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光学频率梳在时域上具有高稳定、超快，在频域上具有宽带、高精度的特性，是微波光子学重要的研究工具[1]。特别地，它在信道化、光成像、光通讯以及任意波形产生等领域有着广泛的应用，是雷达、电子战、及通信等电子信息装备的核心技术[2-5]。2014年，基于光频梳的全光相干雷达系统首次在意大利实现，系统具有高精度、宽带宽、高灵敏以及无需下转换等优势，引起了广泛的关注[6]。国内包括清华大学、南京航空航天大学和北京邮电大学等多个高校持续跟踪研究。
高重频光频梳具有宽的梳齿间隔（通常≥10 GHz）和小的时间抖动（fs量级），是微波光子学信道化和光通讯领域的理想工具。而较高的梳齿间隔对光频梳的产生方法提出了较高的要求，传统的光纤激光器、固体激光器等主被动锁模方式受限激光器腔长无法满足需求[7,8]。近年来，国内外多个课题组和公司持续研究，陆续提出了多个解决方案。2012年，日本的Optocomb公司首次推出了基于法布罗（FP）腔相位调制技术的高重频光频梳，重频间隔达25 GHz，具有结构紧凑，平坦度好的优点[9]。但FP腔结构使其重频间隔拓展有限、伺服控制系统复杂和成本较高。微腔调制技术是产生高重频光频梳的有效方式。它具有尺寸小、重量轻、光谱宽和梳齿间隔大的特点，梳齿间隔可达100 GHz，在未来集成光学系统具有很高的潜力[10, 11]。但目前，其平坦度较差、噪声大和相位锁定较难等问题限制其广泛的应用。另一方面，基于级联调制的光频梳方法具有梳齿间隔大范围可调、结构紧凑、梳齿数目多和相位噪声低等特点。2010年，美国普渡大学通过级联调制获得了梳齿间隔10 GHz，梳齿数目38根，平坦度小于1 dB的光频梳，并于2013年利用非线性技术将梳齿数目提升到365[12,13]。2012年，清华大学通过级联两个相位调制器，获得了梳齿间隔10 GHz，梳齿数目29根，平坦度小于1.5 dB的光频梳[14]。但该方法受限调制器可调制频率和可承受功率，重复频率一般限制在40 GHz，同时在高重复频率下梳齿数量有限。
基于循环调制方法不受限调制器，具有梳齿间隔可调、梳齿数目多和平坦度好的特点。2010年，北京邮电大学验证了基于单边带调制的循环频移方法可以产生稳定的高重频光频梳，并在2011年实验上获得了梳齿间隔12.5 GHz，梳齿数量达50的光频梳，并在2017年发展了双方向的频率拓展技术，将梳齿数目增加大80根[15-17]。本文基于该方法，结合FP标准具滤波技术，首次将重复频率提升到49 GHz，同时利用全保偏系统，有效提升系统抗干扰能力，利用光纤光栅（FBG）代替传统台式滤波器，实现集成化高重复频率光梳系统，梳齿数目达14，平坦度2.7 dB，平均光功率9 dBm。本系统有望应用到信道化和光ADC等各微波光子领域中。
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如图1所示为全保偏高重频光梳产生系统的实验装置图。它主要由CW（连续激光器）光源、环内调制模块以及环外滤波模块三部分组成。系统工作原理是基于IQ调制器完成光学移频，并通过循环调制完成频率梳齿的产生，利用EDFA（掺铒光纤放大器）补偿环内损耗、带通滤波组件控制频率成分和FP标准具提升光频梳梳齿间隔，最终稳定输出高重频线偏振的多波长光频率。
图 1 多波长光频梳系统装置图。CW：连续激光器，PM-OC：保偏分束器，FP：法布里-珀罗标准具，EDFA：掺铒光纤放大器，FBG：光纤光栅，BF：带通滤波,PD:光电探测器，EA：射频放大器，EC：射频功分器
Figure 1. Block diagram of multicarrier source system. CW: continuous wave laser; PM-OC: Polarization-maintaining optical coupler; FP: Fabry-Perot etalon; EDFA: Erbium-doped fiber amplifier; FBG: Fiber bragg grating; BP: band-pass filter；PD：photodiode detector; EA: Electronic amplifier; EC: Electronic coupler
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首先，CW光源输出中心波长1552.39 nm，线宽约为1 MHz的连接激光，输出功率可调。CW激光通过5：5PM-OC（保偏分束器）分为两路：一路输出至环外滤波模块，另一路进入环内调制模块与IQ调制器连接。为了实现光学移频，IQ调制器需要工作在载波抑制单边带模式，相应I/Q端口输出射频信号需要具有相同的幅度与固定90度相位差：
$${V_I}=R{V_{I{\text{π}}}}\sin (2{\text{π}}{f_s}t)$$ (1) $${V_Q}=R{V_{Q{\text{π}}}}\sin (2{\text{π}}{f_s}t -{\text{π}}/2)$$ (2) 其中，R为调制深度表征射频信号幅度与半波电压的比值，通常两端口半波电压可近似相同，即Vπ=VIπ=VQπ。两路射频信号由同一射频信号（频率fs）经EA（射频放大器）放大后通过EC（射频功分器）均分形成。同时在一路中利用射频移相器调整延时，从而获得固定90度的相位差。利用Jacobi三角公式进行展开，并忽略调制器I/Q两端不对称因数的影响，IQ调制器输出的光场可以表示为[15]：
