一种可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源

摘要

本发明涉及一种可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源。该梳光源包括由第一泵浦激光器、第二泵浦激光器、第一波分复用器、第二波分复用器、掺铒光纤、偏振控制器、第一光学耦合器、第一隔离器、第二光学耦合器以及第二隔离器组成的单腔双光梳结构以及四端口环形器、第一可调光滤波器、第二可调光滤波器；通过在单腔双光梳的基础上，增加了四端口环形器、第一可调光滤波器、第二可调光滤波器，极大的提升了单腔双光梳的重复频率，使其重复频率从数10MHz量级提升到10GHz以上，同时提升了单腔双光梳重复频率可调节性，使其从初始的不可调增加到GHz范围内可调。

权利要求

1.一种可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源，其特征在于：包括第一泵浦激光器、第二泵浦激光器、第一波分复用器、第二波分复用器、掺铒光纤、偏振控制器、第一光学耦合器、第一隔离器、四端口环形器、第一可调光滤波器、第二可调光滤波器、第二光学耦合器以及第二隔离器；

第一泵浦激光器通过第一波分复用器与掺铒光纤连接；

第一波分复用器通过偏振控制器与第一光学耦合器连接；

第一光学耦合器的一个端口通过第一隔离器向外输出，另一个端口和四端口环形器的第一端口连接；

四端口环形器的第二端口连接第一可调光滤波器；

第二泵浦激光器通过第二波分复用器与掺铒光纤连接；

第二波分复用器与第二光学耦合器连接；

第二光学耦合器的一个端口通过第二隔离器向外输出，另一个端口和四端口环形器的第三端口连接；

四端口环形器的第四端口连接第二可调光滤波器；

所述第一可调光滤波器和第二可调光滤波器相同，分别用于产生具有周期频谱间隔的光频梳；

所述第一可调光滤波器包括第三光学耦合器、第一可调光延时器、第四光学耦合器、第一可饱和吸收体反射镜以及第一光纤；

第三光学耦合器的输入端与四端口环形器的第二端口连接，第三光学耦合器的输出端为两个，一个输出端通过第一可调光延时器与第四光学耦合器的输入端连接，另一端输出端通过第一光纤与第四光学耦合器的输入端连接，第四光学耦合器的输出端与第一可饱和吸收体反射镜连接；

所述第二可调光滤波器包括第五光学耦合器、第二可调光延时器、第六光学耦合器、第二和吸收体反射镜以及第二光纤；

第五光学耦合器的输入端与四端口环形器的第四端口连接，第五光学耦合器的输出端为两个，一个输出端通过第二可调光延时器与第六光学耦合器的输入端连接，另一端输出端通过第二光纤与第六光学耦合器的输入端连接，第六光学耦合器的输出端与第二可饱和吸收体反射镜连接。

2.根据权利要求1所述的可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源，其特征在于：第一可调光滤波器和第二可调光滤波器产生的具有周期频谱间隔的光频梳FSR的计算公式为：其中，c为光速；

ΔL为第一可调光延时器与第一光纤之间的光程差或者为第二可调光延时器与第二光纤之间的光程差。

3.根据权利要求2所述的可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源，其特征在于：第一光学耦合器和第二光学耦合器的分光比均为10:90。

4.根据权利要求3所述的可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源，其特征在于：第三光学耦合器和第五光学耦合器的分光比均为50:50。

说明书

一种可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤激光器、光学频率梳及微波光子信道化技术领域，特别涉及一种可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源。

背景技术

[0002] 基于双光学频率梳的微波光子信号处理技术克服了传统电子技术频带窄而光子技术频率分辨率低的缺点，实现了电子技术与光子技术的有机融合，是当前微波光子学研究热点之一。

[0003] 双相干光学频率梳是两个相位锁定的具有一定自由光谱范围差别的光频梳。2012年，Xie等人演示了基于双光学频率梳的微波光子信道化系统,实现了带宽3.5GHz微波信号的信道化接收[1]。

[0004] 2015年，基于双相干光学频率梳信号处理的方法Vahid等人实现了对瞬时宽带信号的高增益检测[2]。

[0005] 为了克服电子技术收发带宽的限制，2017年,Pan等人设计了一种基于相干光频梳的微波光子收发信机，可以实现实时大带宽和大动态范围的微波信号收发[3]。

