CN113156733A - 基于乘方运算电路和级联mzm的光学频率梳产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置，包括连续光源、级联的两个马赫‑曾德尔调制器、射频信号源和乘方运算电路；射频信号源输出射频信号，射频信号经乘方运算电路产生射频乘方信号，射频乘方信号经电功分器后依次驱动级联的第一马赫‑曾德尔调制器和第二马赫‑曾德尔调制器，级联的马赫‑曾德尔调制器对连续光源输出的连续光进行调制产生光学频率梳。本发明产生的光学频率梳具有频率分量数目和频率间隔可调谐、带宽高以及功率平坦度高等优势。

Description

基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置
技术领域
本发明属于光子学技术领域，特别涉及一种基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置。
背景技术
近年来，光学频率梳的产生在光子学技术的诸多领域引起了人们的极大兴趣。光学频率梳在包括光通信、微波光子学、光谱学和计量学等领域起着广泛而重要的作用。
传统的光学频率梳生成方法，包括微环谐振腔、锁模激光器和非线性光纤等。近年来，随着电光调制器(EOM)的发展，利用电光调制器产生光学频率梳的研究逐渐引起了人们的广泛关注。
在采用电光调制器生成光学频率梳的研究中，主要的方法有：利用相位调制器(PM)和强度调制器(IM)协同作用，对激光进行调制，先利用相位调制将单频光变为多频光，再利用强度调制器的非线性效应提升光谱平坦度，获得光学频率梳；利用马赫-曾德尔调制器(MZM)在单个正弦射频信号(RF)驱动下，对激光进行调制，通过调节射频信号的相位和直流偏压提升光谱平坦度，获得光学频率梳；利用偏振控制器(PolM)对激光进行调制，通过调节光信号与主轴之间的夹角，使PolM等效于强度调制器且避免了直流漂移，获得光学频率梳等。
目前已有的基于电光调制器产生光学频率梳的方案中，所产生的光学频率梳频率分量数目无法调谐、带宽较低且功率平坦度较差。因此，如何简化光学频率梳发生装置，产生频谱平坦度高，且频率间隔可调谐的光学频率梳变得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置，利用射频信号经乘方运算电路进行乘方混频产生射频乘方信号，级联的马赫-曾德尔调制器在该射频乘方信号驱动下，对输入的连续光进行调制产生平坦的光学频率梳，产生的光学频率梳具有频率分量数目和频率间隔可调谐、带宽高以及功率平坦度高优势。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置，包括：连续光源、级联的两个马赫-曾德尔调制器、射频信号源和乘方运算电路；
所述射频信号源输出射频信号，所述射频信号经所述乘方运算电路进行乘方运算后产生射频乘方信号，所述射频乘方信号经电功分器分为四个射频支路信号，所述四个射频支路信号作为调制电压分别驱动所述级联的两个马赫-曾德尔调制器，所述级联的马赫-曾德尔调制器对所述连续光源输出的连续光进行调制，得到光学频率梳。
可选的，所述乘方运算电路包括级联的多个电平方器，所述电平方器的个数由设定的光学频率梳的梳线数决定。
可选的，所述连续光源为连续激光器。
可选的，所述射频信号源为连续射频信号发生器。
可选的，所述马赫-曾德尔调制器为双驱动马赫-曾德尔调制器。
可选的，所述马赫-曾德尔调制器的上下支臂还连接作为偏置电压的直流电源，且偏置电压可调节。
可选的，还包括两个衰减器，其中一个衰减器连接电功分器的输出端和其中一个马赫-曾德尔调制器的上支臂，另一个衰减器连接电功分器的输出端和另一个马赫-曾德尔调制器的上支臂，以调节两个马赫-曾德尔调制器上支臂的调制电压。
可选的，所述射频信号的信号频率和振幅是由光学频率梳的频率分量数目和频率间隔决定。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1）本发明装置，利用射频信号进行乘方混频产生射频乘方信号，级联的马赫-曾德尔调制器在该射频乘方信号驱动下，对输入的连续光进行调制产生平坦的光学频率梳，以简单的射频信号经过乘方替代复杂的所需驱动信号，相对于射频信号直接驱动实现了频率间隔的倍增，具有频率分量数目和频率间隔可调谐、带宽高以及功率平坦度高优势；