其中，EI(t)和EQ(t)分别为IQ调制器中并行MZM输出的光场，
${E_c}={E_o}\exp (j2{\text{π}}{f_c}t)$ 为IQ调制器的输入光场，对应光频为fc。如上式可见，在理想情况下，当并行MZM的偏置点均在半波电压，IQ调制器偏置点对应−π/2，连续光经IQ调制器作用后将产生正向频率fs的移动，同时会在载波fc、光频fc−fs以及fc−3fs等频点存在一定残余分量。可通过优化I/Q两端射频信号的幅度/相位差、IQ调制器偏置点控制精度以及选型高分光比调制器来有效提高杂散成分抑制度。$$\begin{split} {V_{out}}{\rm{(t)}}\; & = {E_I}(t) + j{E_Q}(t) \\ &\approx \frac{1}{4}{E_o}(1 - {j^{n + 1}})\left\{ {\sum\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {\left[ {\left[{J_n}\left(\frac{{\text{π}} }{2}R\right) - {{(-1)}^n}{J_n}\left(\frac{{\text{π}} }{2}R\right)\right]} \right]} \exp [j2{\text{π}} ({f_c} + n{f_s}t]} \right\} \\ &\approx \frac{1}{4}{E_o}\left\{ {4{J_1}\left(\frac{{\text{π}} }{2}R\right)\exp [j2{\text{π}} ({f_c} + {f_s}t) + 4{J_{ - 3}}\left(\frac{{\text{π}} }{2}R\right)\exp [j2{\text{π}} ({f_c} - 3{f_s}t) + ...} \right\} \\ &\approx {E_o}{J_1}\left(\frac{{\text{π}} }{2}R\right)\exp [j2{\text{π}} ({f_c} + {f_s}t) \end{split} $$ (3) 进一步，IQ调制器输出的频移光场将通过多次环内循环调制，逐渐拓展频率，经N次循环后产生N+1根频率成分并输出。为了实现稳定的多梳齿频率成分输出，首先需要EDFA对环内各器件引入的损耗进行补偿，其次需要环内光学滤波限制梳齿数量，抑制远端杂散成分消耗光增益。EDFA的增益为20 dB，饱和功率21 dBm，可以有效补偿PM-OC、调制器和BF滤波组件的损耗。当环内增益和损耗建立平衡，即可稳定输出等间隔的多波长光频梳。
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基于上述原理分析，我们开展了相应的实验研究。实验过程主要分为以下几部分：首先，通过开展RF射频功率对IQ调制器插损和抑制比的影响，获得最佳的载波抑制单边带状态；其次，开展环内增益-损耗平衡研究，实现多波长光频梳的产生；同时通过环外滤波提升梳齿间隔；最后，开展系统集成和稳定性研究，为后续的实际应用奠定基础。
本系统基于全保偏光学器件完成，可以有效提升系统抗干扰能力，进一步提高光频梳稳定度和平坦度，具体实验结果和分析如下：
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如图1所示，CW光功率经调整为4 dBm后经过5：5PM-OC注入到环内。IQ调制器单通工作状态是多波长光频梳稳定输出的关键，因此我们首先详细研究了CW激光经过IQ调制器后的输出情况。为了使IQ调制器工作在载波抑制单边带状态下，实验中利用PM-OC分束部分光进入PD进行光电转换，然后接入偏置点控制板产生三路偏置点控制电压分别接入IQ调制器的I、Q以及P端。通过导频法实时反馈使IQ调制器稳定工作在载波抑制单边带状态下，并通过改变I/Q两端射频信号的相位差π/2或−π/2，可以改变输出光谱频移方向。图2（a）所示为短波方面频移的输出光谱，经优化后，1阶频率成分相对载波信号的抑制比（TNR）达到33 dB，表明载波得到有效抑制。同时受限于整体系统体积，I/Q两端射频的幅度平衡无法进一步优化，输出光谱曲线存在−1和−3阶等杂散频率成分。
如图2（a）可见，−1阶频率为主要的杂散成分，1阶相对−1阶频率的TNR达到27.5 dB，说明杂散成分得到有效抑制，有利于产生稳定的多波长光频梳。为了实现后续环内的增益损耗平衡，往往需要通过调整射频功率来改变IQ调制器引入的损耗。如图2（b）所示，我们测量了不同RF射频功率下IQ调制器插损和1阶相对−1阶频率的TNR的变化曲线。随着RF射频功率增大，IQ调制器的插损逐渐减小，同时1阶相对−1阶频率的抑制比P1,−1P接近固定值，此现象与理论相符。尽管进一步增大RF射频功率可以减小插损有利于产生更多梳齿，但也会增大−3阶杂散频率的幅值甚至超过−1阶频率成分，从而会恶化梳齿平坦度和稳定度。因此，本系统平衡选取了RF射频功率为17.7 dBm，对应IQ调制器插入损耗为14.28 dB。
图 2 （a）IQ调制器载波抑制单边带下的输出光谱图；（b）IQ调制器插损和P1,-1抑制比随RF射频功率的变化曲线
Figure 2. (a) The output spectrum after IQ modulator with single-frequency shifting (SSB) sate; (b) Insert loss of IQ modulator and P1,-1ratio versus the power of radio frequency.
