驅動的射頻信號精確調節。然而，為了使產生的頻率梳齒保持平坦，需要控制級聯光電相位和強度調製器的驅動信號使其相位匹配，且不同驅動頻率下需要重新校準驅動信號的相位關係。因此不能在保持光梳平坦性的同時實現梳齒間隔頻率的寬帶連續掃頻。【
發明內容】[0007]本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提出了一種基於射頻信號驅動級聯光電相位調製器和光電強度調製器的梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置及產生方法，通過產生裝置產生的光學頻率梳相位相干，梳齒頻率間隔可在寬帶範圍內保持相位連續地掃頻，其產生的光頻率梳相位、頻率穩定，實現方式較簡單，可滿足光學測量、光學成像、雷射雷達、雷射光譜學、光纖傳感、光通信以及微波光子學等領域的應用需求。[0008]本發明是通過以下技術方案實現的。[0009]根據本發明的一個方面，提供了一種梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置，包括信號發生器、連續波雷射器、光電相位調製器、光電強度調製器、微波功率分配器、第一寬帶微波功率放大器、第二寬帶微波功率放大器以及可調微波延遲線，其中，所述信號發生器經過微波功率分配器後形成兩路輸出端，其中，第一路輸出端經過第一寬帶微波功率放大器後與光電相位調製器相連接，第二路輸出端依次經過可調微波延遲線和第二寬帶微波功率放大器後與光電強度調製器相連接，所述連續波雷射器依次經過級聯的光電相位調製器和光電強度調製器輸出，所述光電強度調製器設有直流偏置。[0010]優選地，還包括延時相干儀、光電接收機以及採樣示波器，所述光電強度調製器的輸出端與延時相干儀相連接，所述延時相干儀與光電接收機相連接，所述光電接收機與採樣示波器相連接。[0011]優選地，所述信號發生器採用微波信號發生器或高速脈衝信號發生器。[0012]根據本發明的另一個方面，提供了一種梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生方法，包括以下步驟:[0013]步驟I，信號發生器產生寬帶頻率可調諧信號通過微波功率分配器後分為兩路，第一路經第一寬帶微波功率放大器放大後驅動光電相位調製器；第二路經過可調微波延遲線後，再經過第二寬帶微波功率放大器放大，驅動光電強度調製器；[0014]步驟2，連續波雷射器輸出的光載波信號經過級聯的光電相位調製器和光電強度調製器，調節光電強度調製器的偏置點使輸出形成平坦的光頻梳；[0015]步驟3，調節可調延遲線，使得光電延遲差為零，實現寬帶相位匹配；此時，信號發生器輸出寬帶掃頻的信號，相應地，光電強度調製器輸出的光頻梳的梳齒間隔頻率也隨之掃頻變化，產生梳齒頻率間隔可寬帶掃頻的光頻梳。[0016]優選地，所述步驟2中，光頻梳的梳齒間隔頻率與信號發生器所產生的信號的頻率相同。[0017]優選地，還包括步驟4，所述步驟4具體為:[0018]步驟3產生的梳齒頻率間隔可寬帶掃頻的光頻梳，經過延時相干儀和光電接收機後，通過採樣示波器顯示。[0019]本發明提供的梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置及產生方法，其輸出光頻梳的梳齒平坦度不隨著信號發生器輸出信號的頻率變化而改變，即不隨著光頻梳的梳齒間隔頻率變化而改變，在整個寬帶掃頻過程中能夠保持穩定的光譜平坦度；使得級聯光電相位調製器和光電強度調製之間光信號延時和微波驅動信號延時精確匹配。採用級聯的光電相位調製器和光電強度調製器，並精確調節兩個調製器之間光信號和微波驅動信號之間的延時，實現光電延時差的寬帶相位匹配，通過微波驅動信號的寬帶相位連續頻率掃描，實現梳齒間隔頻率隨之寬帶相位連續頻率掃描光頻率梳的方法，在整個掃頻過程中光頻率梳梳齒平坦度保持不變。[0020]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:[0021]1、突破了傳統光頻梳產生方式的限制，由於微波信號發生器的頻率穩定、精確、可任意控制調節，實現了梳齒頻率間隔的寬帶連續掃頻和精確任意調節；[0022]2、由微波信號驅動調製器產生的光頻梳穩定性高，所產生的光頻梳相位、頻率穩定;[0023]3、可使用高穩定性或可調諧連續光雷射器作為光載波，因此所產生光頻梳中心波長穩定，且可調諧；[0024]4、設備方案簡單，成本較低；[0025]5、突破了傳統光頻率梳的限制，符合光學測量、光學成像、雷射雷達、雷射光譜學、光纖傳感、光通信以及微波光子學等領域的應用需求。