CN210108679U

CN210108679U - 载波-包络偏移频率测量系统

Info

Publication number: CN210108679U
Application number: CN201921036978.8U
Authority: CN
Inventors: 张子健; 张铁
Original assignee: Jiangsu Boya Information Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Boya Information Technology Co Ltd
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2029-07-05

Abstract

本实用新型提供一种载波‑包络偏移频率测量系统，包括LiNbO3波导、第一泵浦二极管、放大器、光纤布拉格光栅、可饱和吸收镜；其中，LiNbO3波导依次通过色散补偿光纤、高非线性光纤与放大器连接，放大器还通过掺铒光纤依次与光纤布拉格光栅、可饱和吸收镜连接；第一泵浦二极管布置在高非线性光纤和放大器之间；在放大器靠近光纤布拉格光栅的一侧还布置有闭环连接点，在闭环连接点和LiNbO3波导之间还设置有另一通路，在该通路上从LiNbO3波导至闭环连接点的方向依次串联有第二泵浦二极管、相位锁定模块和干涉滤波器。本实用新型能够产生测量载波‑包络偏移频率所需的二次谐波，可操作性强，具有优良的技术效果和潜在的较为巨大的经济价值。

Description

载波-包络偏移频率测量系统

技术领域

本实用新型涉及高非线性光纤应用技术领域，更为具体地，涉及一种能够集成在实用系统(例如全光纤交钥匙系统)中且能稳定产生载波-包络偏移频率所需的二次谐波的系统。

背景技术

在现有技术中，超连续谱在频率计量学领域已经开始得到应用，尤其是在等间隔谱线，且谱线间隔等于脉冲重复频率的场合，我们可以实现“频率梳”的应用。

光脉冲中电场随时间的变化可以被描述为一个快速的正弦振荡(称为载波)乘上一个缓慢变化的包络函数。当脉冲在介质中传播时，由于色散的作用，导致相速度和群速度不一样，因此载波和包络之间的相对位置将会发生变化，当然传播过程中的非线性也有可能导致这种变化。脉冲的载波包络偏移相位(或称为绝对相位)被定义为载波相位和包络位置之间的相位差。图3给出了具有不同载波包络偏移相位时的脉冲。

在锁模激光器中，脉冲串通常是由一个单一脉冲在激光谐振器中循环产生的。当脉冲每经过输出耦合器一次，它的一部分就被作为激光输出发射出腔外。通常情况下，每个循环的载波包络偏移相位会有一定的变化，该相位可达数百或数千弧度。因此，每个发射的脉冲将具有不同的载波包络相位。对于输出脉冲序列，载波包络相位变化值对2π取余数后的值才是真正关键的值。这个值会非常灵敏地取决于各种因素，如激光功率，谐振器对准程度等。

锁模激光器的载波包络偏移频率(CEO频率)为：

其中：

是在每谐振循环中的载波包络偏移相位(也称为载波包络相位，CEP)的变化，frep为重复频率。因此载波包络偏移频率位于零到重复频率frep之间。光脉冲串在频域上的频率为(为简单起见假定没有噪声)：

v_j＝v_ceo+j·f_rep

其中：j取值为一串整数。这意味着在频域上构成了一个所谓的等距离的频率梳，而频率梳中的所有光频率都由重复频率和CEO频率决定。

载波包络偏移频率对于光频率计量学和仅具有几个光学周期的高光强物理中十分重要，因为载波包络偏移频率会很大程度的影响电场的振荡模式和峰值电场强度。

CEO的测量：载波包络偏移频率可以通过所谓的f-2f干涉法测量，该方法将一个覆盖倍频程的频率梳的低频部分倍频后与高频部分进行拍频。当激光光谱并不能覆盖倍频程时，可以通过诸如光子晶体光纤扩谱后的得到倍频程光谱。在频率梳一文中给出了关于这一内容更多细节。

CEO的稳定：激光CEO频率可以通过改变泵浦功率，或通过稍微改变谐振腔镜，或通过插入一个玻璃楔等方法来进行调整和控制。通过将CEO的测量和控制相结合，可以使得CEO频率稳定到一个已知的稳定的频率值。因此频率梳中的所有光频率都仅与两个微波频率相关。在这种情况下，激光就实现了CEO稳定或CEP稳定。另外，也可以使得频率梳本身就具有为零的载波包络偏移频率，即，基本恒定的载波包络偏移相位。为了这个目的，则需要利用由同一频率梳产生的两个输入进行差频产生。该方法将会导致所谓的自相位稳定的脉冲。现有技术中曾有过关于非线性晶体产生的二次谐波能够供应载波-包络偏移频率测量系统的技术展望，因此，实现这一技术原理是一个急迫的待解决的技术问题。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的是提供一种载波-包络偏移频率测量系统，以解决背景技术所指出的问题。

