CN103744249A - 一种宽带光学频率梳的产生装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带光学频率梳的产生方法，采用双平行马赫曾德尔调制器和两个马赫曾德尔强度调制器级联结构，通过调节各调制器的射频幅值和直流偏置电压，产生了50线宽带光学频率梳，且功率平坦、谱线间隔可调。该方案产生的光梳性能较好，对其在光通信领域的应用和发展具有重要意义。本发明的***结构相对简单，容易实现，有利于降低***成本。

Description

一种宽带光学频率梳的产生装置及其方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种利用激光的外部调制技术产生频带宽广、间隔可变、功率平坦和抑制比高的光学频率梳生成装置及其方法。

背景技术

光学频率梳（Optical Frequency Comb,OFC）是指在频谱上由一系列间隔均匀且相位相干的频率分量组成的光谱，主要性能指标有光梳线数、谱线间隔和平坦度等。随着通信需求的不断增长和通信技术的飞速发展，光波分复用（WDM）和光正交频分复用（OFDM）技术逐渐成为研究热点，而限制这些***发展的瓶颈之一是需要大量波长不同、功率平坦的光载波。光学频率梳的使用可以解决这一问题，大大降低***成本，对光通信技术的应用和发展具有非常重要的意义。

另外，光学频率梳在光学任意波形产生和多波长超短脉冲产生等方面也具有广泛的应用。其中在任意波形产生方面，光学频率梳的谱线个数、谱线间隔、平坦度以及抑制比是关键的几个参数。针对这些光通信领域的应用，我们需要产生频带宽广、间隔可变、功率平坦和抑制比高的光学频率梳，同时***结构应该尽量简单。

据相关文献报道，宽带光学频率梳的产生方法主要有：光学非线性效应、光反馈环、微谐振腔以及电光调制器法等。其中，非线性效应法主要采用光学四波混频技术，产生的光学频率梳线数很多但功率波动较大，其应用有局限性；利用光反馈环扩展频谱的***，一般较为复杂不易控制；而设计微谐振腔的工作周期长且成本较高。基于电光调制器产生宽带光学频率梳的方法，***结构简单、谱线间隔可变且平坦度较好，是一种很有前景的光学频率梳产生技术。但目前电光调制器法产生的光梳线数还相对有限，需要继续加以研究并提出产生宽频带的方法。

发明内容

鉴于现有技术的不足，同时为了满足光通信的实际应用，需要产生一种性能较好的宽带光学频率梳。本发明采用双平行马赫曾德尔调制器（DPMZM）和马赫曾德尔强度调制器（IM）级联的方案，通过调节级联调制器的射频幅值和直流偏置电压，产生了50线宽带光学频率梳，且功率超平坦。该方案产生的光梳线数较多且谱线间隔可调，对其在光通信领域的应用和发展具有重要意义。

具体的说，本发明通过级联DPMZM和两个IM，通过设置不同射频幅值和直流偏置电压，实现DPMZM输出功率相等的±2阶光边带，而两个IM工作状态相同，分别能够产生5线平坦光梳，即IM产生的0阶、±1阶和±2阶光边带功率相等。该方案中后一级调制器将前一级调制器产生的光边带分别当作光源进行调制，从而不断增加光梳线数，最终产生50线平坦光学频率梳，实现了频谱的扩展。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种宽带光学频率梳的产生方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一，所述激光器发出波长为λ，角频率为ω_c，幅值为E_in的光波输入到双平行马赫曾德尔调制器中；其中，注入光波的偏振方向经所述偏振控制器调整，使之与双平行马赫曾德尔调制器的偏振方向一致；

步骤二，以频率为f₁，角频率为ω₁，幅值为V_RF1的射频信号驱动双平行马赫曾德尔调制器的上臂子调制器MZ-a，其工作的直流偏置电压为V_DC1=0，即工作在最大点，所产生的载波和±2阶边带分别为：