[0006] 2018年，Esman基于可调相干光学频率梳实现了多种宽带微波信号处理功能,展示出了双光梳极大的应用前景[4]。

[0007] 以上应用中均采用了级联相位和强度调制器的方法作为产生双相干光学频率梳的光源。这样应用的好处是可以产生稳定的双相干光学频率梳。但是，该方法所能产生的频率梳梳齿数量极其有限，在数十根梳齿量级。为了解决这个问题Vahid等人利用电光调制与非线性光纤光谱展宽的方法获得了较宽的光频梳光谱。但是该方法依旧需要使用级联的电光调制器作为前级的光谱种子源。而电光调制器成本以及用于驱动的高频微波信号源成本很高，限制了其进一步应用。

[0008] 除了采用级联电光调制方案以外，采用锁模激光器产生光频梳是另外一种较为常用的方案。锁模激光器具有结构简单，成本较低和光谱宽的优点。基于双锁模激光器的双光梳系统在光谱测量[5]和精密成像[6]领域技术成熟，应用广泛。同时，单腔双光梳技术可以由一个锁模光纤激光器同时产生两个光学频率梳，避免了需要分别搭建两个锁模激光器的问题，进一步简化了系统结构，且其频率差非常稳定，可以使用使得系统性能进一步提升[7]。

[0009] 因此，若采用锁模光纤激光器中的单腔双光梳技术代替电光调制技术作为微波光子系统的信号光源，可以极大的降低系统体积、复杂度和成本。随着高速通信和雷达等电子技术的发展，所需处理的微波信号带宽在GHz量级。为了处理宽带微波信号所需的双光梳重复频率在10GHz以上，双光频梳的频率差在GHz量级，并且频率差需要在GHz量级可调。但是目前基于单腔双光梳技术的光源其重复频率仅仅在数10MHz量级，而且双光频梳频率差在Hz-KHz量级，远远达不到用于微波信号处理所提的需求。

[0010] 以上引用的参考文献如下：

[0011] 【1】Xie,Xiaojun,et al."Broadband photonic RF channelization based on coherent optical frequency combs and I/Q demodulators."IEEE Photonics Journal 4.4(2012):1196-1202.

[0012] 【2】Ataie,Vahid,et al."Subnoise detection of a fast random event."Science 350.6266(2015):1343-1346.

[0013] 【3】潘时龙,唐震宙,朱丹.一种基于相干光频梳的微波光子收发信机，中国，CN201710287741.6.

[0014] 【4】Esman,Daniel.Tunable Optical Frequency Comb Assisted Radio Frequency Receiver.Diss.UC San Diego,2017.

[0015] 【5】Okubo,Sho,et al."Ultra-broadband dual-comb spectroscopy across 1.0–1.9μm."Applied Physics Express 8.8(2015):082402.

[0016] 【6】Wang,Chao,et al."Line-scan spectrum-encoded imaging by dual-comb interferometry."Optics letters 43.7(2018):1606-1609.

[0017] 【7】Olson,J.,et al."Bi-Directional Mode-Locked Thulium Fiber Laser as a Single-Cavity Dual-Comb Source."IEEE Photonics Technology Letters 30.20(2018):1772-1775.

发明内容

[0018] 为了克服基于光纤锁模激光器的单腔双光学频率梳重复频率低、频率差小和频率可调性不足而无法应用于微波光子双光梳信号处理的问题，本发明提供了一种可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源，同时降低了微波光子信号处理系统体积、成本和复杂度。

[0019] 本发明的具体技术方案是：

[0020] 本发明提供了一种可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源，包括第一泵浦激光器、第二泵浦激光器、第一波分复用器、第二波分复用器、掺铒光纤、偏振控制器、第一光学耦合器、第一隔离器、四端口环形器、第一可调光滤波器、第二可调光滤波器、第二光学耦合器以及第二隔离器；