本实用新型提供的载波-包络偏移频率测量系统，包括：LiNbO3波导、色散补偿光纤、高非线性光纤、第一泵浦二极管、掺铒光纤、放大器、光纤布拉格光栅、可饱和吸收镜、第二泵浦二极管、相位锁定模块和干涉滤波器；其中，LiNbO3波导依次通过色散补偿光纤、高非线性光纤与放大器连接，放大器还通过掺铒光纤依次与光纤布拉格光栅、可饱和吸收镜连接；第一泵浦二极管布置在高非线性光纤和放大器之间；在放大器靠近光纤布拉格光栅的一侧还布置有闭环连接点，在闭环连接点和LiNbO3波导之间还设置有另一通路，在该通路上从LiNbO3波导至闭环连接点的方向依次串联第二泵浦二极管、相位锁定模块和干涉滤波器。

此外，优选的结构是，LiNbO3波导是型号为PMD1300的Y波导多功能集成器件。

另外，优选的结构是，色散补偿光纤是型号为PM-DCF的OFS保偏色散补偿光纤。

再者，优选的结构是，高非线性光纤的型号为NL-1550-Zero。

此外，优选的结构是，第一泵浦二极管、第二泵浦二极管的型号为下述几种之一：PSC611、PSC611-HP、PSC611-HP-PM。

另外，优选的结构是，干涉滤波器为三级干扰滤波器。

再者，优选的结构是，相位锁定模块为双通道高频锁相环HF2PLL，双通道高频锁相环HF2PLL为HF2LI锁相放大器、HF2LI-PLL、HF2LI-PID的集成装置。

利用本实用新型提供的载波-包络偏移频率测量系统，能够产生测量载波-包络偏移频率所需的二次谐波，可操作性强，具有优良的技术效果和潜在的较为巨大的经济价值。

为了实现上述以及相关目的，本实用新型的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本实用新型的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本实用新型的原理的各种方式中的一些方式。此外，本实用新型旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本实用新型的更全面理解，本实用新型的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本实用新型实施例的载波-包络偏移频率测量系统的结构示意图；

图2为根据本实用新型实施例的三级干扰滤波器的结构示意图；

图3为根据本实用新型实施例的一个CEO相位变化为π/2的5fs的激光脉冲在不同CEO相位下的曲线示意图。

其中的附图标记包括：LiNbO₃波导1、色散补偿光纤2、高非线性光纤3、第一泵浦二极管4、掺铒光纤5、放大器6、光纤布拉格光栅7、可饱和吸收镜9、第二泵浦二极管 10、相位锁定模块11、干涉滤波器12。

具体实施方式

为了更好的说明本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。

图1为根据本实用新型实施例的载波-包络偏移频率测量系统的结构。

如图1所示，本实用新型实施例的载波-包络偏移频率测量系统，包括：LiNbO₃波导1、色散补偿光纤2、高非线性光纤3、第一泵浦二极管4、掺铒光纤5、放大器6、光纤布拉格光栅7、可饱和吸收镜9、第二泵浦二极管10、相位锁定模块11和干涉滤波器12；其中， LiNbO3波导1依次通过色散补偿光纤2、高非线性光纤3与放大器6连接，以便获得高质量的信号；放大器6还通过掺铒光纤5依次与光纤布拉格光栅7、可饱和吸收镜9连接；第一泵浦二极管4布置在高非线性光纤3和放大器6之间；在掺铒光纤5段中的放大器6 靠近光纤布拉格光栅7的一侧还布置有闭环连接点，在闭环连接点和LiNbO3波导1之间还设置有另一通路，在该通路上从LiNbO3波导1至闭环连接点的方向依次串联第二泵浦二极管10、相位锁定模块11和干涉滤波器12。