2）本发明对所需射频信号的频率要求较低，通过改变射频信号的频率，便可对输出的光学频率梳频率间隔进行调谐，产生的光学频率梳具有良好的频谱特性，并在微波光子学和光通信等领域中得到重要的应用。
附图说明
图1本发明光学频率梳产生装置的结构示意图；
图2本发明实施例中乘方运算电路的结构示意图；
图3是本发明实施例得到的平坦光学频率梳频谱图。
附图中标记的含义：CW Laser-连续光源、MZM-马赫-曾德尔调制器、RF SignalSource-射频信号源、Coupling Circuit-乘方运算电路、Square-电平方器、Splitter-电功分器、OSA-光学频谱分析仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的一种基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置，参见图1所示，包括连续光源(CW)、级联的两个马赫-曾德尔调制器(MZM)、射频信号源(RF)、和乘方运算电路。
射频信号源输出射频信号，射频信号经乘方运算电路进行乘方（n次方）运算处理后产生射频乘方信号，射频乘方信号经电功分器分为4个射频支路信号，4个射频支路信号分别驱动级联的2个马赫-曾德尔调制器，级联的马赫-曾德尔调制器对连续光源输出的连续光进行调制，得到频率分量数目多、功率平坦度高且频率间隔可调的光学频率梳。
乘方运算电路由n个电平方器级联组成。平方器是对输入的电信号进行平方运算处理；n由设定的目标梳线数决定。
马赫-曾德尔调制器为双驱动马赫-曾德尔调制器。2个马赫-曾德尔调制器分别记为第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器。MZM的结构是将输入激光分束为两个光支路，然后再合束后输出；双驱动MZM的上下两个支臂分别都施加一个调制信号和一个偏置直流，对应即为调制电压和偏置电压；每个双驱动MZM有两个调制电压和两个偏置电压可以设定。通过合适的调制电压和偏执电压，使调制器输出平坦度的光梳。
优选的，还包括第一衰减器和第二衰减器；第一衰减器连接电功分器和第一马赫-曾德尔调制器，使第一马赫-曾德尔调制器上支臂的调制电压大小可调；第二衰减器连接电功分器和第二马赫-曾德尔调制器，使第二马赫-曾德尔调制器上支臂的调制电压大小可调。调制电压和偏执电压影响光梳的梳线数和平坦度。
基于以上装置，本发明的一种基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生方法，包括步骤如下所示：
步骤S1，根据目标光梳OFC的频率分量数目和频率间隔，得出所需OFC的频谱分布；
步骤S2，根据马赫-曾德尔调制器MZM的原理，由所需OFC的频谱分布得出所需射频乘方信号；
步骤S3，由所需射频乘方信号得出所需射频信号源输出的信号频率、振幅和乘方形式；
步骤S4，根据所需射频信号源输出的信号频率、振幅设置射频信号源输出所需射频信号，经乘方运算电路、电功分器，产生所需的射频乘方信号驱动马赫-曾德尔调制器MZM；
步骤S5，连续光源CW输出单波长连续光至马赫-曾德尔调制器MZM中，同时发生相位和强度调制，产生平坦OFC；
通过射频信号乘方，实现OFC频率间隔的倍增；通过改变射频信号源输出信号的频率，实现OFC的频率间隔可调谐；通过级联马赫-曾德尔调制器MZM，实现OFC频率分量的增多；通过改变MZM两个光支路的偏置电压和调制电压对OFC的各个梳线（光边带）进行优化，使OFC的频谱平坦度发生改变；通过改变乘方次数，实现OFC的频率分量数目和频率间隔可设计。
实施例一：
根据MZM的原理，由目标OFC的频谱函数，得出驱动级联MZM产生19梳线平坦OFC所需的驱动信号为单个周期波形类高斯脉冲的射频信号；根据傅里叶级数关系，该射频乘方信号可等效表示为2个功率比值为4:1、频率分别为2f c 和4f c 的正弦射频信号的叠加，亦等同于1个频率为的f c 正弦射频信号的4次乘方，如图2所示。图2可以看作是射频信号经过乘方运算电路的等效电路，只是这种等效电路需要两个射频源，是一种成本较高的选择。MZM产生的OFC等效于2套频率间隔为2f c 和4f c 的OFC谱系叠加，使得梳状光谱具有较高的功率平坦度。