[0021] 第一泵浦激光器通过第一波分复用器与掺铒光纤连接；

[0022] 第一波分复用器通过偏振控制器与第一光学耦合器连接；

[0023] 第一光学耦合器的一个端口通过第一隔离器向外输出，另一个端口和四端口环形器的第一端口连接；

[0024] 四端口环形器的第二端口连接第一可调光滤波器；

[0025] 第二泵浦激光器通过第二波分复用器与掺铒光纤连接；

[0026] 第二波分复用器与第二光学耦合器连接；

[0027] 第二光学耦合器的一个端口通过第二隔离器向外输出，另一个端口和四端口环形器的第三端口连接；

[0028] 四端口环形器的第四端口连接第二可调光滤波器；

[0029] 所述第一可调光滤波器和第二可调光滤波器相同，分别用于产生具有周期频谱间隔的光频梳。

[0030] 进一步地，所述第一可调光滤波器包括第三光学耦合器、第一可调光延时器、第四光学耦合器、第一可饱和吸收体反射镜以及第一光纤；

[0031] 第三光学耦合器的输入端与四端口环形器的第二端口连接，第三光学耦合器的输出端为两个，一个输出端通过第一可调光延时器与第四光学耦合器的输入端连接，另一端输出端通过第一光纤与第四光学耦合器的输入端连接，第四光学耦合器的输出端与第一可饱和吸收体反射镜连接；

[0032] 所述第二可调光滤波器包括第五光学耦合器、第二可调光延时器、第六光学耦合器、第二可饱和吸收体反射镜以及第二光纤；

[0033] 第五光学耦合器的输入端与四端口环形器的第四端口连接，第五光学耦合器的输出端为两个，一个输出端通过第二可调光延时器与第六光学耦合器的输入端连接，另一端输出端通过第二光纤与第六光学耦合器的输入端连接，第六光学耦合器的输出端与第二可饱和吸收体反射镜连接。

[0034] 进一步地，第一可调光滤波器和第二可调光滤波器产生的具有周期频谱间隔的光频梳FSR的计算公式为：

[0035]

[0036] 其中，c为光速；

[0037] ΔL为第一可调光延时器与第一光纤之间的光程差或者为第二可调光延时器与第二光纤之间的光程差。

[0038] 进一步地，上述第一光学耦合器和第二光学耦合器的分光比均为10:90。

[0039] 进一步地，第三光学耦合器和第五光学耦合器的分光比均为50:50。

[0040] 本发明的有益效果：

[0041] 1、本发明在单腔双光梳的基础上，增加了四端口环形器、第一可调光滤波器、第二可调光滤波器，极大的提升了单腔双光梳的重复频率，使其重复频率从数10MHz量级提升到10GHz以上。

[0042] 2、本发明通过使用第一可调光滤波器和第二可调光滤波器中的第一可调光延时器和第二可调光延时器，提升了单腔双光梳重复频率可调节性，使其从初始的不可调增加到GHz范围内可调。

[0043] 3、本发明通过独立调节第一可调光滤波器和第二可调光滤波器可以实现双光梳频率差的调节。

[0044] 4、本发明对单腔双光梳重复频率和频率差的提升以及频率差的可调节性的实现使得其满足了用于微波光子信号处理的要求，代替现有系统电光调制器可以显著降低系统体积、成本和复杂度，并提升光源的光谱范围。

附图说明

[0045] 图1为典型的单腔双光梳原理图。

[0046] 图2为可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源结构示意图。

具体实施方式

[0047] 下面结合附图对本发明作更进一步说明：

[0048] 由于单腔双光梳技术是本发明的核心，故在此对典型的单腔双光梳技术结构原理进行说明。一种常用的单腔双光梳结构如图1所示。泵浦光激光器(LD1和LD2)出射的激光经过波分复用器(WDM1和WDM2)馈入掺铒光纤(EDF)，产生宽谱荧光，宽谱荧光作为种子光沿着光纤顺时针和逆时针传输。可饱和吸收体(SA)对不同的光谱强度进行非线性调节，通过调节偏振控制器(Polarization Controller，PC)可以使得激光器工作在锁模状态，产生多波长输出。其中顺时针传输的光与逆时针传输的光由于萨格纳克效应导致其等效光程不同，进而引起其重复频率不同，通过使用光学耦合器(OC)和隔离器(ISO1和ISO2)可以使不同传输方向的光分别从两个端口输出，进而得到两个不同重复频率的激光。由于两个激光传输路径高度重叠，其重复频率在外界环境影响下会同步变化，但频率差却能保持相对稳定。

[0049] 基于上述对典型的单腔双光梳结构和工作原理的说明，下面对本发明公开的可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源的结构和工作原理进行详细介绍：

