一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置与流程

本发明属于微波光子学技术领域，更确切地，涉及一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置。

背景技术：

光频梳本质是一种超短光脉冲激光，在频域它的光谱表现为若干频率间隔相等的梳线，形状像梳子。在光学领域，光频梳如同一把尺子，可实现对光学频率的测量，以光频梳为重要研究内容的研究获得了2005年的诺贝尔物理学奖(参见[魏志义。2005年诺贝尔物理学奖与光学频率梳。物理，2006，35(03)；213-217])。光频梳在精密测距、微波光子学任意波发生器、微波光子学信号处理等相关领域也有重要应用。光频梳的发展极大程度地提高了微波光子学的应用速度和效率。近年来，随着超级信道光传输系统的研究兴起，光频梳又作为可以产生频率锁定的多载波超短光脉冲光源被广泛应用到光通信系统中。与连续cw(continuouswave)光波光源相比，光频梳具有多个频率锁定的频率成分，表现为光脉冲序列，且具有极好的相干性，被看作一种超级激光器。传统的wdm(wavelengthdivisionmultiplexing)技术和密集波分复用技术需要多个独立激光器提供光载波，难以实现光源之间的相干性，并且设计成本巨大，研究者开始将光频梳作为多载波光源应用于光波分复用系统中，成为实现tb/s超级信道有效的解决方案。因此光频梳是微波光子学领域以及光通信领域的研究热点。

传统光频梳产生技术依赖于锁模激光器(参见[s.a.diddams,“theevolvingopticalfrequencycomb,”j.opt.soc.am.b,vol.27,no.11,pp.b51–b62,november2010.])和循环频移结构(参见[j.p.li,x.b.zhang,andz.h.li.“opticalfrequencycombgenerationbyutilizingthethreebranchwaveguideinterferometer-basedsingle-sidebandmodulatorwithrecirculatingfrequencyshiftingloop,”opt.eng.,vol.53,no.12,pp.122606-1～5,december2014.])。锁模激光器波长调谐范围较大，还可以在一定范围内对重复频率进行调节，有很好的相位稳定性，但是锁模激光器的重复频率调节范围较小，故生成光频梳的梳齿间距较小，梳齿间距可调节灵活性差。循环频移结构利用循环移频来增大载波数目，产生的光频梳梳齿数目较多、平坦度较好，但是存在相位关系不明确、载波噪声大等缺点。另外，激励种子光频梳也是获得光频梳的常见技术；目前常见产生种子光频梳的方法有两种：泵浦光电光调制边带和梳齿反馈技术。电光调制边带产生的种子光频梳虽说梳齿间距灵活可调，但是高阶边带的功率通常非常低；而梳齿反馈作为种子光，由于反馈环路的不稳定，产生的光频梳稳定性相对较差。与此同时，一个独立的、不受外界扰动影响的半导体激光器产生的是稳定的光输出，而在受到外界主激光器输出光信号的微扰时，被微扰的从激光器腔内光子和载流子之间的相互作用受到微扰，呈现各种非线性状态，如单周期、倍周期、多周期、类周期、混沌态等。该主从光注入结构系统结构简单、容易操控，仅通过调控外部光注入参数和从激光器的偏置电流，就可以改变从激光器的输出特性。研究结果表明，特别地将处于单周期振荡状态的从激光器的输出光作为种子光频梳，在光频梳增强技术的激励下，基于光注入技术产生的光频梳可以很好地弥补传统方法产生光频梳的缺点与不足。

技术实现要素：

基于以上技术问题和研究结果，本发明提供了一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置，同时解决了以往光频梳梳齿间距调节灵活性差、梳齿间相位关系不明确和载波噪声大的技术问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法，基于光注入技术和次谐波调制技术，可以降低光频梳产生的阈值，提高相干性，并实现梳齿间距灵活可调。

