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1、(10)申请公布号 CN 102929069 A (43)申请公布日 2013.02.13 CN 102929069 A *CN102929069A* (21)申请号 201210341972.8 (22)申请日 2012.09.14 G02F 1/35(2006.01) G02F 1/37(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 (72)发明人 闫娟娟 魏人杰 彭亦超 (74)专利代理机构 北京聿宏知识产权代理有限 公司 11372 代理人 吴大建 刘华联 (54) 发明名称 光学频率梳发生器中一种功率有效的微波信 号配置方法 (。
2、57) 摘要 本发明公开了一种在基于双正弦射频信号光 调制的光学频率梳发生器中有效配置微波调制信 号的方法， 光频梳发生器结构如附图所示， 其中的 两个射频信号频率具有整数倍关系。本发明提供 的调制信号配置方法为， 将基频正弦射频信号加 载于相位调制器， 高次谐波信号加载于强度调制 器。 这种配置方法与传统方法， 即将基频信号加载 于强度调制器， 高次谐波信号加载于相位调制器 的方法相比， 本发明提供的方法可以较低的微波 信号功率产生相同谱线条数且具相同平坦度的光 学频率梳， 并且输出的光学频率梳具有更高的功 率效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 7 页 。
3、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 7 页 1/1 页 2 1. 基于双正弦射频信号光调制的光学频率梳发生器中一种功率有效的微波信号配置 方法， 其特征在于， 光学频率梳发生器包括以下器件 ： 激光器 (1)， 一个单臂马赫曾德尔强 度调制器 (2)， 一个 LiNbO3相位调制器 (5)， 两个微波信号源 (3， 6)， 一个直流电压源 (4)。 强度调制器 (2) 和相位调制器 (5) 采用级联形式， 激光器 (1) 产生的连续激光光波依次由 微波信号 （3） 和 （6） 分别进行强度调制和相位调制。 2. 如权利要求 1 。
4、所述的光学频率梳发生器装置， 其特征在于， 两射频驱动信号频率具 有整数倍关系， 且基频信号加载于相位调制器， 高次谐波信号加载于强度调制器。 3. 如权利要求 2 所述的微波信号配置方法， 其特征在于， 有效地应用了相位调制器输 出频谱的叠加效应， 这种配置方法与传统方法， 即将基频信号加载于强度调制器， 高次谐波 信号加载于相位调制器的方法相比， 可在平坦度一定的情况下， 有效降低用于驱动相位调 制器的微波信号功率。 4. 如权利要求 2 所述的微波信号配置方法， 其特征在于， 有效地应用了相位调制器输 出频谱的叠加效应， 输出的光学频率梳具有更高的功率效率， 即功率更集中于可用的平坦 的。
5、光频率谱线上。 5. 如权利要求 2 所述的微波信号配置方法， 其特征在于， 由于可有效降低相位调制器 的微波驱动信号功率， 因此， 当相位调制器驱动信号功率与传统方法配置之下的功率相等 时， 可以增加输出的平坦谱线的数量， 实现更大带宽的平坦光学频率梳。 权 利 要 求 书 CN 102929069 A 2 1/4 页 3 光学频率梳发生器中一种功率有效的微波信号配置方法 技术领域 0001 在基于级联的单臂马赫曾德尔型强度调制器和 LiNbO3相位调制器的光学频率梳 发生器中， 其调制信号为具有倍频关系的两个正弦射频信号时可产生更多的光频率谱线。 本发明涉及一种针对于这种光学频率梳信号发生。
6、器的微波调制信号配置方法。 通过合理配 置微波射频信号， 可在系统输出谱线平坦度一定的条件下， 有效降低相位调制器所需的微 波信号驱动功率。本发明属于微波光子技术领域， 尤其涉及基于光调制的光学频率梳产生 方法的技术领域。 背景技术 0002 近年来， 光学频率梳发生器吸引了越来越多的关注。光学频率梳可被用于光任意 波形产生 （O-AWG） ， 波分复用 （WDM） 网络， 光频率测量及其它基本物理量测量等方面。 0003 到目前为止， 产生光学频率梳的方法主要包括两种 ： 一种是采用锁模激光器的 方法， 另一种是基于光学调制的方法。后一种方法由于其更易调节， 具有高稳定和大带宽 等突出优点，。