[0050] 如图2所示，一种可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源的结构包括：第一泵浦激光器LD1、第二泵浦激光器LD2、第一波分复用器WDM1、第二波分复用器WDM2、掺铒光纤EDF、偏振控制器PC、第一光学耦合器OC1、第一隔离器ISO1、四端口环形器(即图中Circulator，下文统一为四端口环形器)、第一可调光滤波器、第二可调光滤波器、第二光学耦合器OC2以及第二隔离器ISO2；

[0051] 其中，第一可调光滤波器、第二可调光滤波器结构相同，分别用于产生具有周期频谱间隔的光频梳。

[0052] 本例中给出第一可调光滤波器和第二可调光滤波器的一种实施结构，但不仅限于该结构，只要其他的结构能满足产生具有周期频谱间隔的光频梳即可。

[0053] 第一可调光滤波器包括第三光学耦合器OC3、第一可调光延时器OTDL1、第四光学耦合器OC4、第一可饱和吸收体反射镜SAM1以及第一光纤；

[0054] 第二可调光滤波器包括第五光学耦合器OC5、第二可调光延时器OTDL2、第六光学耦合器OC6、第二可饱和吸收体反射镜SAM2以及第二光纤；

[0055] 第一泵浦激光器LD1通过第一波分复用器WDM1与掺铒光纤EDF连接；

[0056] 第一波分复用器WDM1通过偏振控制器PC与第一光学耦合器OC1连接；

[0057] 第一光学耦合器OC1分光比为10:90，第一光学耦合器的一个端口通过第一隔离器ISO1向外输出，另一个端口和四端口环形器的第一端口连接；

[0058] 四端口环形器的第二端口连接第三光学耦合器OC3的输入端，第三光学耦合器OC3的输出端为两个(分光比为50:50)，一个输出端通过第一可调光延时器OTDL1与第四光学耦合器OC4的输入端连接，另一端输出端通过第一光纤与第四光学耦合器OC4的输入端连接，第四光学耦合器OC4的输出端与第一可饱和吸收体反射镜SAM1连接；

[0059] 第二泵浦激光器LD2通过第二波分复用器WDM2与掺铒光纤EDF连接；

[0060] 第二波分复用器WDM2与第二光学耦合器OC2连接；

[0061] 第二光学耦合器OC2分光比为10:90，第二光学耦合器OC2的一个端口通过第二隔离器ISO2向外输出，另一个端口和四端口环形器的第三端口连接；

[0062] 四端口环形器的第四端口连接第五光学耦合器OC5，第五光学耦合器OC5的输出端为两个(分光比为50:50)，一个输出端通过第二可调光延时器OTDL2与第六光学耦合器OC6的输入端连接，另一端输出端通过第二光纤与第六光学耦合器OC6的输入端连接，第六光学耦合器OC6的输出端与第二可饱和吸收体反射镜SAM1连接。

[0063] 下面对该装置的工作原理进行说明：

[0064] 第一泵浦激光器LD1、第二泵浦激光器LD2产生两束约0.4W,980nm的泵浦激光通过980/1550nm的第一波分复用器WDM1和第二波分复用器WDM2同步馈入到掺铒光纤EDF中，采用两个泵浦激光器可以增加泵浦功率同时保证双向传输激光强度的一致性。

[0065] 泵浦光经过掺铒光纤EDF形成波长在1530nm到1610nm的宽谱荧光。宽谱荧光分别沿着顺时针和逆时针两个方向传输。为了进一步说明顺时针环路和逆时针环路的差异，下面分别对两个方向锁模激光运转方向进行说明。

[0066] 顺时针方向，以第一光学耦合器OC1作为起点，光纤内激光信号通过偏振控制器PC传输到四端口环形器的第一端口和第二端口(图中1,2)，然后经过第三光学耦合器OC3，第一可调光延时器OTDL1、第四光学耦合器OC4构成的第一可调光滤波器，到达第一可饱和吸收体反射镜SAM1后，反射通过第一可调光滤波器再次滤波，然后通过四端口环形器的第二端口和第三端口(图中2,3)，再次经过第二光学耦合器OC2，第二波分复用器WDM2，掺铒光纤EDF，第一波分复用器WDM1，偏振控制器PC回到第一光学耦合器OC1，另一部分通过第一隔离器ISO1后输出。