进一步地，一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法，基于光注入技术产生种子光频梳，从激光器处于单周期振荡，产生的光频梳梳齿数量较少，梳齿间距由主从激光器的失谐频率和从激光器的红移频率决定。引入外加射频源，对产生的种子光频梳进行次谐波调制，一定程度上增加了产生光频梳梳齿的数量，最终产生的光频梳无论是梳齿数量还是平坦度都得到优化，梳齿间距由射频源的输出频率决定，相比于主从光注入结构直接产生的光频梳而言，梳齿间距更灵活可调。

本发明提供一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生装置，包括主激光器、偏振控制器、可调光衰减器、射频源、光环形器、从激光器。上述各部件的结构关系是：主激光器的输出光信号，依次通过偏振控制器、可调光衰减器，最后通过光环形器的1端口把光信号输入到连接在光环形器2端口的从激光器中，对从激光器内部进行扰动，使从激光器处于单周期振荡，产生种子光频梳；随后射频源对从激光器进行直接调制，调制后的光信号，返回到光环形器2端口，然后经光环形器3端口输出光频梳。

主激光器通常是波长灵活可调的激光源，可以方便准确地控制主从激光器之间的失谐频率，具有波长稳定性好、功率稳定度高、线宽窄的特点；可以是分布反馈激光器、分布布拉格反射镜激光器、垂直腔面发射激光器以及外腔激光器。

从激光器是允许外光注入的、允许射频信号直接调制的半导体激光器，可以是分布反馈半导体激光器、分布布拉格反射镜激光器、垂直腔面发射激光器以及法布里-珀罗半导体激光器。

进一步地，主激光器、偏振控制器、可调光衰减器、从激光器、光环形器构成主从光注入结构。

进一步地，一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置，采用光注入技术增强了从激光器的频率响应，提高了从激光器的调制带宽，进而拓宽了所述光频梳的梳齿间距的可调谐范围。

进一步地，由于外部光源的影响，从激光器因增益饱和而产生频率推移效应，自身的谐振模式发生红移，并且光谱中出现其它的光谱成分，光谱中各个光谱成分间具有相同的频率间隔。

进一步地，一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置，主从光注入结构的引入可以有效抑制频率啁啾。

进一步地，一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置，由于外加射频源外调制的引入有利于减少相位噪声。

进一步地，一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置，通过主从光注入结构的引入，使从激光器处于单周期振荡态，获得近单边带光谱，为射频源直接调制产生梳齿数目更多的光频梳提供了光注入种子光频梳。

进一步地，一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置，采用主从光注入光结构，调节所述主激光器的工作波长和输出功率，并使所述从激光器保持在单周期振荡状态，其对应的微波振荡频率可调，所述光注入种子光频梳的梳齿间距可调。

进一步地，一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置，通过控制射频源输出的射频信号的频率来改变产生光频梳的梳齿间距，具有梳齿间距灵活可调的优点。

进一步地，一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置，通过改变射频源输出信号的功率，以此优化产生光频梳的平坦度和光频梳梳齿数量。

进一步地，一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置，通过对主激光器输出光波偏振态的调整，使得所述从激光器获得最大的注入效率。

进一步地，一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置，具有结构简单、调谐方便的优点。

根据相同的思路还可以得到以下技术方案：

一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生装置包括：

主激光器：用于生成波长可调的有一定功率输出的注入光信号。

从激光器：允许外光注入的、允许射频信号直接调制的半导体激光器。

光隔离器：防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生不良影响。

光放大器：放大主激光器产生的光信号，增大注入光功率的可调谐范围。

偏振控制器：调整主激光器输出信号的偏振态。

可调光衰减器：调节主激光器注入到从激光器中的注入系数。

射频源：用于提供对种子光频梳进行次谐波调制的射频信号；改变输出射频信号的频率和功率，对种子光频梳进行调制；

其中，主激光器的输出光波通过偏振控制器和光环行器注入到从激光器，调节主激光器的工作波长和输出功率，使得所述从激光器处于单周期振荡状态，产生种子光频梳，射频源对从激光器产生的种子光频梳进行次谐波调制，进而产生梳齿数量增多、梳齿间距灵活可调的光频梳。

