主動(dòng)有理數(shù)諧波鎖模脈沖幅度均勻化方波調(diào)制實(shí)驗(yàn)研究

張培培，王天鶴

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津 300220；2. 天津津航技術(shù)物理研究所 天津300308)

0 引 言

主動(dòng)鎖模穩(wěn)定性很好，輸出的頻率可以隨著主動(dòng)調(diào)制的射頻(RF)頻率改變而改變。主動(dòng)鎖模當(dāng)中也有很多類鎖模，本文針對(duì)的是主動(dòng)諧波鎖模。如果要產(chǎn)生超過(guò)RF帶寬的鎖模頻率，應(yīng)用諧波鎖模的原理，可以產(chǎn)生幾倍于RF帶寬的鎖模頻率。諧波鎖模實(shí)現(xiàn)了輸出光脈沖重復(fù)頻率的倍增(等于調(diào)制頻率的整數(shù)倍)，這對(duì)產(chǎn)生高重復(fù)頻率的超短脈沖無(wú)疑具有重要意義，可廣泛應(yīng)用于光通信、光測(cè)量、數(shù)模采樣等[1-4]。關(guān)于主動(dòng)諧波鎖模的報(bào)道，最早是Davey等在線形主動(dòng)鎖模光纖激光器的實(shí)驗(yàn)中利用2.5 GHz調(diào)制得到了重復(fù)頻率5 GHz 的短脈沖輸出，實(shí)現(xiàn)了2階有理數(shù)諧波鎖模[5]。隨后在自調(diào)Q鎖模[6]和半導(dǎo)體鎖模[7]激光器中也發(fā)現(xiàn)了主動(dòng)諧波鎖模現(xiàn)象，自此很多人開始研究主動(dòng)諧波鎖模[8-12]。但是，根據(jù)諧波鎖模的原理，用射頻作為主動(dòng)鎖模的調(diào)制頻率，會(huì)使產(chǎn)生的諧波功率不相同，諧波脈沖幅度不均勻，這在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)造成很大局限性，對(duì)于光采樣、光測(cè)量等都帶來(lái)了很大不便。因此，很多研究機(jī)構(gòu)和研究人員想要把諧波功率做得相同，即有理數(shù)諧波鎖模脈沖振幅均等化，并在這方面也做了很多研究[13-16]。但是文獻(xiàn)[13]應(yīng)用電的梳狀發(fā)生器和超寬帶的射頻放大器不是很普遍的器件，其應(yīng)用不夠廣泛；文獻(xiàn)[14]中應(yīng)用非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，依靠調(diào)整鎖模的偏振態(tài)，但是不能夠量化；文獻(xiàn)[15]用的馬赫曾德干涉儀是在激光腔外優(yōu)化主動(dòng)諧波鎖模脈沖振幅。本文基于以上不足，設(shè)想使用一種比較普遍的器件來(lái)代替上述器件，而且既能夠量化，便于操作，同時(shí)還能達(dá)到諧波脈沖幅度均勻化的目的，最終提出了用方波來(lái)代替射頻作為主動(dòng)鎖模的調(diào)制頻率。頻放大器產(chǎn)生振幅均勻的窗口，但我們認(rèn)為這兩種器件并不是很普遍應(yīng)用，因而提出了直接采用方波加載到調(diào)制器上，這樣光經(jīng)過(guò)調(diào)制器后的傳輸窗口如圖2所示。

1 原 理

諧波鎖模的原理基于調(diào)制頻率與環(huán)形腔基頻倍數(shù)的失諧量，其關(guān)系如下[17]：

式中：fmod是調(diào)制頻率，fcav是腔的基頻，m是諧波鎖模的次序，fcav/n是調(diào)制頻率與環(huán)形腔基頻倍數(shù)的失諧量。

n代表的是諧波鎖模中的重復(fù)頻率的倍頻因子，也就說(shuō)n次諧波。如果n是整數(shù)，那么將會(huì)產(chǎn)生n倍fmod的鎖模頻率。

根據(jù)(1)式，可以寫出時(shí)域上的表達(dá)式：

用射頻RF作為主動(dòng)鎖模調(diào)制器，會(huì)使產(chǎn)生的諧波功率不相同、不均勻。因?yàn)檎也ㄍㄟ^(guò)調(diào)制器后，光的透過(guò)率如圖1所示，所以將產(chǎn)生的諧波的峰值連起來(lái)應(yīng)該是正弦波的包絡(luò)。

通過(guò)以上圖例可以明顯看出，經(jīng)過(guò)正弦RF調(diào)制后，光通過(guò)調(diào)制器后的傳輸窗口是呈現(xiàn)正弦包絡(luò)，并不平坦，而圖1(b)中的虛線包絡(luò)表示的就是諧波鎖模脈沖分量，可以看出諧波鎖模后鎖出的脈沖分量受到傳輸窗口的振幅調(diào)制而功率不同。因此，如果想要使諧波鎖模的脈沖分量功率平坦化，必須使光通過(guò)調(diào)制器后的傳輸窗口是平的，即不會(huì)受到窗口振幅的調(diào)制。盡管文獻(xiàn)[1]中提出了使用電梳狀發(fā)生器和寬帶射