[0067] 逆时针方向，以第二光学耦合器OC2作为起点，光纤内激光信号传输到四端口环形器的第三端口和第四端口(图中3,4)，然后经过第五光学耦合器OC5、第二可调光延时器OTDL2、第六光学耦合器OC6构成的第二可调光滤波器滤波，到达第二可饱和吸收体反射镜SAM2后，反射通过第二可调光滤波器再次滤波，然后通过四端口环形器的第四端口和第一端口(图中4,1)，经过第一光学耦合器OC1，偏振控制器PC，第一波分复用器WDM1，掺铒光纤EDF，第二波分复用器WDM2回到第二光学耦合器OC2，另一部分过第二隔离器ISO2后输出。

[0068] 需要补充说明的是：

[0069] 对于顺时针传输的光，经过四端口环形器的第一端口输入，从第二端口输出，通过第三光学耦合器OC3分为强度相同的两路。其中一路经过第一可调光延时器OTDL1与第四光学耦合器OC4相连，另外一路直接与第四光学耦合器OC4相连。第三光学耦合器OC3与第四光学耦合器OC4间形成了一个可调马赫-曾德儿干涉仪，对通过的光谱进行周期性滤波。其滤波周期由滤波器上下两臂的光程差决定。其中滤波器各个透射峰的频率差，也就是光频梳的重复频率，产生的具有周期频谱间隔的光频梳FSR的计算公式为：

[0070]

[0071] 其中，c为光速；ΔL为赫-曾德儿干涉仪上下两臂的光程差(即第一可调光延时器与第一光纤之间的光程差)。因此，可以通过调节第一可调光延时器的长度达到调节光频梳重复频率的目的。从第四光学耦合器OC4输出的光通过第一可饱和吸收体反射镜SAM1对光谱强度进行非线性吸收。在马赫-曾德儿干涉仪透射峰值处的光强最强，第一可饱和吸收体反射镜SAM1的吸收也越弱。在非马赫-曾德儿干涉仪透射峰值处光强较弱，第一可饱和吸收体反射镜SAM1的非线性吸收效应也越强，进一步降低不需要光频率的Q值。从第一可饱和吸收体反射镜SAM1反射的光再次经过由第四光学耦合器OC4、第三光学耦合器OC3和第一可调光延时器OTDL1组成的马赫-曾德儿干涉仪，进行再次滤波。二次滤波后顺时针传输的光从四端口环形器的第二端口输入第三端口输出。通过第二光学耦合器OC2与第二波分复用器WMD2后经过掺铒光纤EDF进行放大。之后顺时针传输的光按此过程循环进行，通过调节偏振控制器PC可以使激光器建立锁模。通过调节第一可调光延时器OTDL1可以得到所需重复频率的光频梳。顺时针传输的激光通过第一光学耦合器OC1和第一隔离器ISO1进行输出，得到重复频率为FSR1的光频梳。

[0072] 对于逆时针传输的光其传输方向与顺时针相反，因此在四端口环形器处与顺时针传输的光分开。其经由四端口环形器第三端口输入，第四端口输出。经过由第五光学耦合器OC5、第六光学耦合器OC6之间组成的第二马赫-曾德儿干涉仪，第二马赫-曾德儿干涉仪透射峰周期性频率差为FSR2。与顺时针传输的光相同光谱被第二马赫-曾德儿干涉仪与第一可饱和吸收体反射镜SAM2产生周期性滤波。反射光经由第二马赫-曾德儿干涉仪从四端口环形器的第四端口馈入，第一端口输出。此后，逆时针传输的光经过第一光耦合器OC1和第一波分复用器WDM1再次馈入到掺铒光纤EDF中得到放大。此过程循环进行，最终模式稳定建立。逆时针传输的激光通过第二光学耦合器OC2和第二隔离器ISO2进行输出，得到重复频率为FSR2的光频梳。

[0073] 因此，通过调节第一可调光延时器OTDL1和第二可调光延时器OTDL2的长度可以改变两个光频梳的重复频率和重复频率差。例如：当ΔL1＝15mm，ΔL2＝14.29mm时，得到两个光频梳重复频率FSR1＝20GHz，FSR2＝21GHz。重复频率之差为1GHz。

[0074] 综上，本发明提出的可调高重复频率单腔双相干光学频率梳光源，克服了单腔双光梳技术重复频率低和频率差不可调的缺点，使其重复频率和频率差得到显著的提升。满足了微波光子双光梳信号处理对光源的要求，可以显著降低系统体积、成本和复杂度，并提升光源的光谱范围。