一种宽带相干光频梳重频调谐方法
阅读说明：本技术 一种宽带相干光频梳重频调谐方法 (Method for tuning repetition frequency of broadband coherent optical frequency comb ) 是由 刘彦丹 李少波 梁晓东 张磊 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种宽带相干光频梳重频调谐方法,属于微波光子学及超宽带信号处理领域。本发明首先根据调谐频率和重频差需求分解设计级联调制器的调制频率；然后对选定的种子梳齿进行注入锁定；最后通过非线性光纤、单模光纤及色散平坦光纤的组合模块对注入锁定后的梳齿进行梳齿复制和展宽。本发明中种子梳齿是从同一主激光器生成的且调制信号共参考源,从而保证相干性,得到高重频多梳齿的相干光频梳,解决综合一体化、大容量卫星通信等应用对微波光子信道化中相干光频梳带宽越来越大的迫切需求。本发明能够产生高重频多梳齿的相干光频梳,并可以根据需求进行调谐光频梳的重频频率,在保证两个光频梳高相干性的同时,调节相干频梳的重频差。(The invention discloses a method for tuning a broadband coherent optical frequency comb repetition frequency, and belongs to the field of microwave photonics and ultra-wideband signal processing. Firstly, decomposing and designing the modulation frequency of a cascade modulator according to the requirements of a tuning frequency and a repetition frequency difference; then injecting and locking the selected seed comb teeth; and finally, copying and widening the comb teeth after injection locking through a combined module of the nonlinear optical fiber, the single-mode optical fiber and the dispersion flat optical fiber. The seed comb teeth are generated from the same main laser and the modulation signal is a common reference source, so that the coherence is ensured, the coherent optical frequency comb with high repetition frequency and multiple comb teeth is obtained, and the urgent need that the bandwidth of the coherent optical frequency comb is larger and larger in microwave optical sub-channelization in the applications of comprehensive integration, large-capacity satellite communication and the like is solved. The invention can generate the coherent optical frequency comb with high repetition frequency and multiple comb teeth, can tune the repetition frequency of the optical frequency comb according to requirements, and can adjust the repetition frequency difference of the coherent optical frequency comb while ensuring the high coherence of the two optical frequency combs.)
技术领域
本发明属于微波光子学、卫星通信、一体化超宽带信号处理等领域，具体涉及一种宽带相干光频梳重频调谐方法。
背景技术