【專利附圖】【附圖說明】[0026]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯:[0027]圖1為本發明梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置結構原理圖；[0028]圖2為光電延時差寬帶相位匹配的方法原理圖；[0029]圖3為光電延時差寬帶相位匹配示意圖，其中，(a)為光電延時差Ts古O時示意圖，(b)為光電延時差τs=0時示意圖；[0030]圖4為微波驅動信號寬帶相位匹配的方法流程圖；[0031]圖5為本發明實施例中所產生光頻梳梳齒頻率間隔寬帶掃頻效果圖；[0032]圖6為本發明實施例中所產生光頻梳的光譜，其中，(a)為梳齒間隔頻率為最低8.5GHz時的光譜圖，(b)為梳齒間隔頻率為最高19.0GHz時的光譜圖；[0033]圖中:101為連續波半導體雷射器，102為馬赫曾德光電相位調製器，103為馬赫曾德光電強度調製器，104為3-dB微波功率分配器，105為第一增益可調寬帶微波功率放大器，106為第二增益可調寬帶微波功率放大器，107為可調微波延遲線，108為微波信號發生器，109為高速脈衝信號發生器，110為馬赫曾德延時相干儀，111為高速平衡光電接收機，112為高速採樣示波器，113為直流偏置。【具體實施方式】[0034]下面對本發明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。[0035]請同時參閱圖1至圖6。[0036]本實施例提供了一種梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置，包括信號發生器、連續波雷射器、光電相位調製器、光電強度調製器、微波功率分配器、第一寬帶微波功率放大器、第二寬帶微波功率放大器以及可調微波延遲線，其中，所述信號發生器經過微波功率分配器後形成兩路輸出端，其中，第一路輸出端經過第一寬帶微波功率放大器後與光電相位調製器相連接，第二路輸出端依次經過可調微波延遲線和第二寬帶微波功率放大器後與光電強度調製器相連接，所述連續波雷射器依次經過級聯的光電相位調製器和光電強度調製器輸出，所述光電強度調製器設有直流偏置。[0037]進一步地，還包括延時相干儀、光電接收機以及採樣示波器，所述光電強度調製器的輸出端與延時相干儀相連接，所述延時相干儀與光電接收機相連接，所述光電接收機與採樣示波器相連接。[0038]進一步地，所述信號發生器採用微波信號發生器或高速脈衝信號發生器。[0039]本實施例提供的一種上述梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置，其光頻梳產生方法，包括以下步驟:[0040]步驟1，信號發生器產生寬帶頻率可調諧微波信號通過微波功率分配器後分為兩路，第一路經第一寬帶微波功率放大器放大後驅動光電相位調製器；第二路經過可調微波延遲線後，再經過第二寬帶微波功率放大器放大，驅動光電強度調製器；[0041]步驟2，連續波雷射器輸出的光載波信號經過級聯的光電相位調製器和光電強度調製器，調節光電強度調製器的偏置點使輸出形成平坦的光頻梳；[0042]步驟3，調節可調延遲線，使得光電延遲差為零，實現寬帶相位匹配；此時，信號發生器輸出寬帶掃頻的信號，相應地，光電強度調製器輸出的光頻梳的梳齒間隔頻率也隨之掃頻變化，產生梳齒頻率間隔可寬帶掃頻的光頻梳。[0043]進一步地，所述步驟2中，光頻梳的梳齒間隔頻率與信號發生器所產生的微波信號的頻率相同。[0044]進一步地，還包括步驟4，所述步驟4具體為:[0045]步驟3產生的梳齒頻率間隔可寬帶掃頻的光頻梳，經過延時相干儀和光電接收機後，通過採樣示波器顯示。[0046]下面結合附圖對本實施例作詳細說明。[0047]在本實施例中，[0048]連續波雷射器可以採用連續波半導體雷射器；[0049]光電相位調製器可以採用馬赫曾德光電相位調製器；[0050]光電強度調製器可以採用馬赫曾德光電強度調製器；[0051]微波功率分配器可以採用3-dB微波功率分配器；[0052]第一寬帶微波功率放大器和第二寬帶微波功率放大器均可以採用增益可調寬帶微波功率放大器；[0053]延時相干儀可以採用馬赫曾德延時相干儀；[0054]光電接收機可以採用高速平衡光電接收機；[0055]採樣示波器可以採用高速採樣示波器；[0056]圖1為本發明的原理框圖。