E₀(t)=E_inexp(jω_ct)J₀(m₁)，

E_±2(t)=E_inexp[j(ω_ct±2ω₁t)]J₂(m₁)；

步骤三，双平行马赫曾德尔调制器的下臂子调制器MZ-b不调制射频信号，只设置其直流电压V_DC2；并设置主调制器MZ-c直流电压为V_DC3=V_π，则上下臂子调制器输出信号产生180°相移；其中，子调制器MZ-b输出的光载波信号为：

$E_{\mathrm{MZ}-b}\left(t\right)=\frac{E_{\mathrm{in}}}{2}\mathrm{expj}\left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)[\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{DC}2}\right)+\exp (-j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{DC}2})];$

步骤四，调节直流电压V_DC2，使得上下臂子调制器输出的光载波等幅反相，从而相互抵消，此时cosφ_DC2=J₀(m₁)，满足此表达式的参数m₁=πV_RF1/V_π和φ_DC2=πV_DC2/V_π有无数组值，如m₁=1.66,φ_DC2=1.14或m₁=1.44,φ_DC2=0.996等；忽略高次项，最终所述双平行马赫曾德尔调制器只输出±2阶光边带，边带间隔为4f₁；

步骤五，以频率为f₂=0.8f₁，角频率为ω₂=0.8ω₁，幅值为V_RF2的射频信号驱动第一光强度调制器，其工作的直流电压为V_DC4，并假设所述双平行马赫曾德尔调制器输出光信号为E_DPMZ(t)，则第一光强度调制器输出为：

$E_{\mathrm{IM}1}\left(t\right)=\frac{E_{\mathrm{DPMZ}}\left(t\right)}{2}\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}[J_n\left(m_2\right)e^{\mathrm{jn}{w}_{2}t+j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{DC}4}}+J_n(-m_2)e^{\mathrm{jn}{w}_{2}t-j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{DC}4}}],$

此时产生的载波、±1阶和±2阶光边带分别为：

$E_0\left(t\right)=\frac{E_{\mathrm{DPMZ}}\left(t\right)}{2}{J}_0\left(m_2\right)[\exp \left({\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}4}\right)+\exp (-j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{DC}4})],$

$E_{\±1}\left(t\right)=\±\frac{E_{\mathrm{DPMZ}}\left(t\right)}{2}\exp (\±{\mathrm{j\ω}}_{0}t)J_1\left(m_2\right)[\exp \left({\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{DC}4}\right)-\exp (-j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{DC}4})],$

$E_{\±2}\left(t\right)=\frac{E_{\mathrm{DPMZ}}\left(t\right)}{2}\exp (\±j2{\mathrm{\ω}}_{0}t)J_2\left(m_1\right)[\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{DC}4}\right)+\exp (-j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{DC}4})];$

通过设置射频信号幅度V_RF2和直流电压V_DC4，使得：

|E₀(t)|=|E_±1(t)|=|E_±2(t)|，

此时调制指数为m₂=πV_RF2/V_π=1.84，直流引起的相位φ_DC4=πV_DC4/V_π≈0.5，则产生了5线平坦光梳，且是将所述双平行马赫曾德尔调制器输出的2线分别当作光源进行调制，从而产生了10线平坦光梳；

步骤六，驱动第二光强度调制器的射频信号频率为f₃=0.16f₁，按照步骤五对射频幅值V_RF3和直流电压V_DC5进行相同设置，也会产生5线平坦光梳，且是将第一光强度调制器输出的10线分别当作光源进行调制，从而产生了50线平坦光梳；

进一步的，实现本发明的宽带光学频率梳产生方法的装置包括由双平行马赫曾德尔调制器和两个马赫曾德尔强度调制器组成的级联结构。

需要说明的是，所述双平行马赫曾德尔调制器为双驱动端口。

需要说明的是，所述级联结构可产生50线宽带平坦光学频率梳，且谱线间隔可调。

作为应用，本发明的宽带光学频率梳产生装置，适用于WDM和OFDM***中作为多波长光源，或者用来产生任意波形和超短光脉冲。

需要进一步说明的是，本发明是基于三个马赫-曾德尔调制器级联的结构，通过设定各调制器射频信号源的幅值和直流电压源的大小，得到所需要的光学频率梳，即具有宽广的频谱带宽和平坦的谱线功率。另外，该方案结构简单，有利于降低***成本。