7、 是目前的研究热点。在采用级联强度和相位调制器产生光频梳的系统中， 通过增大相位调制器的调制指数可以增加输出的光频率谱线的条数， 然而， 大功率微波 信号源价格昂贵且输出功率有限。另一种增加输出光频率谱线条数的方法是对多个正 弦微波信号进行光调制。如， 通过在相位调制器上加载 3GHz 的正弦型及其三次谐波微 波信号， 可得到间隔为 3GHz 的 9 条平坦度为 0.8dB 的光频梳 （参考文献 ： S.Ozharar,F. Quinlan,I.Ozdur,et al.Ultraflat Optical Comb Generation by Phase-Only Modulation of C。
8、ontinuous-Wave LightJ.IEEE Photonics Technology Letters. Vol.20,No.1,2008,pp:36-38.） 。再如， 利用两个强度和两个相位调制器级联， 将频率 为 10GHz 的微波信号和其二次谐波信号分别施加于两个相位调制器， 可得到 38 条频 率间隔为 10GHz， 平坦度为 1dB 的谱线 （参考文献 ： R.Wu,V.R.Supradeepa,C.M.Long,et al.Generation of very flat optical frequency combs from continuous-wave lasers。
9、 using cascaded intensity and phase modulators driven by tailored radio frequency waveforms J.Optics Letters.Vol.35,No.19,2010,pp:3234-3236.） 。 0004 因此， 在目前已有的基于双射频信号光调制产生光学频率梳的研究中， 都将基频 信号加载在强度调制器上， 而其高次谐波信号施加在相位调制器上， 这样虽然能够在一定 程度上增加输出的光学频率梳平坦谱线数量， 但需要较高的微波信号功率， 一般需要大于 27dBm， 有的甚至达到30dBm， 购买此类高频大功率。
10、信号源需要较高成本。 本发明针对这种基 于双正弦射频信号光调制的光学频率梳发生器， 提供一种功率有效的微波调制信号配置方 法。 发明内容 0005 本发明公开了一种在基于双正弦射频信号光调制的光学频率梳发生器中有效配 置微波调制信号的方法。 具体方法为， 将基频正弦射频信号加载于相位调制器， 高次谐波信 说 明 书 CN 102929069 A 3 2/4 页 4 号加载于强度调制器。 这种配置方法与传统方法， 即将基频信号加载于强度调制器， 高次谐 波信号加载于相位调制器的方法相比， 本发明提供的方法可以较低的微波信号功率产生相 同谱线条数且具相同平坦度的光学频率梳， 并且输出的光学频率梳具。
11、有更高的功率效率。 0006 具体而言， 本发明涉及的光学频率梳发生器结构如图 1 所示。图 1 中， 激光器 (1) 发出的连续激光进入强度调制器 (2)， 微波信号源 (3) 和直流电压源 (4) 加载到强度调制 器 (2) 上。强度调制器 (2) 的输出送入相位调制器 (5)， 微波信号源 (6) 施加于相位调制器 (5)， 最后从相位调制器 (5) 输出光学频率梳 (7)。通过调节微波信号源 (3) 和 (6) 及强度 调制器 (2) 的直流电压源 (4) 可以使得输出的光学频率梳 (7) 实现平坦化。具体的理论公 式为 ： 0007 0008 其中， E0和 0是激光光波的电场幅度和。