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在此基础上，移频后的激光进入BF组件进行光滤波。该组件由环形器和宽带FBG组成。相对传统台式带通滤波器，本组件尽管滤波矩形度有限，但具有插损小和易集成化的优点。BF组件输出经EDFA获得光增益，然后再次通过5:5 PM-OC分束，部分回到环内进一步移频，部分直接输出。如图3所示为优化后输出的24.5 GHz波长光频梳，可以看出，基于循环调制技术和增益损耗平衡，梳齿数量有效拓展到28根，波长覆盖约5.5 nm，相应的平坦度为3 dB。通过控制EDFA的自发辐射，带内梳齿相对噪底的抑制比TNR可达到29 dB。
图 3 24.5 GHz多波长光频梳的输出光谱曲线
Figure 3. The output spectrum of obtained 24.5-GHz multicarrier frequency comb
在光通讯和雷达信号化等领域，往往希望光频梳的频率间隔尽量大，有利于滤波处理和提高可利用频率范围。因此，我们最后在环外利用FP标准具对PM-OC输出的宽带多波长光频梳进行滤波处理。由于FP标准具对应自由光谱程是射频信号频率fs的两倍，当光频梳成分与FP标准具透射波长对齐，即可在不影响光频梳平坦度的情况下有效提升梳齿间隔，获得高重频多波长光源。因此，5:5PM-OC输出的宽带多波长光频梳进入FP标准具进行滤波处理。如图4（a）所示为FP标准具的透射曲线，相邻的透射峰间隔约为49 GHz，是产生光频梳梳齿间隔的两倍。当调节FP标准具透射峰与光频梳梳齿对齐，即可输出49 GHz频率间隔的多波长光频梳，相应的光谱曲线如图4（b）所示。有效利用FP标准具高的自由光谱程，24.5 GHz频率间隔的频率成分被有效抑制，相应的TNR可以达到19 dB，并可以通过提升FP标准具的精细度进一步提高。相应的梳齿数量达到14根，平坦度为2.7 dB。
图 4 （a）49 GHz FP标准具的透射曲线；（b）49 GHz多波长光频梳输出光谱曲线
Figure 4. (a) The transmission curve of 49-GHz FP etalon; (b) The output spectrum of obtained 49-GHz multicarrier frequency comb
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最后，我们将各组件进行集成并研究其长时间运行稳定性。集成后的全保偏49 GHz高重频多波长光源系统体积仅为233.35 mm×162.5 mm×20 mm。本系统为一键启动装置，启动后经10−30 s即可建立平衡，输出稳定的高重频多波长光频梳。我们以5 s为时间间隔连续监测了系统运行半个小时的输出平均光功率，如图5所示。基于全保偏器件构建，本系统的稳定度得到有效提升，同时输出线偏振激光。长时间稳定运行下平均输出功率约为9 dBm，相应的标准差仅为0.5%。同时，具体分析光功率抖动的引入原因主要有输入激光器功率和波长飘动、射频功率抖动以及环内EDFA输出抖动等因素。通过提升输入激光器和射频信号的稳定性，系统可以进一步提升长时稳定性，从而满足各微波光子领域的应用需求。
图 5 多波长光频梳输出功率变化曲线
Figure 5. The power fluctuation of the multi-carrier frequency comb
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基于循环调制技术, 本文首次实现全保偏49 GHz高重频多波长光源。通过优化I/Q两端射频信号和三个偏置点，IQ调制稳定工作在载波抑制单边带模式，杂散频率成分抑制比达到27.5 dB。同时通过优化射频功率建立环内增益损耗平衡，我们获得了宽带多波长光频梳，梳齿间隔24.5 GHz，梳齿数量为28根，平坦度仅为3 dB，TNR达29 dB。进一步利用FP标准具滤波技术，我们获得了全保偏49 GHz高重频多波长光源，梳齿数量为14根，平坦度仅为2.7 dB，TNR达19 dB。最后将本系统集成为体积仅为233.35 mm×162.5 mm×20 mm的一键式光学模块，长时间稳定运行下平均输出功率约为9 dBm，相应的标准差仅为0.5%，有望运用到各微波光子领域中。
Generation of a 49-GHz, High-repetition-rate, All-polarization-maintaining, frequency-locked multicarrier
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摘要: 频域稳定的高重频多波长光源是信道化和光通讯等领域的理想光源。为了满足高重频多梳齿激光源的应用需求，本文研制了49 GHz梳齿间隔的多波长激光源。通过优化I/Q两端射频信号和三个偏置点，IQ调制器稳定工作在载波抑制单边带模式，杂散频率成分抑制比达到27.5 dB。我们利用循环调制技术产生宽带多波长光频梳，并通过优化射频功率建立环内增益-损耗平衡，有效提升平坦度，获得了梳齿间隔24.5 GHz、梳齿数目28根、平坦度仅为3 dB、梳齿信噪比达（TNR）达29 dB的多波长光频梳。并进一步利用FP滤波技术将频率间隔提升到49 GHz，最终得到梳齿数目达14根，平坦度2.7 dB，TNR达19 dB，平均光功率9 dBm的高重频多波长光频梳。基于全保偏光纤器件和集成化技术，本系统具有一键式启动和长时稳定运行的特点，半小时运行下功率抖动标准差仅为0.5%，有望运用到各微波光子领域中。