光环形器：用于将光信号从1端口、2端口到3端口进行单向传输，1端口、2端口和3端口分别与所述主激光器的输出端口、从激光器的输出端口、光谱测量仪器的输入端口连接。

本发明中光放大器选用掺铒光纤放大器,但不局限于掺铒光纤放大器，也不局限于光纤放大器。

本发明首先通过主从光注入系统，使从激光器处于单周期振荡状态，产生光注入种子光频梳，再利用外加射频源对从激光器进行直接调制产生性能增强的光频梳。光注入种子光频梳的引入使进行次谐波调制时更容易产生光频梳，增加光频梳的梳齿数量，并且产生的光频梳梳齿间距可以通过改变射频源的输出频率来调节，具有灵活可调、相位关系稳定、噪声小等优点。

与现有的技术相比，此发明的有以下优点：

主激光器输出光信号，通过光环形器进入从激光器并对从激光器进行扰动，从激光器在外部注入光信号的干扰下，进入单周期振荡状态，产生种子光频梳；利用频率等于所述单周期振荡状态对应的微波振荡频率的整数倍分之一的射频信号同时调制所述从激光器，所述光注入种子光频梳性能得以提升，增强为梳齿间距灵活可调的光频梳。与传统的基于锁模激光器产生光频梳的方案来相比，本发明把光注入技术和直接调制技术相结合，提供了一种产生光频梳梳齿数量较多、梳齿间距可调的方案；与循环移频结构产生的光频梳相比，本发明中梳齿间相位关系明确，载波噪声较小；与级联调制器方案产生的光频梳相比，本发明产生光频梳的装置结构简单。

附图说明

图1是一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生装置结构示意图。

图2是一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生装置的一个具体实施例的结构示意图。

图3是一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法的原理示意图。

图4是调制频率为4ghz时，产生的光频梳的梳齿数量与调制功率的关系图。

图5是本发明中射频源调制频率为4ghz时，调制功率为21db下产生的光频梳光谱图。

图6是本发明中射频源调制频率为4ghz时，调制功率为23db下产生的光频梳光谱图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置，能够容易产生稳定的光频梳，实现梳齿间距灵活可调、梳齿数量多、梳齿间的相干性好和平坦度好的光频梳。

本发明实施方案提供的一种梳齿间距灵活可调的光频梳产生方法及产生装置，具体实施如下。

具体实施例

本发明利用可调谐半导体激光器作为主激光器，主激光器发出的光信号首先经过光隔离器，目的是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生不良影响；通过光隔离器的光信号经过光放大器进行光信号放大，以保证主从光注入系统中注入系数能够满足实验需求；经过放大后的光信号通过偏振控制器，保证主激光器输出的光信号与从激光器输出的光信号具有最佳的相干性；再经过可调光衰减器，改变注入到从激光器的注入功率；随后把光信号从光环形器的1端口输入到与光环形器2端口连接的从激光器中，主激光器输出波长为1557.78nm，从激光器的输出波长为1557.79nm，通过调节适当的注入系数使从激光器处于单周期振荡状态，主激光器的输出光信号的频率与从激光器红移后输出光信号的频率差为8ghz，外加射频源输出射频信号的频率等于4ghz(1/2次谐波调制)，通过改变调制功率产生平坦度好、梳齿数目多的光频梳。图5是调节射频源输出功率等于21db时光频梳的光谱图，在平坦度为1.2dbm内产生光频梳的梳齿数量为12根，梳齿间距为4ghz。图6是射频源的输出功率为23db时光频梳的光谱图，在平坦度为2.3dbm内产生光频梳的梳齿数量为17根，梳齿间距为4ghz。本发明还研究了光注入半导体在次谐波调制下所获得的光频梳的特性，结果表明：随着射频源次谐波调制电信号功率强度的增加，产生的光频梳的梳齿数目先逐渐增多随后降低。尽管本发明的研究是基于1/2次谐波调制产生光频梳，但是初步的实验结果表明该技术具有向1/3、1/4等更高阶的次谐波调制产生光频梳的潜在可能性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。