主动有理数谐波锁模脉冲幅度均匀化方波调制实验研究

张培培，王天鹤

(1. 中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津 300220；2. 天津津航技术物理研究所 天津300308)

0 引 言

主动锁模稳定性很好，输出的频率可以随着主动调制的射频(RF)频率改变而改变。主动锁模当中也有很多类锁模，本文针对的是主动谐波锁模。如果要产生超过RF带宽的锁模频率，应用谐波锁模的原理，可以产生几倍于RF带宽的锁模频率。谐波锁模实现了输出光脉冲重复频率的倍增(等于调制频率的整数倍)，这对产生高重复频率的超短脉冲无疑具有重要意义，可广泛应用于光通信、光测量、数模采样等[1-4]。关于主动谐波锁模的报道，最早是Davey等在线形主动锁模光纤激光器的实验中利用2.5 GHz调制得到了重复频率5 GHz 的短脉冲输出，实现了2阶有理数谐波锁模[5]。随后在自调Q锁模[6]和半导体锁模[7]激光器中也发现了主动谐波锁模现象，自此很多人开始研究主动谐波锁模[8-12]。但是，根据谐波锁模的原理，用射频作为主动锁模的调制频率，会使产生的谐波功率不相同，谐波脉冲幅度不均匀，这在实际应用中会造成很大局限性，对于光采样、光测量等都带来了很大不便。因此，很多研究机构和研究人员想要把谐波功率做得相同，即有理数谐波锁模脉冲振幅均等化，并在这方面也做了很多研究[13-16]。但是文献[13]应用电的梳状发生器和超宽带的射频放大器不是很普遍的器件，其应用不够广泛；文献[14]中应用非线性偏振旋转效应实现，依靠调整锁模的偏振态，但是不能够量化；文献[15]用的马赫曾德干涉仪是在激光腔外优化主动谐波锁模脉冲振幅。本文基于以上不足，设想使用一种比较普遍的器件来代替上述器件，而且既能够量化，便于操作，同时还能达到谐波脉冲幅度均匀化的目的，最终提出了用方波来代替射频作为主动锁模的调制频率。频放大器产生振幅均匀的窗口，但我们认为这两种器件并不是很普遍应用，因而提出了直接采用方波加载到调制器上，这样光经过调制器后的传输窗口如图2所示。

1 原 理

谐波锁模的原理基于调制频率与环形腔基频倍数的失谐量，其关系如下[17]：

式中：fmod是调制频率，fcav是腔的基频，m是谐波锁模的次序，fcav/n是调制频率与环形腔基频倍数的失谐量。

n代表的是谐波锁模中的重复频率的倍频因子，也就说n次谐波。如果n是整数，那么将会产生n倍fmod的锁模频率。

根据(1)式，可以写出时域上的表达式：

用射频RF作为主动锁模调制器，会使产生的谐波功率不相同、不均匀。因为正弦波通过调制器后，光的透过率如图1所示，所以将产生的谐波的峰值连起来应该是正弦波的包络。

通过以上图例可以明显看出，经过正弦RF调制后，光通过调制器后的传输窗口是呈现正弦包络，并不平坦，而图1(b)中的虚线包络表示的就是谐波锁模脉冲分量，可以看出谐波锁模后锁出的脉冲分量受到传输窗口的振幅调制而功率不同。因此，如果想要使谐波锁模的脉冲分量功率平坦化，必须使光通过调制器后的传输窗口是平的，即不会受到窗口振幅的调制。尽管文献[1]中提出了使用电梳状发生器和宽带射

由图2(a)可以看出，调制器加载方波后，光经过调制器后的窗口平坦均匀，这样谐波锁模的脉冲分量将不会受到传输窗口的振幅调制，谐波锁模的脉冲分量的功率相同，并且当方波的电压加到V2π时，会发现光经过调制器后的变化曲线是方波的2倍，这样就可以用很低的调制频率产生很高频率的谐波锁模脉冲。例如：用100 MHz的方波，如果方波的电压加到V2π时，能产生200 MHz的基阶锁模，虽然频率是原来调制频率的2倍，但实际上还是基阶锁模。

2 实 验

实验装置如图3所示，掺铒光纤放大器(简称EDFA)作为增益和种子源，利用EDFA的自发辐射谱来进行锁模，PC偏振控制器，因为调制器是偏振敏感器件，所以在调制器之前加PC，Filter用来稳定谐波锁模脉冲、ISO隔离器，使光单向传输，防止打坏EDFA。实验结果如图4所示。

该实验系统的基频约为6 MHz，由于AWG(码型发生器)的带宽只有1 GHz，其产生的较好方波不超过100 MHz，本文主要进行100 MHz以下的实验，在77.83 MHz锁出了基阶锁模，然后通过原理计算，在正弦和方波两种调制的情况下，分别锁出了2～7阶的谐波锁模。由于文章篇幅所限，重点比较4阶和6阶时正弦波调制和方波调制锁出的谐波锁模：4阶时，频率失谐量是6÷4＝1.5 MHz，所以应该在79.33 MHz时锁出4阶谐波锁模；而6阶谐波，频率失谐量为6÷6＝1 MHz，所以应该在78.83 MHz出现6阶谐波锁模。参见图4所示。

实验表明，在79.33 MHz出现了4阶谐波锁模，在78.83 MHz出现了6阶谐波锁模，验证了谐波锁模的理论。可以看出由正弦波调制的4阶谐波和6阶谐波的谐波功率相差很大，主频的能量要比其他谐波高出很多：可以看出4阶时，图4(a)主频比最小的谐波分量要多出6 db，6阶时图4(c)则更多，达到了10 db，而经过方波调制后的谐波锁模脉冲分量功率基本相同，几乎看不出主频，图4(b)和图4(d)的所有谐波分量振幅很均匀。

与此同时还进行了把方波电压加到V2π的实验，当方波调制频率为79.83 MHz时，根据理论应出现3阶谐波锁模，把电压加到V2π，发现频率是3阶谐波锁模的2倍，如图5所示。可见即使频率是原来有理数谐波锁模2倍的情况下，各脉冲分量振幅相同。

3 结论与展望

本文从理论和实验上证明了加载方波调制来提高谐波锁模的质量，使其谐波锁模出来的脉冲分量功率相同。因为所使用的都是很普遍的仪器和器件，并且量化可调，所以可以广泛应用于那些受限于调制带宽的情况，并且谐波锁模后的锁模质量和基频锁模质量相同，既提高了谐波锁模的质量，也扩大了其应用的范围。在此基础上当方波的电压加到调制器的V2π，产生的谐波锁模脉冲频率是原来的2倍，这在高频也应是一样的。下一步，将会进行高频方面的研究，主要是引进高频方波发生器，对调制器加载高频方波，相信可以实现40 GHz以上的幅度均匀的谐波锁模。■