12、频率。=VIM/V_IM和 =VPM/V_PM分别 是相对于强度调制器 (2) 和相位调制器 (5) 的半波电压 V归一化后的调制指数， =Vbias/ V_bias是相对于强度调制器直流偏置半波电压 V_bias归一化后的直流偏置电压， 是两 个微波信号之间的相位差。 0009 本发明基于如下原理。假设激光器 (1) 工作的中心频率为 f0， 微波信号源 (3) 和 微波信号源 (6) 输出的微波信号频率分别为 ： f1和 f2。激光器 (1) 发出的连续激光经过强 度调制器 (2) 后会得到频率间隔等于微波信号源 (3) 频率的谱线， 其中功率最强的三条谱 线对应的频率分别为 f0、 f0。
13、-f1和 f0+f1， 其它边频分量强度较小， 作用有限。对于相位调制 器 (5)， 强度调制器 (2) 输出的三条谱分量可看作三个独立的输入源， 相位调制器 (5) 对每 一个谱分量进行调制， 得到三个输出谱， 将其中相同频率点对应的谱分量分别叠加， 即得到 输出的光学频率梳。按照本发明提供的微波信号配置方法， 驱动强度调制器的微波信号频 率 f1为高次谐波信号， 即 f1=mf， 其中 m 为正整数， 驱动相位调制器的微波信号频率 f2为基 频信号， 即 f2 f。而按照传统配置方法， 基频信号用于驱动强度调制器， f1 f， 高次谐波 信号用于驱动相位调制器 f2=mf。当 m=3 时，。
14、 两种配置方法对应的光频梳产生原理示意图如 图 2 所示。由图可见， 按照本发明提供的配置方法， 调制器输出谱的叠加作用更加突出， 所 以能够以较低的微波信号功率产生相同条数且具有一定平坦度的光学频率梳。 0010 本发明具有以下优点 ： 0011 （1） 本发明所涉及的方法与传统的配置方法相比， 由于有效应用了相位调制器输 出频谱的叠加效应， 所以可在平坦度一定的情况下， 有效降低用于驱动相位调制器的微波 信号功率。 0012 （2） 与传统的配置方法相比， 本发明所设计的方法由于有效应用了相位调制器输 出频谱的叠加效应， 因此， 输出的光学频率梳具有更高的功率效率， 即功率更集中于可用的 。
15、平坦的光频率谱线上。 0013 （3） 本发明所涉及的方法， 由于可有效降低相位调制器的微波驱动信号功率， 因 此， 当相位调制器驱动信号功率与传统方法配置之下的功率相等时， 按照本发明提供的方 法可以增加输出的平坦谱线的数量， 实现更大带宽的平坦光学频率梳。 附图说明 说 明 书 CN 102929069 A 4 3/4 页 5 0014 图 1 ： 本发明涉及的光学频率梳发生器装置图。 0015 图 2 ： m=3 时， 基于光调制的光学频率梳产生原理示意图。其中 ： (a) 基于本发明提 供的方法， 即高次谐波信号施加于强度调制器(2)， 基频信号施加于相位调制器(5)。 (b)基 于传。
16、统的方法， 即基频信号施加于强度调制器 (2)， 高次谐波信号施加于相位调制器 (5)。 0016 图 3 ： 以图表的形式表示实例 1 的实验结果 （实线） 和仿真结果 （离散点） 图。其 中 ： (a) 基于本发明提供的方法得到的结果， 即高次谐波信号施加于强度调制器 (2)， 基频 信号施加于相位调制器 (5)， 当 f1=mf2， 且 m=2 时的实验输出谱线和理论输出谱线。(b) 基 于传统的方法， 即基频信号施加于强度调制器 (2)， 高次谐波信号施加于相位调制器 (5)， 当 f2=mf1， 且 m=2 时的实验输出谱线和理论输出谱线。 0017 图 4 ： 以图表的形式表示实例。
17、 2 的实验结果 （实线） 和仿真结果 （离散点） 图。其 中 ： (a) 基于本发明提供的方法得到的结果， 即高次谐波信号施加于强度调制器 (2)， 基频 信号施加于相位调制器 (5)， 当 f1=mf2， 且 m=3 时的实验输出谱线和理论输出谱线。(b) 基 于传统的方法， 即基频信号施加于强度调制器 (2)， 高次谐波信号施加于相位调制器 (5)， 当 f2=mf1， 且 m=3 时的实验输出谱线和理论输出谱线。 具体实施方式 0018 为了更好地验证本发明提出的光学频率梳产生方法的性能， 结合附图和实施例说 明如下。 0019 先给出光学频率梳的功率效率的定义 ： 0020 0021。
