主動有理數諧波鎖模脈沖幅度均勻化方波調制實驗研究

張培培，王天鶴

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

0 引 言

主動鎖模穩(wěn)定性很好，輸出的頻率可以隨著主動調制的射頻(RF)頻率改變而改變。主動鎖模當中也有很多類鎖模，本文針對的是主動諧波鎖模。如果要產生超過RF帶寬的鎖模頻率，應用諧波鎖模的原理，可以產生幾倍于RF帶寬的鎖模頻率。諧波鎖模實現了輸出光脈沖重復頻率的倍增(等于調制頻率的整數倍)，這對產生高重復頻率的超短脈沖無疑具有重要意義，可廣泛應用于光通信、光測量、數模采樣等[1-4]。關于主動諧波鎖模的報道，最早是Davey等在線形主動鎖模光纖激光器的實驗中利用2.5 GHz調制得到了重復頻率5 GHz 的短脈沖輸出，實現了2階有理數諧波鎖模[5]。隨后在自調Q鎖模[6]和半導體鎖模[7]激光器中也發(fā)現了主動諧波鎖模現象，自此很多人開始研究主動諧波鎖模[8-12]。但是，根據諧波鎖模的原理，用射頻作為主動鎖模的調制頻率，會使產生的諧波功率不相同，諧波脈沖幅度不均勻，這在實際應用中會造成很大局限性，對于光采樣、光測量等都帶來了很大不便。因此，很多研究機構和研究人員想要把諧波功率做得相同，即有理數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[13]應用電的梳狀發(fā)生器和超寬帶的射頻放大器不是很普遍的器件，其應用不夠廣泛；文獻[14]中應用非線性偏振旋轉效應實現，依靠調整鎖模的偏振態(tài)，但是不能夠量化；文獻[15]用的馬赫曾德干涉儀是在激光腔外優(yōu)化主動諧波鎖模脈沖振幅。本文基于以上不足，設想使用一種比較普遍的器件來代替上述器件，而且既能夠量化，便于操作，同時還能達到諧波脈沖幅度均勻化的目的，最終提出了用方波來代替射頻作為主動鎖模的調制頻率。頻放大器產生振幅均勻的窗口，但我們認為這兩種器件并不是很普遍應用，因而提出了直接采用方波加載到調制器上，這樣光經過調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制頻率與環(huán)形腔基頻倍數的失諧量，其關系如下[17]：

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

n代表的是諧波鎖模中的重復頻率的倍頻因子，也就說n次諧波。如果n是整數，那么將會產生n倍fmod的鎖模頻率。

根據(1)式，可以寫出時域上的表達式：

用射頻RF作為主動鎖模調制器，會使產生的諧波功率不相同、不均勻。因為正弦波通過調制器后，光的透過率如圖1所示，所以將產生的諧波的峰值連起來應該是正弦波的包絡。

通過以上圖例可以明顯看出，經過正弦RF調制后，光通過調制器后的傳輸窗口是呈現正弦包絡，并不平坦，而圖1(b)中的虛線包絡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，必須使光通過調制器后的傳輸窗口是平的，即不會受到窗口振幅的調制。盡管文獻[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，調制器加載方波后，光經過調制器后的窗口平坦均勻，這樣諧波鎖模的脈沖分量將不會受到傳輸窗口的振幅調制，諧波鎖模的脈沖分量的功率相同，并且當方波的電壓加到V2π時，會發(fā)現光經過調制器后的變化曲線是方波的2倍，這樣就可以用很低的調制頻率產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，能產生200 MHz的基階鎖模，雖然頻率是原來調制頻率的2倍，但實際上還是基階鎖模。

2 實 驗

實驗裝置如圖3所示，摻鉺光纖放大器(簡稱EDFA)作為增益和種子源，利用EDFA的自發(fā)輻射譜來進行鎖模，PC偏振控制器，因為調制器是偏振敏感器件，所以在調制器之前加PC，Filter用來穩(wěn)定諧波鎖模脈沖、ISO隔離器，使光單向傳輸，防止打壞EDFA。實驗結果如圖4所示。

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

實驗表明，在79.33 MHz出現了4階諧波鎖模，在78.83 MHz出現了6階諧波鎖模，驗證了諧波鎖模的理論。可以看出由正弦波調制的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，圖4(a)主頻比最小的諧波分量要多出6 db，6階時圖4(c)則更多，達到了10 db，而經過方波調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。

與此同時還進行了把方波電壓加到V2π的實驗，當方波調制頻率為79.83 MHz時，根據理論應出現3階諧波鎖模，把電壓加到V2π，發(fā)現頻率是3階諧波鎖模的2倍，如圖5所示。可見即使頻率是原來有理數諧波鎖模2倍的情況下，各脈沖分量振幅相同。

3 結論與展望

本文從理論和實驗上證明了加載方波調制來提高諧波鎖模的質量，使其諧波鎖模出來的脈沖分量功率相同。因為所使用的都是很普遍的儀器和器件，并且量化可調，所以可以廣泛應用于那些受限于調制帶寬的情況，并且諧波鎖模后的鎖模質量和基頻鎖模質量相同，既提高了諧波鎖模的質量，也擴大了其應用的范圍。在此基礎上當方波的電壓加到調制器的V2π，產生的諧波鎖模脈沖頻率是原來的2倍，這在高頻也應是一樣的。下一步，將會進行高頻方面的研究，主要是引進高頻方波發(fā)生器，對調制器加載高頻方波，相信可以實現40 GHz以上的幅度均勻的諧波鎖模。■