光频梳技术作为连接光域与微波的桥梁，能够充分将微波精细灵活与光波宽带粗粒的特性相融合，光频梳的典型优势特征主要包括：多载波结构、齿线频率间隔固定、梳齿间相干性好等，在超宽带信号处理、跨频段多载波变频等具有潜在优势，在大容量卫星通信、宽频段稀疏信号感知接收、一体化综合射频以及信道化接收以及精密测量等领域被广泛应用。光频率梳技术能够有效突破传统电子技术在宽带或跨倍频程信号处理时需要多级变频，以及由此带来的非线性和噪声累积，体积、重量、功耗增加等问题。在宽带信道化应用中，利用信号多播实现信道化的一个关键问题是充频率间隔稳定、波长数量多、平坦度高的相干光频梳的产生。
随着技术优势的凸显与应用的迫切需求，涌现出了多种光频率梳的产生方法，包括锁模激光器法、电光调制法、非线性介质法以及微环谐振腔法等多种方式生成相干光频梳等。利用锁模激光器生成相干光频梳的方法将光子晶体光纤与模式锁定的飞秒激光器相结合，生成谱线数目多、稳定性较好，但光频梳的重复频率会受到激光器谐振腔长度的限制，存在频率间隔不易调谐、稳定性难以控制的缺点；利用级联调制器法生成相干光频梳的方法是利用调制器将携带信息的RF信号调制到光载波上，中心波长和谱线间隔可调、谱线较稳定，但存在梳齿数目不太可观、平坦度较差等缺点。利用光学的非线性效应法来产生光频梳，利用非线性介质的相位调制技术增加谱线带宽，但存在梳齿平坦度较差、能量分布不均且频梳信号抖动较大的问题。利用微环波导结构产生相干光频梳，可使系统趋于小型化且集成度高，成本低、稳定性好，但存在结构设计较复杂、周期较长、谱线平坦度较差等问题，因此需要设计一种宽带、多梳齿、高平坦度的相干光频梳的调谐与生成方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带相干光频梳重频调谐方法，该方法利用光纤非线性效应实现宽带相干光频梳的重频调谐，可生成重频频率大、梳齿数目多、平坦度高的相干光频梳。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种宽带相干光频梳重频调谐方法，包括以下步骤：
步骤1，获取所需相干光频梳的重频频率FSR1和FSR2、重频频率差Δf、梳齿数目x，其中Δf＝|(FSR1-FSR2)|；
步骤2，根据需求进行相干光频梳指标分解，分解出初级光频梳的重频频率分别为f1＝FSR1/a和f2＝FSR2/a，a为偶数且a≥4；设计级联调制器的调制射频信号分别为f1和f2，射频信号幅度高于10dBm，并实现生成的梳齿数目在b根以上，b>a+1；级联调制器的调制射频信号为同参考源，且光载波来自同一激光器，从而保证光频梳的相干性；
步骤3，通过波分解复用滤出对应间隔的两组共四根梳齿作为种子梳齿，两组梳齿的间隔分别为FSR1和FSR2，每组中的两根梳齿均分别对应初级光频梳的第1根和第a+1根；
步骤4，将种子梳齿通过环行器和泵浦激光器进行光注入锁定，在保证窄线宽的前提下将梳齿功率提高10dB以上；
步骤5，注入锁定后，将信号光频梳和本振光频梳注入锁定后的种子梳齿，分别通过波分复用器复用，合成为重频频率满足需求的两组种子梳齿，两组种子梳齿的间隔分别为FSR1和FSR2；
步骤6，将步骤5得到的两组种子梳齿分别通过一段具有施加纵向应变的第一高非线性光纤，通过第一高非线性光纤中的非线性克尔效应引起非线性相移，产生正啁啾并对信号进行扩展，得到扩展后的光脉冲；
步骤7，将扩展后的光脉冲输入单模光纤，从而压缩光脉冲的时域波形，提高光脉冲的峰值功率，且频域不变；
步骤8，将步骤7处理后的光脉冲输入一段色散平坦的第二高非线性光纤，以进一步实现频谱的扩展和复制，最终得到步骤1中所需的相干光频梳。
进一步的，步骤6中，第一高非线性光纤的长度L0满足80m<L0<120m，色散斜率S0满足8ps/nm2/km<S0<12ps/nm2/km，零色散点D0满足1560nm<D0<1565nm，非线性系数γ0满足4e-20W-1/km<γ0<5e-20W-1/km。
进一步的，步骤7中，单模光纤的长度通过非线性薛定谔方程估算，估算得到的单模光纤长度L1满足10m<L1<50m。
进一步的，步骤8中，第二高非线性光纤为正常近零色散平坦高非线性光纤，其长度L2满足180m<L2<220m，色散斜率S2满足8ps/nm2/km<S2<13ps/nm2/km，非线性系数γ2满足4e-20W-1/km<γ2<5e-20W-1/km；光脉冲在第二高非线性光纤中传输时，脉冲的时域波形展宽且峰值功率降低，频谱在此段光纤距离中也呈现展宽趋势，频谱的平坦度随着传输距离的增加也越来越平坦，最终得到步骤1中所需的相干光频梳。
进一步的，步骤1中，FSR1＝80GHz，FSR2＝81.2GHz，Δf＝1.2GHz，x＝20；步骤2中，a＝4，b＝6，且级联调制器生成梳齿的平坦度达到3dB；步骤6中，L0＝100m，S0＝10ps/nm2/km，D0＝1562nm，γ0＝4.93e-20W-1/km；步骤7中，L1＝40m；步骤8中，L2＝200m，S2＝10ps/nm2/km，γ2＝3.53e-20W-1/km，色散系数为-3e-6μs/m2。