本发明有益效果在于，通过设置级联马赫-曾德尔调制器的射频幅值和直流电压，产生了宽带光学频率梳，谱线具有超平坦的光功率且间隔可调。本发明设备简单，可以大大减少WDM***和OFDM***中光源的数量，从而降低***成本，且非常适合用来产生任意波形和超短光脉冲，对比现有技术具有较大的优势。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2分别为本发明中DPMZM产生2线，第一IM产生10线，最终产生50线的输出光谱图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例做详细说明。需要说明的是，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明为一种宽带光学频率梳的产生装置，所述装置包括激光器1、偏振控制器2、偏振控制器8、偏振控制器12、射频信号源4、射频信号源10、射频信号源14、直流电压源5、直流电压源6、直流电压源7、直流电压源11、直流电压源15、双平行马赫-增德尔调制器3、马赫-增德尔强度调制器9、马赫-增德尔强度调制器13及光谱分析仪（OSA）16。所述激光器1的光源输出端口与双平行马赫-增德尔调制器3的输入端口相接，第一个射频信号源4的输出端口与DPMZM子调制MZ-a的射频输入端口相接，直流电压源5、直流电压源6、直流电压源7输出端口分别与双平行马赫-增德尔调制器3的三个直流口a、b、c相连；双平行马赫-增德尔调制器3的输出端口与马赫-增德尔强度调制器9的输入端口相接，射频信号源10的输出端口与马赫-增德尔强度调制器9的射频输入端口相接，直流电压源11的输出端与第马赫-增德尔强度调制器9的直流端口相接；马赫-增德尔强度调制器13的输入端口与马赫-增德尔强度调制器9的输出端口相接，射频信号源14和直流电压源15分别与马赫-增德尔强度调制器13的射频输入端口及直流端口相接；马赫-增德尔强度调制器13的输出端口与光谱分析仪（OSA）16相接，测量该装置产生宽带光学频率梳的光谱图。

本实例中，使用所述装置产生宽带光学频率梳的方法如下：

步骤一，光源产生工作波长为1550nm的连续光波，连续光波输入到半波电压为5V、消光比为30dB的双平行马赫-增德尔调制器，第一个射频信号源输出25GHz幅值合适的信号，分别设置第一和第三直流电压源输出0V和5V的电压。调节第二个直流电压源的大小，从而抵消0阶光载波，最终双平行马赫-增德尔调制器输出±2阶光边带，即2线平坦光梳。

步骤二，半波电压为5V、消光比为30dB的第一个马赫-曾德尔强度调制器，其射频驱动信号的频率为20GHz、幅值为2.93V，并设置其直流电压输出0.80V，从而产生了5线平坦光梳，且是将双平行马赫-增德尔调制器输出的2线分别当作光源调制，则最终第一个马赫-曾德尔强度调制器输出10线平坦光梳。

步骤三，相同型号的第二个马赫-曾德尔强度调制器，设置其射频驱动信号的频率为4GHz、幅值为2.93V，直流电压为0.80V，从而也产生5线平坦光梳，且是将第一个马赫-曾德尔强度调制器输出10线平坦光梳分别当作光源调制，则最终第二个马赫-曾德尔强度调制器输出50线平坦光梳，功率平坦度在1dB以内，光边带抑制比为13dB。

如图2所示，图2a是设置双平行马赫-增德尔调制器输出±2阶光边带，即2线平坦光梳，图2b是第一马赫-曾德尔强度调制器输出10线平坦光梳；图2c是设置第二马赫-曾德尔强度调制器输出50线平坦光梳。