射频信号源输出频率为f c 、振幅为V 0的射频信号，乘方运算电路将输入的射频信号进行混频产生射频乘方信号，乘方运算电路输出的射频乘方信号驱动级联MZM，乘方形式决定了乘方运算电路输出的射频乘方信号的时域波形和频谱特性，同时决定了对应光学频率梳的频率间隔和频率分量数目；MZM的调制深度与两光支路的偏置电压V bias1、V bias2以及调制电压V d有关，通过改变偏置电压和调制电压可调整光学频率梳中各阶光边带的功率大小，进而提高OFC的功率平坦度。
初步设置连续光源的中心频率为193.1THz，光功率为10dBm，初始相位为0，线宽为10MHz；射频信号源输出为频率5GHz的正弦型射频信号； MZM的偏置电压V bias1、V bias2分别为0V和2.3V。连续光源输出的连续光输入到MZM中；在乘方运算电路中，电功分器将输入的正弦射频信号进行2次平方混频，与图2所示耦合方式等效；级联MZM在输入的耦合正弦射频信号驱动下，调制连续光，得到频率分量数为19、频率间距为10GHz、平坦度为2dB的光学频率梳，如图3所示。
综上所述，本发明利用乘方运算电路对射频信号耦合混频产生耦合信号，驱动MZM对输入光进行调制产生平坦的光学频率梳，结构简单，易于操作，光学频率梳的频谱平坦度高，频率分量多，频率间隔可调谐，产生的光学频率梳具有良好的平坦度，且所需射频信号频率较低，并在光通信等领域中得到重要的应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置，其特征是，包括：连续光源、级联的两个马赫-曾德尔调制器、射频信号源和乘方运算电路；
所述射频信号源输出射频信号，所述射频信号经所述乘方运算电路进行乘方运算后产生射频乘方信号，所述射频乘方信号经电功分器分为四个射频支路信号，所述四个射频支路信号作为调制电压分别驱动所述级联的两个马赫-曾德尔调制器，所述级联的马赫-曾德尔调制器对所述连续光源输出的连续光进行调制，得到光学频率梳。
2.根据权利要求1所述的基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置，其特征是，所述乘方运算电路包括级联的多个电平方器，所述电平方器的个数由设定的光学频率梳的梳线数决定。
3.根据权利要求1所述的基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置，其特征是，所述连续光源为连续激光器。
4.根据权利要求1所述的基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置，其特征是，所述射频信号源为连续射频信号发生器。
5.根据权利要求1所述的基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置，其特征是，所述马赫-曾德尔调制器为双驱动马赫-曾德尔调制器。
6.根据权利要求5所述的基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置，其特征是，所述马赫-曾德尔调制器的上下支臂还连接作为偏置电压的直流电源，且偏置电压可调节。
7.根据权利要求6所述的基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置，其特征是，还包括两个衰减器，其中一个衰减器连接电功分器的输出端和其中一个马赫-曾德尔调制器的上支臂，另一个衰减器连接电功分器的输出端和另一个马赫-曾德尔调制器的上支臂，以调节两个马赫-曾德尔调制器上支臂的调制电压。
8.根据权利要求1所述的基于乘方运算电路和级联MZM的光学频率梳产生装置，其特征是，所述射频信号的信号频率和振幅是由光学频率梳的频率分量数目和频率间隔决定。
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