其原理性解释内容如下：

LiNbO3波导1是在LiNbO3衬底上通过Ti内扩散或退火质子交换方法制作的光波导，具体是北京世维通光通讯技术有限公司的Y波导多功能集成器件，型号为PMD1300。LiNbO3波导是在LiNbO3衬底上通过Ti内扩散或退火质子交换方法制作的光波导。由LiNbO3波导构成的器件具有传播损耗较低、模式尺寸与单模光纤匹配性能好、驱动电压低、偏振性能高、调制带宽大等优异特点。

色散补偿光纤2具体是上海屹持光电技术有限公司出产的品牌为Eachwave的OFS保偏色散补偿光纤，型号为PM-DCF。色散补偿光纤是利用高阶模(LP11，LP02，LP21等模式)在接近截止时产生很大的负色散，来补偿通信系统中的色散的。工作在高阶模的色散补偿光纤具有很高的品质因数，其有效面积大，有利于降低非线性效应.较大的负色散斜率，可以同时补偿各种通信光纤的色散和色散斜率。

OFS保偏色散补偿光纤PM-DCF的产品参数是：

1.物理特性：光纤包层直径：125±1.5μm，涂层直径：250±10μm，证明测试级别：0.5％。

2.光学特性

色散：慢轴@1550nm，-100±10ps/(nm·km)；有效面积：@1550nm，典型20μm2；衰减：@1550nm，<0.45dB/km@1550nm，典型0.40dB/km；拍长：@1550nm，典型5mm；相对色散斜率：慢轴@1550nm，0.0034±0.0004nm-1。

高非线性光纤3为长飞光纤光缆股份有限公司生产的产品，型号为NL-1550-Zero；其光学性能如下：

工作窗口：C-波段；色散斜率@1550nm＜0.030ps/nm2/km；色散@1550nm： 0.0±1ps/nm/km；非线性系数@1550nm≥10W-1km-1；衰减系数@1550nm≤1.5dB/km；截止波长＜1480nm；数值孔径典型值：0.35；

其几何性能如下：包层直径125±7μm，包层不圆度≤1％；芯包同心度≤0.5μm；涂覆层直径245±10μm；

光纤布拉格光栅7根据光栅周期的长短不同，可将周期性的光纤光栅分为短周期(Λ <1μm)和长周期(Λ>1μm)两类。对于短周期的光纤光栅，当光谱光波在其中传播时，两个反向传播的芯模(导模)LP01之间产生能量耦合，形成特定波长为λB的反射波，对于前向传播的LP01，模β1＝β01；对于后向传播的LP01，模β1＝-β01。两耦合模的传播常数差β＝2β01较大，这种光栅称为布拉格光栅。

光纤布拉格光栅7对光的衍射满足布拉格条件，其不仅对光的方向有选择性，还对光的颜色具有选择性；便于对光波进行选择性处理。

第一泵浦二极管4、第二泵浦二极管10是深圳市杰驰电子有限公司的型号为下述几种之一或其组合的市售产品：PSC611、PSC611-HP、PSC611-HP-PM。泵浦是一种使用光将电子从原子或分子中的较低能级升高(或“泵”)到较高能级的过程。通常用于激光结构，泵浦激光介质以实现群体反转。第一泵浦二极管4、第二泵浦二极管10都属于泵浦激光二极管，它们是用来作为泵浦光源的激光二极管，它可以输出固定的波长并能取代了传统的氪灯或氙灯对激光晶体进行泵浦。光纤耦合输出的泵浦激光二极管，主要用于激发稀土离子掺杂的增益光纤，是光纤激光器及放大器的必备泵浦光源。常用的光纤输出泵浦二极管波长多为808nm(泵浦Nd光纤)、915nm(泵浦Yb光纤)、974nm(泵浦Er光纤)及976nm (泵浦Er光纤及Yb光纤)等。它具有工作时间长、效率高、体积小、稳定性好等优点，可以被广泛应用于工业加工、医疗、国防以及科学研究等领域。

可饱和吸收镜9即通常所言的半导体可饱和吸收镜(SESAM)，其基本结构就是把反射镜与半导体可饱和吸收体结合在一起。底层一般为半导体反射镜，其上生长一层半导体可饱和吸收体薄膜，最上层可能生长一层反射镜或直接利用半导体与空气的界面作为反射镜，这样上下两个反射镜就形成了一个法布里-珀罗腔，通过改变吸收体的厚度以及两反射镜的反射率，可以调节吸收体的调制深度和反射镜的带宽。