进一步地，分析本发明中产生的宽带光学频率梳的性能，主要包括频谱带宽、谱线个数、功率平坦度和抑制比等。还有此时各调制器的射频幅值和直流偏置电压值。具体的说，设置双平行马赫-增德尔调制器子调制器MZ-a的射频信号RF1频率为25GHz、幅值为2.3V，直流偏置电压DC1为0V，子调制器MZ-b不调制射频信号，直流偏置电压DC2为1.586V，主调制器的直流偏置电压为5V，从而产生180°相移，产生平坦度为0.01dB的2线光梳，抑制比为18dB，由于双平行马赫-曾德尔调制器的消光比设置为目前器件实际值30dB，所以奇次阶光边带没有完全消失，随着器件水平的进一步提高，将产生更为纯净的2线光梳，2006年Tetsuya Kawanishi等人在美国光纤通讯研讨会（OFC）上提出了70dB消光比的双平行马赫-曾德尔调制器；第一光强度调制器的射频信号RF2频率为20GHz、幅值为2.93V，直流偏置电压DC4为0.80V，产生平坦度为0.2dB的10线光梳，抑制比为15dB；设置第二光强度调制器的射频信号RF3频率为4GHz、幅值为2.93V，直流偏置电压DC5为0.80V，产生平坦度为1dB的50线光梳，频谱带宽为196GHz，抑制比为13dB。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽带光学频率梳的产生方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 

步骤一，所述激光器发出波长为λ，角频率为ω_c，幅值为E_in的光波输入到双平行马赫曾德尔调制器中；其中，注入光波的偏振方向经所述偏振控制器调整，使之与双平行马赫曾德尔调制器的偏振方向一致； 

步骤二，以频率为f₁，角频率为ω₁，幅值为V_RF1的射频信号驱动双平行马赫曾德尔调制器的上臂子调制器MZ-a，其工作的直流偏置电压为V_DC1=0，即工作在最大点，所产生的载波和±2阶边带分别为： 

E₀(t)=E_inexp(jω_ct)J₀(m₁)， 

E_±2(t)=E_inexp[j(ω_ct±2ω₁t)]J₂(m₁)； 

步骤三，双平行马赫曾德尔调制器的下臂子调制器MZ-b不调制射频信号，只设置其直流电压V_DC2；并设置主调制器MZ-c直流电压为V_DC3=V_π，则上下臂子调制器输出信号产生180°相移；其中，子调制器MZ-b输出的光载波信号为： 

步骤四，调节直流电压V_DC2，使得上下臂子调制器输出的光载波等幅反相，从而相互抵消，此时cosφ_DC2=J₀(m₁)，满足此表达式的参数m₁=πV_RF1/V_π和φ_DC2=πV_DC2/V_π有无数组值，如m₁=1.66,φ_DC2=1.14或m₁=1.44,φ_DC2=0.996等；忽略高次项，最终所述双平行马赫曾德尔调制器只输出±2阶光边带，边带间隔为4f₁； 

步骤五，以频率为f₂=0.8f₁，角频率为ω₂=0.8ω₁，幅值为V_RF2的射频信号驱动第一光强度调制器，其工作的直流电压为V_DC4，并假设所述双平行马赫曾德尔调制器输出光信号为E_DPMZ(t)，则第一光强度调制器输出为： 

此时产生的载波、±1阶和±2阶光边带分别为： 

通过设置射频信号幅度V_RF2和直流电压V_DC4，使得： 

|E₀(t)|=|E_±1(t)|=|E_±2(t)|， 

此时调制指数为m₂=πV_RF2/V_π=1.84，直流引起的相位φ_DC4=πV_DC4/V_π≈0.5，则产生了5线平坦光梳，且是将所述双平行马赫曾德尔调制器输出的2线分别当作光源进行调制，从而产生了10线平坦光梳； 

步骤六，驱动第二光强度调制器的射频信号频率为f₃=0.16f₁，按照步骤五对射频幅值V_RF3和直流电压V_DC5进行相同设置，也会产生5线平坦光梳，且是将第一光强度调制器输出的10线分别当作光源进行调制，从而产生了50线平坦光梳。

2.一种产生权利要求1所述的宽带光学频率梳的装置，其特征 在于，所述装置包括由双平行马赫曾德尔调制器和两个马赫曾德尔强度调制器组成的级联结构。 

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述双平行马赫曾德尔调制器为双驱动端口。 

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述级联结构可产生50线宽带平坦光学频率梳，且谱线间隔可调。 

5.一种利用权利要求2所述的宽带光学频率梳产生装置，可用于WDM和OFDM***中作为多波长光源，或者用来产生任意波形和超短光脉冲。 

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