Abstract: Frequency-locked multicarrier with high-repetition-rate is an ideal tool for microwave channelization and optical communications. To meet the needs of those applications, we propose a multicarrier laser with a repetition frequency of 49 GHz. The IQ modulator works at the single-frequency shifting (SSB) state by carefully optimizing the radio frequencies (RFs) and their three bias points, resulting in a signal-to-noise ratio of 27.5 dB. The recirculating frequency shifter (RFS) architecture is employed to generate an optical comb with high flatness. By optimizing the power of RFs for the balance of intracavity loss, we successfully generate 28 frequency-locked subcarriers with flatnesses lower than 3 dB and tone-to-noise ratios (TNR) larger than 29 dB. Meanwhile, an FP etalon is used to increase the repetition-rate, resulting in 14 frequency-locked subcarriers with flatnesses lower than 2.7 dB, tone-to-noise ratios larger than 19 dB, average powers of more than 9 dBm and carrier spacings at 49 GHz. The system is built with all-polarization-maintaining components, showing one-push and long-term running properties. The power fluctuation of the multi-carrier frequency comb through the half-hour is only 0.5%, which shows that this scheme has great potential applications in channel communications and microwave channelization.
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图 1 多波长光频梳系统装置图。CW：连续激光器，PM-OC：保偏分束器，FP：法布里-珀罗标准具，EDFA：掺铒光纤放大器，FBG：光纤光栅，BF：带通滤波,PD:光电探测器，EA：射频放大器，EC：射频功分器
Figure 1. Block diagram of multicarrier source system. CW: continuous wave laser; PM-OC: Polarization-maintaining optical coupler; FP: Fabry-Perot etalon; EDFA: Erbium-doped fiber amplifier; FBG: Fiber bragg grating; BP: band-pass filter；PD：photodiode detector; EA: Electronic amplifier; EC: Electronic coupler
图 2 （a）IQ调制器载波抑制单边带下的输出光谱图；（b）IQ调制器插损和P1,-1抑制比随RF射频功率的变化曲线
Figure 2. (a) The output spectrum after IQ modulator with single-frequency shifting (SSB) sate; (b) Insert loss of IQ modulator and P1,-1ratio versus the power of radio frequency.
图 3 24.5 GHz多波长光频梳的输出光谱曲线
Figure 3. The output spectrum of obtained 24.5-GHz multicarrier frequency comb
图 4 （a）49 GHz FP标准具的透射曲线；（b）49 GHz多波长光频梳输出光谱曲线
Figure 4. (a) The transmission curve of 49-GHz FP etalon; (b) The output spectrum of obtained 49-GHz multicarrier frequency comb
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