本发明的有益效果在于：
1、本发明利用级联调制器产生重频频率较低的相干光频梳，再选取符合系统要求的种子梳，经光注入锁定后采用非线性的方法进行频谱展宽，可生成重频频率大、梳齿数目多、平坦度高的相干光频梳。
2、本发明利用光纤非线性效应实现宽带相干光频梳的重频调谐，可以实现宽频段信道化接收感知的多梳齿高重频高平坦度的相干光频梳。
附图说明
图1为本发明实施例中相干光梳重频调谐的流程图。
图2为本发明实施例中采用的级联调制器生成光梳示意图。
图3位本发明实施例中采用的种子光梳注入锁定示意图。
图4位本发明实施例中采用的非线性重频调谐方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
一种宽带相干光频梳重频调谐方法，其首先根据调谐频率和重频差需求分解设计级联调制器的调制频率；然后通过波分解复用或光滤波器选定种子梳齿，对选定的种子梳齿进行注入锁定，最后通过非线性光纤、单模光纤及色散平坦光纤的组合模块对注入锁定后的梳齿进行梳齿复制和展宽。具体包括以下步骤：
步骤1，获取所需相干光频梳的重频频率FSR1和FSR2、重频频率差Δf、梳齿数目x，其中Δf＝|(FSR1-FSR2)|；
步骤2，根据需求进行相干光频梳指标分解，分解出初级光频梳的重频频率分别为f1＝FSR1/a和f2＝FSR2/a，a为偶数且a≥4；设计级联调制器的调制射频信号分别为f1和f2，射频信号幅度高于10dBm，并实现生成的梳齿数目在b根以上，b>a+1；级联调制器的调制射频信号为同参考源，且光载波来自同一激光器，从而保证光频梳的相干性；
步骤3，通过波分解复用滤出对应间隔的两组共四根梳齿作为种子梳齿，两组梳齿的间隔分别为FSR1和FSR2，每组中的两根梳齿均分别对应初级光频梳的第1根和第a+1根；
步骤4，将种子梳齿通过环行器和泵浦激光器进行光注入锁定，在保证窄线宽的前提下将梳齿功率提高10dB以上；
步骤5，注入锁定后，将信号光频梳和本振光频梳注入锁定后的种子梳齿，分别通过波分复用器复用，合成为重频频率满足需求的两组种子梳齿，两组种子梳齿的间隔分别为FSR1和FSR2；
步骤6，将步骤5得到的两组种子梳齿分别通过一段具有施加纵向应变的第一高非线性光纤，通过第一高非线性光纤中的非线性克尔效应引起非线性相移，产生正啁啾并对信号进行扩展，得到扩展后的光脉冲；
步骤7，将扩展后的光脉冲输入单模光纤，从而压缩光脉冲的时域波形，提高光脉冲的峰值功率，且频域不变；
步骤8，将步骤7处理后的光脉冲输入一段色散平坦的第二高非线性光纤，以进一步实现频谱的扩展和复制，最终得到步骤1中所需的相干光频梳。
进一步的，步骤6中，第一高非线性光纤的长度L0满足80m<L0<120m，色散斜率S0满足8ps/nm2/km<S0<12ps/nm2/km，零色散点D0满足1560nm<D0<1565nm，非线性系数γ0满足4e-20W-1/km<γ0<5e-20W-1/km。
进一步的，步骤7中，单模光纤的长度通过非线性薛定谔方程估算，估算得到的单模光纤长度L1满足10m<L1<50m。
进一步的，步骤8中，第二高非线性光纤为正常近零色散平坦高非线性光纤，其长度L2满足180m<L2<220m，色散斜率S2满足8ps/nm2/km<S2<13ps/nm2/km，非线性系数γ2满足4e-20W-1/km<γ2<5e-20W-1/km；光脉冲在第二高非线性光纤中传输时，脉冲的时域波形展宽且峰值功率降低，频谱在此段光纤距离中也呈现展宽趋势，频谱的平坦度随着传输距离的增加也越来越平坦，最终得到步骤1中所需的相干光频梳。
进一步的，步骤1中，FSR1＝80GHz，FSR2＝81.2GHz，Δf＝1.2GHz，x＝20；步骤2中，a＝4，b＝6，且级联调制器生成梳齿的平坦度达到3dB；步骤6中，L0＝100m，S0＝10ps/nm2/km，D0＝1562nm，γ0＝4.93e-20W-1/km；步骤7中，L1＝40m；步骤8中，L2＝200m，S2＝10ps/nm2/km，γ2＝3.53e-20W-1/km，色散系数为-3e-6μs/m2。
本方法中，种子梳齿是从同一主激光器生成的且调制信号共参考源，从而保证相干性，得到高重频多梳齿的相干光频梳，解决综合一体化、大容量卫星通信等应用对微波光子信道化中相干光频梳带宽越来越大的迫切需求。
本方法能够产生高重频多梳齿的相干光频梳，并可以根据需求进行调谐光频梳的重频频率，能够在保证两个光频梳高相干性的同时，调节相干频梳的重频差。
以下为一个更具体的例子：
参照图1，一种宽带相干光频梳的重频调谐流程，具体实施步骤如下：
步骤1，相干光频梳重频频率、梳齿数目等信息的确定：相干光频梳中光梳1重频频率FSR1为80GHz，光梳2重频频率为81.2GHz，重频频率差1.2GHz；