本實施例提供的梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置，主要包括:連續波半導體雷射器、馬赫曾德光電相位調製器、馬赫曾德光電強度調製器、3-dB微波功率分配器、寬帶微波功率放大器、可調微波延遲線、高速脈衝信號發生器或微波信號發生器、馬赫曾德延時相干儀、高速光電接收機、高速採樣示波器。首先利用高速脈衝信號發生器或微波信號發生器、馬赫曾德延時相干儀、高速光電接收機、高速採樣示波器使得級聯調製器之間的光電延時差的寬帶相位匹配，即使得所述τs=0,再使用微波信號發生器產生所述梳齒間隔頻率寬帶可掃頻光學頻率梳。[0057]具體為:[0058]一、圖2為光電延時差寬帶相位匹配方法原理圖:高速脈衝信號發生器109產生上升時間為30ps的IOMHz方波信號，通過3-dB微波功率分配器104後分為兩路，一路直接輸入到增益可調寬帶微波功率放大器105經放大後驅動馬赫曾德光電相位調製器102，另一路先經過可調微波延遲線107後在輸入到增益可調寬帶微波功率放大器106經放大後驅動馬赫曾德光電強度調製器103。窄線寬連續波半導體雷射器101輸出的光載波，經過級聯的馬赫曾德光電相位調製器102和馬赫曾德光電強度調製器103調製後，經過延時為Δt=100ps的馬赫曾德延時相干儀110後輸入到高速光電接收機111，通過高速採樣示波器112觀察其輸出。[0059]二、如圖3(a)所示,調節可調微波延遲線，當光電延時差O時,馬赫曾德延時相干儀的兩臂信號在一個周期內存在η相移，因此在輸出端產生了和方波信號周期相同的IOOps的窄脈衝。如圖3(b)所示，當光電延時差完全寬帶相位匹配，即Ts=O時，馬赫曾德延時相干儀的兩臂信號不存在η相移，因此在輸出端沒有窄脈衝信號。然而，由於有限的方波上升時間和接收機帶寬，輸出脈衝功率隨著^的減小而減小。脈衝功率和^相對於寬帶相位匹配點的變化趨勢如圖4所示，當脈衝功率最小時，再進行進一步精細調節，即可實現光電延時差的寬帶相位匹配。[0060]三、如圖1所示，本實施例中，產生梳齒間隔頻率寬帶可掃頻光學頻率梳的驅動信號為微波信號發生器108，替代第一部分(圖2)中的的高速脈衝信號發生器109，其產生的寬帶頻率可調諧微波信號通過3-dB功分器後分為兩路，一路經增益可調寬帶微波功率放大器105放大至峰-峰值為四倍相位調製器νπ_ΡΜ電壓後驅動相位調製器102;另一路經過可調諧微波延時器後，由增益可調微波功率放大器106放大至峰-峰值為兩倍強度調製器^_?電壓後驅動強度調製器103。調節可調微波延時器至步驟(2)中所述的光電延遲寬帶相位匹配點，同時調節強度調製器的直流偏置113，形成平坦的光頻梳輸出信號。[0061]四、調節微波信號發生器，使得輸出的微波信號在超過一個倍頻程的8.5GHz至19.0GHz範圍內掃頻，輸出梳齒間隔頻率寬帶可掃頻光頻率梳如圖5所示。其梳齒平坦度在整個掃頻範圍內保持在4dB內。[0062]五、圖6(a)和(b)為光頻率梳在梳齒間隔頻率分別為最低8.5GHz和最高19.0GHz時的光譜圖。[0063]六、本實施例中光電延時差偏離寬帶相位匹配點時，輸出光頻梳在整個梳齒間隔頻率掃頻範圍內的平坦度變化。當不在最佳寬帶相位匹配點時，輸出光頻梳的平坦度在梳齒間隔頻率掃頻範圍內變化劇烈。實際情況下，由於步驟(2)中所述有限上升時間和接收機帶寬使得寬帶相位匹配點的精度受限，同時寬帶功率放大器的非線性會引入額外的頻率諧波，以及調製器半波電壓的隨著驅動頻率變化而變化，導致輸出光頻梳在整個梳齒間隔頻率掃頻範圍內有4dB的平坦度變化。[0064]七、以微波信號發生器為例，本實施例提供的梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生方法，具體為:[0065]步驟1，使用連續光雷射器輸出的雷射作為光載波，先後經過級聯的光電相位調製器和光電強度調製器，輸出光頻梳信號；其中，所述級聯的光電相位調製器和光電強度調製器由同一個微波信號發生器驅動，驅動頻率完全相同；所述微波信號發生器產生的微波信號通過微波功率放大器放大後，分別驅動光電相位調製器和光電強度調製器；[0066]輸出光頻梳信號可表不為:[0067]Eoiil(?=Yexp(jmct)exp[]πβΡΜcos(o/)]|l+exp[>(凡c+βΙΜ―叫(f+rs)))]j[0068]其中，Ec為光載波信號的強度，j為虛數單位，t為時間，π為圓周率，ω。