18、 其中可用梳线指的是光学频率梳平坦的部分， 这部分可以用来作为信号源直接使 用。所有梳线指的是梳线中最大功率及其以下 30dB 范围内的所有梳线。 0022 实施例 1 0023 设定谐波次数 m=2， 即选用基频信号和其两倍频信号， 同时设定基频信号为 4GHz， 将强度调制器 (2) 的调制指数 定为 0.5， 对应的驱动微波信号功率为 22.1dBm。采用本 发明提供的方法和传统方法， 两个微波信号源之间的相位差 分别为 0 和 /4。通过 调节系统参数使输出的光学频率梳平坦度最小， 利用光谱仪观察得到了 7 条平坦光学频率 梳。实验参数和光学频率梳平坦度， 功率效率如表 1 所示。 0。
19、024 0025 表 1m=2， 保证光频梳约 3dB 平坦度时， 本发明与传统方法采用的参数和实验结果 说 明 书 CN 102929069 A 5 4/4 页 6 0026 通过表 1， 可以看出 m=2 时， 在保证实现输出 7 条平坦度为 3dB 的光学频率梳的情 况下， 采用本发明提供的方法相较于传统方法可以将相位调制器 (5) 所需的微波信号功率 降低 3.3dBm。同时本发明提出的方法具有更高的功率效率， 这表明更多的输出功率集中在 有用部分。采用上述参数时， 通过光谱仪观察到的实验结果和利用科学计算软件得到的理 论仿真结果如图 3(a)， (b) 所示。由图 3 可见， 理论结。
20、果和实验结果非常符合， 两种情况下 得到的光学频率梳均为7条， 频率间隔为4GHz， 平坦度相近， 均在3dB左右， 由此表明谐波次 数为偶数时， 采用本发明提供的方法相较于传统方法更具功率有效性。 0027 实施例 2 0028 设定谐波次数 m=3， 即选用基频信号和其三倍频信号， 同时设定基频信号为 4GHz， 将强度调制器 (2) 的调制指数 定为 0.5， 对应的驱动微波信号功率为 22.1dBm。采用本 发明提供的方法和传统方法， 两个微波信号源之间的相位差均为0。 同样， 通过调节系 统参数使输出的光学频率梳平坦度最小， 利用光谱仪观察到了 9 条平坦光学频率梳。实验 参数和光学。
21、频率梳平坦度， 功率效率如表 2 所示。 0029 0030 表 2m=3， 保证光频梳约 1dB 平坦度时， 本发明与传统方法采用的参数和实验结果 0031 通过表 2， 可以看出 m=3 时， 在保证实现输出 9 条平坦度为 1dB 的光学频率梳的情 况下， 采用本发明提供的方法相较于传统方法可以将相位调制器 (5) 所需的微波信号功率 降低 2.6dBm。同时本发明提出的方法功率效率达到 97%， 明显高于传统方法， 这表明更多的 输出功率集中在有用部分。采用上述参数时， 通过光谱仪观察到的实验结果和利用科学计 算软件得到的理论仿真结果如图 4(a)， (b) 所示。由图 4 可见， 理。
22、论结果和实验结果非常符 合， 两种情况下得到的光学频率梳均为 9 条， 频率间隔为 4GHz， 平坦度相近， 均在 1dB 左右， 由此表明谐波次数为奇数时， 采用本发明提供的方法相较于传统方法具有更高的功率。 0032 结合实施例 1 和 2， 采用本发明提供的方法， 以高次谐波信号驱动强度调制器， 基 频信号驱动相位调制器， 无论谐波次数为奇数还是偶数， 相较于传统方法， 均能以更小的驱 动信号功率实现同样平坦度的光学频率梳， 并具有更高的功率效率。 0033 综上所述， 本发明达到了预期的目的。 说 明 书 CN 102929069 A 6 1/7 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102929069 A 7 2/7 页 8 图 2(a) 说 明 书 附 图 CN 102929069 A 8 3/7 页 9 图 2(b) 说 明 书 附 图 CN 102929069 A 9 4/7 页 10 图 3(a) 说 明 书 附 图 CN 102929069 A 10 5/7 页 11 图 3(b) 说 明 书 附 图 CN 102929069 A 11 6/7 页 12 图 4(a) 说 明 书 附 图 CN 102929069 A 12 7/7 页 13 图 4(b) 说 明 书 附 图 CN 102929069 A 13 。