步骤2，参照图2，初级相干光频梳生成：通过级联调制器产生初级相干光频梳，激光器产生的光载波被光耦合器分成两个种子光，采用两个级联相位调制器和一个MZM来产生信号种子频率梳，使用两个级联的相位调制器产生初级本振种子频率梳。
信号光频梳调制信号频率为20GHz，本振光频梳调制的信号频率为20.3GHz，两个射频合成器由一个共同参考信号参考；两路射频信号之间通过一个射频移相器进行相位匹配，保证输入调制器的两射频信号相位差为零。
步骤3，随后根据需要调谐的光频梳的重频频率，通过波分解复用器滤出两个光梳中分别为5个重频频率间距的梳齿，即选取生成信号光频梳的两根频率间隔为80GHz和本振光梳频率间隔为81.2GHz的梳齿，共两组四根梳齿用于从激光器注入锁定。
步骤4，参照图3，种子梳齿注入锁定时利用环行器和高功率的从激光器，其中环行器1口输入滤出的种子梳齿，2口连接高功率从激光器，3口为输出的注入锁定后的光信号。滤出的4根梳齿分别对应上述的注入锁定结构。
步骤5，得到注入锁定后的光信号后其中2个信号光梳的信号通过一个波分复用器复用成一个光信号，本振光梳的两个注入锁定的信号同样利用一个波分复用器复用成一个光信号，上述两个光信号进行后续的非线性过程。
步骤6，非线性过程的第一阶段由一段具有施加纵向应变的高非线性光纤1(HNLF1)组成，HNLF1中的非线性克尔效应会引起非线性相移，产生正啁啾并对信号进行扩展，脉冲的时域波形不变，由于SPM效应，脉冲在此段光纤中传输时其频域会生成多个频率分量，脉冲频谱展宽；
步骤7，所得到啁啾信号在具有正色散的色散介质单模光纤(SMF)中传播时，正弦强度分布将被压缩，从而在时域中产生具有高峰值功率的光脉冲；光脉冲在SMF中传输时，脉冲的时域波形压缩，脉冲峰值功率提高，频域不变为了实现更好的色散匹配，对于单模光纤长度的确定，可以利用非线性薛定谔方程(NLSE)去估算：
式中，T是脉冲在参考系以群速度移动的时间量度，A(z，T)为脉冲包络慢变振幅；β2为光纤的群速度色散(GVD)参量；γ为光纤非线性系数；α为光纤损耗。公式的右侧分别对应光脉冲在光纤传输时的光纤损耗、色散效应和非线性效应。引入两个长度尺度：色散长度LD＝T0 2/|β2|和非线性长度LNL＝1/γP0。
根据实验方案中所用器件的参数，确定所需的最大脉冲压缩量(即，SMF长度)，然后通过最大限度地提高光脉冲峰值功率来对实际的SMF长度进行实验调整。
步骤8，由一段色散平坦的高非线性光纤2(HNLF2)构成，以进一步实现频谱的扩展和复制。压缩波形以较高的峰值功率进入第二非线性阶段，使得第二混频器以相应较大的品质因数运行，但啁啾的存在会导致光信号相位发生变化，因此为了减少频率啁啾对系统的影响，需要引入正色散介质即单模光纤来抵消相位调制器产生的正啁啾，二者相互配合更好实现脉冲的初始压缩。光脉冲在第三段正常近零色散平坦高非线性光纤中传输时，脉冲的时域波形展宽且峰值功率降低，频谱在此段距离中也呈现展宽趋势，频谱的平坦度随着传输距离的增加呈现越来越平坦的趋势。
本发明的原理如下：
首先获取所需相干光频梳的重频频率和重频差，梳齿数目等信息，然后利用级联调制器产生相干光频梳，激光器产生的光载波被光耦合器分成两个种子光，采用级联调制器来产生信号种子频率梳，两路射频信号之间通过一个射频移相器进行相位匹配，保证输入调制器的两射频信号相位差为零，同样本振光频梳梳使用两个级联调制器产生初级本振种子频率梳，两个射频合成器由一个共同参考信号参考保证好的相干性。
随后根据需求频段具体范围，调谐次级光频梳的重频频率，确定进入混频器的两个光梳的梳齿的间距，即重频频率，选取生成信号光频梳的两根频率间隔为FSR1和本振光梳频率间隔为FSR2的梳齿，用于从激光器注入锁定。
注入锁定得到种子梳齿：将窄线宽、频率及功率稳定性较好的单纵模连续激光注入到输出能量较高的从激光器中，以主激光器来控制从激光器的频率特性、相位特性及空间特性，获得同时具有窄线宽、单纵模、高能量等特性的激光输出。
注入锁定后的种子梳齿通过一段具有施加纵向应变的高非线性光纤1(HNLF1)，HNLF1中的非线性克尔效应会引起非线性相移，产生正啁啾并对信号进行扩展；
所得到啁啾信号在具有正色散的色散介质单模光纤(SMF)中传播时，正弦强度分布将被压缩，从而在时域中产生具有高峰值功率的光脉冲；
最后得到的时域压缩的信号经过一段色散平坦的高非线性光纤2(HNLF2)构成，以进一步实现频谱的扩展和复制，得到最终调谐后的相干光频梳。
综上，本发明实现了一种相干光频梳的重频调谐方法，根据需求调谐后可以实现宽重频、多梳齿、高平坦的相干光频梳。
以上所述仅为本发明在实施例中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明保护范围之内。
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