[发明专利]一种重复频率可调的单腔双光频梳产生装置和方法

权利要求书

1.一种重复频率可调的单腔双光频梳产生装置，其特征在于，所述的单腔双光频梳产生装置包括光学谐振腔(1)和光频梳重频调控模块；所述光学谐振腔(1)用于产生具有特定重复频率的第一光频梳；所述光频梳重频调控模块嵌入光学谐振腔(1)内，利用光学自成像原理实现对第一光频梳重复频率倍频，通过控制倍频因子，产生重复频率可调的第二光频梳；

为了在光学谐振腔(1)中嵌入所述的光频梳重频调控模块，将光学谐振腔(1)中光纤任一位置处设置一个插入点，在插入点处将光学谐振腔(1)中的光纤截；对于截断处的两端光纤，沿光隔离器(2)限制的光脉冲信号传输方向，先通过的端口为光学谐振腔(1)的第一端口(1a)，随后通过的端口为光学谐振腔(1)的第二端口(1b)；所述的光学谐振腔(1)的第一端口(1a)与第一光环形器(4)的第一端口(4a)连接，所述的光学谐振腔(1)第二端口(1b)与第二光环形器(9)的第三端口(9c)连接，实现所述的光学谐振腔(1)与所述的光频梳重频调控模块相连接；

所述的光频梳重频调控模块包括第一光环形器(4)、频域二阶相位调制模块(5)、第一相位调制器(6)、第二光耦合器(7)、第二相位调制器(8)和第二光环形器(9)，其中第一光环形器(4)包括第一端口(4a)、第二端口(4b)、第三端口(4c)，第二光环形器(9)包括第一端口(9a)、第二端口(9b)、第三端口(9c)三个端口，频域二阶相位调制模块(5)包括第一端口(5a)、第二端口(5b)两个端口；所述的光学谐振腔(1)内的光脉冲信号在光学谐振腔(1)的第一端口(1a)处经第一端口(4a)进入第一光环形器(4)，由第二端口(4b)输出后，通过第一端口(5a)进入频域二阶相位调制模块(5)，实现对光脉冲信号的频域二阶相位调制一，完成光脉冲信号时域重复频率倍频；经过频域二阶相位调制一的光脉冲信号再次由第一端口(5a)输出，经第二端口(4b)进入第一环形器(4)，之后由第三端口(4c)输出，进入第一相位调制器(6)；所述的第一相位调制器(6)用于将调制波形一调制到光脉冲信号相位上，实现对光脉冲信号的时域二阶相位调制一，完成光脉冲信号频域重复频率倍频；经过时域二阶相位调制后的光脉冲信号通过第二光耦合器(7)后分配为两部分，功率少的部分用于输出第二光频梳，功率多的部分沿光路继续传输；所述的第二光频梳的重复频率为第一光耦合器(3)输出的第一光频梳重复频率的整数倍，通过调控频域二阶相位调制一与时域二阶相位调制一，可以改变倍频因子，实现第二光频梳重复频率可调；所述的通过第二光耦合器(7)功率多的部分继续沿光路传输，进入第二相位调制器(8)，通过第二相位调制器(8)将调制波形二调制到光脉冲信号相位上，实现对光脉冲信号的时域二阶相位调制二，用于补偿所述的时域二阶相位调制一；完成时域二阶相位调制二后的光脉冲信号经第一端口(9a)输入第二光环形器(9)，由第二端口(9b)输出，经第二端口(5b)进入频域二阶相位调制模块(5)，实现频域二阶相位调制二，用于补偿所述的频域二阶相位调制一；完成频域二阶相位调制二的光脉冲再由第二端口(5b)输出后，经第二端口(9b)进入第二环形器(9)，之后由第三端口(9c)输出，并经过光学谐振腔(1)的第二端口(1b)最终回到光学谐振腔(1)内，完成一个周期循环；通过所述的频域二阶相位调制二、时域二阶相位调制二分别实现对所述的频域二阶相位调制一、时域二阶相位调制一的相位补偿，从而使第二光环形器(9)的第三端口(9c)输出的光脉冲信号与进入第一端口(4a)的光脉冲信号完全一致，能够保证光学谐振腔的稳定运行。

2.基于权利要求1所述的单腔双光频梳产生装置实现的，重复频率可调的单腔双光频梳产生方法，其特征在于，所述的光学谐振腔(1)包含光隔离器(2)和第一光耦合器(3)；所述的光隔离器(2)用于限制光脉冲信号在整个系统中沿单向传输，防止反向放大的自发辐射噪声光在光纤中传输；所述的第一光耦合器(3)将光学谐振腔(1)中的光脉冲信号按照功率分配比例分为两部分，功率少的部分作为输出，输出第一光频梳，功率多的部分仍保留在光学谐振腔(1)内循环传输。

3.基于权利要求1或2所述的单腔双光频梳产生装置实现的，重复频率可调的单腔双光频梳产生方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

(1)构建任一光学谐振腔，该谐振腔包含光隔离器等光学器件，使其能够稳定运行；该谐振腔至少包含一个输出端口第一光耦合器，使其能够输出第一光频梳，重复频率为f_rep1；在光学谐振腔的任一位置处设置一个插入点，用于后续连接光频梳重频调控模块；

(2)构建光频梳重频调控模块，通过两个光环形器依次与光学谐振腔的插入点两端连接，实现将光频梳重频调控模块嵌入光学谐振腔中，使其能够输出第二光频梳，重复频率为f_rep2；光频梳重频调控模块产生第二光频梳方法如下：

光学谐振腔产生的第一光频梳经第一光耦合器分光后，功率较少的部分用于输出第一光频梳，功率较多的部分由第一光环形器输入光频梳重频调控模块，在光频梳重频调控模块中依次经频域二阶相位调制一及时域二阶相位调制一，分别实现光脉冲信号时域及频域重复频率倍频；频域二阶相位调制一所涉及的相位改变一为：其中p为任意与q互质的正整数，k表示第k根梳齿线；时域二阶相位调制一所涉及的调制波形一为：其中s由下式求得，n表示第n个脉冲；经第二光耦合器分光后，功率较少的部分光用于输出第二光频梳，功率较多的部分仍留在光频梳重频调控模块中继续传输；

(3)经第二光耦合器分光后功率较多的部分，依次通过时域二阶相位调制二及频域二阶相位调制二，时域二阶相位调制二所涉及的调制波形二、频域二阶相位调制二所涉及的相位改变二，分别与步骤(2)中所述的时域二阶相位调制一所涉及的调制波形一、频域二阶相位调制二所涉及的相位改变一完全相反，相位改变分别为：和-φ，使得其输出光脉冲信号恢复到与步骤(2)中所述的进入光频梳重频调控模块的光脉冲信号完全一致的状态，由第二光环形器进一步汇入光学谐振腔，形成闭环，参与产生第一光频梳；

(4)为实现第二光频梳重复频率可调，可以通过调节步骤(2)及(3)中频域二阶相位调制所涉及的相位改变及时域二阶相位调制所涉及的调制波形。