由圖2(a)可以看出，調(diào)制器加載方波后，光經(jīng)過(guò)調(diào)制器后的窗口平坦均勻，這樣諧波鎖模的脈沖分量將不會(huì)受到傳輸窗口的振幅調(diào)制，諧波鎖模的脈沖分量的功率相同，并且當(dāng)方波的電壓加到V2π時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)光經(jīng)過(guò)調(diào)制器后的變化曲線是方波的2倍，這樣就可以用很低的調(diào)制頻率產(chǎn)生很高頻率的諧波鎖模脈沖。例如：用100 MHz的方波，如果方波的電壓加到V2π時(shí)，能產(chǎn)生200 MHz的基階鎖模，雖然頻率是原來(lái)調(diào)制頻率的2倍，但實(shí)際上還是基階鎖模。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，摻鉺光纖放大器(簡(jiǎn)稱EDFA)作為增益和種子源，利用EDFA的自發(fā)輻射譜來(lái)進(jìn)行鎖模，PC偏振控制器，因?yàn)檎{(diào)制器是偏振敏感器件，所以在調(diào)制器之前加PC，F(xiàn)ilter用來(lái)穩(wěn)定諧波鎖模脈沖、ISO隔離器，使光單向傳輸，防止打壞EDFA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基頻約為6 MHz，由于AWG(碼型發(fā)生器)的帶寬只有1 GHz，其產(chǎn)生的較好方波不超過(guò)100 MHz，本文主要進(jìn)行100 MHz以下的實(shí)驗(yàn)，在77.83 MHz鎖出了基階鎖模，然后通過(guò)原理計(jì)算，在正弦和方波兩種調(diào)制的情況下，分別鎖出了2～7階的諧波鎖模。由于文章篇幅所限，重點(diǎn)比較4階和6階時(shí)正弦波調(diào)制和方波調(diào)制鎖出的諧波鎖模：4階時(shí)，頻率失諧量是6÷4＝1.5 MHz，所以應(yīng)該在79.33 MHz時(shí)鎖出4階諧波鎖模；而6階諧波，頻率失諧量為6÷6＝1 MHz，所以應(yīng)該在78.83 MHz出現(xiàn)6階諧波鎖模。參見圖4所示。

實(shí)驗(yàn)表明，在79.33 MHz出現(xiàn)了4階諧波鎖模，在78.83 MHz出現(xiàn)了6階諧波鎖模，驗(yàn)證了諧波鎖模的理論?？梢钥闯鲇烧也ㄕ{(diào)制的4階諧波和6階諧波的諧波功率相差很大，主頻的能量要比其他諧波高出很多：可以看出4階時(shí)，圖4(a)主頻比最小的諧波分量要多出6 db，6階時(shí)圖4(c)則更多，達(dá)到了10 db，而經(jīng)過(guò)方波調(diào)制后的諧波鎖模脈沖分量功率基本相同，幾乎看不出主頻，圖4(b)和圖4(d)的所有諧波分量振幅很均勻。

與此同時(shí)還進(jìn)行了把方波電壓加到V2π的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)方波調(diào)制頻率為79.83 MHz時(shí)，根據(jù)理論應(yīng)出現(xiàn)3階諧波鎖模，把電壓加到V2π，發(fā)現(xiàn)頻率是3階諧波鎖模的2倍，如圖5所示。可見即使頻率是原來(lái)有理數(shù)諧波鎖模2倍的情況下，各脈沖分量振幅相同。

3 結(jié)論與展望

本文從理論和實(shí)驗(yàn)上證明了加載方波調(diào)制來(lái)提高諧波鎖模的質(zhì)量，使其諧波鎖模出來(lái)的脈沖分量功率相同。因?yàn)樗褂玫亩际呛芷毡榈膬x器和器件，并且量化可調(diào)，所以可以廣泛應(yīng)用于那些受限于調(diào)制帶寬的情況，并且諧波鎖模后的鎖模質(zhì)量和基頻鎖模質(zhì)量相同，既提高了諧波鎖模的質(zhì)量，也擴(kuò)大了其應(yīng)用的范圍。在此基礎(chǔ)上當(dāng)方波的電壓加到調(diào)制器的V2π，產(chǎn)生的諧波鎖模脈沖頻率是原來(lái)的2倍，這在高頻也應(yīng)是一樣的。下一步，將會(huì)進(jìn)行高頻方面的研究，主要是引進(jìn)高頻方波發(fā)生器，對(duì)調(diào)制器加載高頻方波，相信可以實(shí)現(xiàn)40 GHz以上的幅度均勻的諧波鎖模?！?/p>