為光載波信號的角頻率，《s=2^!仁為驅動信號的角頻率，fs為驅動信號的頻率，βΡΜ、βΙΜ和分別為相位調製器、強度調製器和強度調製器直流偏置相對於其半波電壓的歸一化調製深度，Ts=τ<、為兩個級聯的調製器之間光信號延遲τ^和微波驅動信號延遲τΕ的延時差。所述光頻梳信號的梳齒頻率間隔為驅動微波信號的頻率fs，所述光頻梳信號的梳齒平坦度與驅動信號頻率與光電延時差的乘積τs相關。[0069]步驟2，當所述級聯的光電相位調製器和光電強度調製器之間光電延時差τs=0，即對所述光電延時差實現了寬帶相位匹配時，所述光頻梳信號為:[0070]Eoul(t)exp[j.(ioc+nms)t][jn(πβΡΜ)+εχρ(]πβ?€.)Jn\π{βΡΜ十~)]}[0071]其中，η為梳齒編號，Jn(X)表示η階一類貝塞爾函數。此時，所述光頻梳的梳齒平坦度僅與調製器調製深度以及強度調製器的直流偏置相關，且與驅動信號的頻率無關。調節調製深度和直流偏置，可以獲得梳齒平坦的光頻率梳。[0072]步驟3，在步驟I和步驟2的基礎上，對微波信號發生器產生的微波信號的頻率進行連續掃頻，即可產生梳齒頻率間隔連續掃頻的光頻梳，同時保持所述光頻梳的梳齒平坦度。[0073]在上述技術方案的基礎上，所述的微波信號發生器可產生寬帶掃頻微波信號。所述級聯調製器之間光電延時差的調節，通過微波延時線實現。[0074]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。【權利要求】1.一種梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置，其特徵在於，包括信號發生器、連續波雷射器、光電相位調製器、光電強度調製器、微波功率分配器、第一寬帶微波功率放大器、第二寬帶微波功率放大器以及可調微波延遲線，其中，所述信號發生器經過微波功率分配器後形成兩路輸出端，其中，第一路輸出端經過第一寬帶微波功率放大器後與光電相位調製器相連接，第二路輸出端依次經過可調微波延遲線和第二寬帶微波功率放大器後與光電強度調製器相連接，所述連續波雷射器依次經過級聯的光電相位調製器和光電強度調製器輸出，所述光電強度調製器設有直流偏置。2.根據權利要求1所述的梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置，其特徵在於，還包括延時相干儀、光電接收機以及採樣示波器，所述光電強度調製器的輸出端與延時相干儀相連接，所述延時相干儀與光電接收機相連接，所述光電接收機與採樣示波器相連接。3.根據權利要求1或2所述的梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置，其特徵在於，所述信號發生器採用微波信號發生器或高速脈衝信號發生器。4.一種梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生方法，其特徵在於，包括以下步驟:步驟I，信號發生器產生寬帶頻率可調諧信號通過微波功率分配器後分為兩路，第一路經第一寬帶微波功率放大器放大後驅動光電相位調製器；第二路經過可調微波延遲線後，再經過第二寬帶微波功率放大器放大，驅動光電強度調製器；步驟2，連續波雷射器輸出的光載波信號經過級聯的光電相位調製器和光電強度調製器，調節光電強度調製器的偏置點使輸出形成平坦的光頻梳；步驟3，調節可調延遲線，使得光電延遲差為零，實現寬帶相位匹配；此時，信號發生器輸出寬帶掃頻的信號，相應地，光電強度調製器輸出的光頻梳的梳齒間隔頻率也隨之掃頻變化，產生梳齒頻率間隔可寬帶掃頻的光頻梳。5.根據權利要求4所述的梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生方法，其特徵在於，所述步驟2中，光頻梳的梳齒間隔頻率與信號發生器所產生的信號的頻率相同。6.根據權利要求4或5所述的梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生方法，其特徵在於，還包括步驟4，所述步驟4具體為:步驟3產生的梳齒頻率間隔可寬帶掃頻的光頻梳，經過延時相干儀和光電接收機後，通過採樣示波器顯示。【文檔編號】G02F1/35GK103941515SQ201410141103【公開日】2014年7月23日申請日期:2014年4月9日優先權日:2014年4月9日【發明者】謝瑋霖,董毅,周潛申請人:上海交通大學