相位锁定模块11是瑞士苏黎世仪器公司Zurich Instruments的双通道高频锁相环 HF2PLL，双通道高频锁相环HF2PLL是下述几种的集成装置：HF2LI锁相放大器、 HF2LI-PLL、HF2LI-PID。

干涉滤波器12具体是三级干扰滤波器，其结构参见图2，包括三个电容C₁-C₃和三个电感L₁-L₃。

相位锁定模块11用于对光波进行相位锁定处理，用于辅助选择性滤波处理，以便能够针对典型光通信线路进行针对性的载波-包络偏移频率测量。

本实施例本质上是一种技术效果优良的载波-包络偏移频率测量系统，其工作流程如下(参照图1中系统的光路顺序)：

本实施例选用传播损耗较低、模式尺寸与单模光纤匹配性能好、驱动电压低、偏振性能高、调制带宽大的LiNbO3波导1配合激光器工作；然后使用色散补偿光纤2对激光脉冲进行色散优化；之后借助于高非线性光纤3的非线性效应对光波信号进行处理(高非线性光纤3通常用于光波长变换、光脉冲整形、光信号处理、宽带光源及光脉冲压缩等方面)，高非线性光纤(HNLF)是提高光纤非线性作用的关键介质，在其典型应用中，只需要较小的泵浦光功率和较短的高非线性光纤HNLF就可以达到高效的非线性作用效果。第一泵浦二极管4和高非线性光纤3配合后可以明显加强光波信号的非线性作用效果。

依据前述内容，经过一系列处理，本实用新型所述载波-包络偏移频率测量系统能够准确测得目标数据，且有助于在此基础上进一步实现激光的CEO稳定或CEP稳定。另外，也可以使得频率梳本身就具有为零的载波包络偏移频率，即得到基本恒定的载波包络偏移相位。其利用由同一频率梳产生的两个输入进行差频产生，从而获得自相位稳定的脉冲。其针对现有技术提出了急迫需要解决的技术问题的一种可行的解决方案。具有较为重大的前瞻性理论价值和可操作的现实价值。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种载波-包络偏移频率测量系统，其特征在于，包括：LiNbO3波导(1)、色散补偿光纤(2)、高非线性光纤(3)、第一泵浦二极管(4)、掺铒光纤(5)、放大器(6)、光纤布拉格光栅(7)、可饱和吸收镜(9)、第二泵浦二极管(10)、相位锁定模块(11)和干涉滤波器(12)；其中：

所述LiNbO3波导(1)依次通过所述色散补偿光纤(2)、所述高非线性光纤(3)与所述放大器(6)连接，所述放大器(6)还通过所述掺铒光纤(5)依次与所述光纤布拉格光栅(7)、所述可饱和吸收镜(9)连接；所述第一泵浦二极管(4)布置在所述高非线性光纤(3)和所述放大器(6)之间；

在所述放大器(6)靠近所述光纤布拉格光栅(7)的一侧还布置有闭环连接点(13)，在所述闭环连接点(13)和所述LiNbO3波导(1)之间还设置有另一通路，在该通路上从所述LiNbO3波导(1)至所述闭环连接点(13)的方向依次串联所述第二泵浦二极管(10)、所述相位锁定模块(11)和所述干涉滤波器(12)。

2.根据权利要求1所述的载波-包络偏移频率测量系统，其特征在于：所述LiNbO3波导(1)是型号为PMD1300的Y波导多功能集成器件。

3.根据权利要求1所述的载波-包络偏移频率测量系统，其特征在于：所述色散补偿光纤(2)是型号为PM-DCF的OFS保偏色散补偿光纤。

4.根据权利要求1所述的载波-包络偏移频率测量系统，其特征在于：所述高非线性光纤(3)的型号为NL-1550-Zero。

5.根据权利要求1所述的载波-包络偏移频率测量系统，其特征在于：所述第一泵浦二极管(4)、所述第二泵浦二极管(10)的型号为下述几种之一：PSC611、PSC611-HP、PSC611-HP-PM。

6.根据权利要求1所述的载波-包络偏移频率测量系统，其特征在于：所述干涉滤波器(12)为三级干扰滤波器。

7.根据权利要求1所述的载波-包络偏移频率测量系统，其特征在于：所述相位锁定模块(11)为双通道高频锁相环HF2PLL，双通道高频锁相环HF2PLL为HF2LI锁相放大器、HF2LI-PLL、HF2LI-PID的集成装置。