CN102621764B - 基于超声光栅的可调谐光学变频器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声光栅的可调谐光学变频器，其包括激光器、第一光隔离器和循环移频模块。所述的循环移频模块由光耦合器、超声光栅、透镜组、光放大器、第二光隔离器、第一光环行器、光纤布喇格光栅、第二光环行器、可调谐滤波器以及可调衰减器组成。所述激光器输出的光经过第一光隔离器后输入到所述循环移频模块中进行反复移频，然后经可调谐滤波器滤波和第二光环行器分离，再从环移频模块的端口输出变频光。本发明提供的变频器体积紧凑，光学元件少因而易集成，变频范围大，变频效率高，输出功率高。

Description

基于超声光栅的可调谐光学变频器

技术领域

本发明涉及一种基于超声光栅的可调谐光学变频器，特别涉及一种基于超声光栅移频、循环移频和滤波技术的宽带调谐的变频器。

背景技术

光学频率下转换、上转换的本质是差频、和频技术。相比传统的谐波产生方法，差频、和频合成技术系统的最大优势在于系统便携、紧凑，同时包含更丰富的频率成份。目前，有频率间距二分法、光学参量振荡器法、非线性晶体光学法、激光二极管四波混频法、光频梳发生器法等。在这些方法中频率间距二分法和光频梳发生器法比较有特色。这两种方法的宗旨就是将一个大的光学频率间距分割成若干个与已知频率成一定关系的更小频率间距，而这个已知频率通常可以采用现有手段来测量出来，这为频率探测技术提供了极其便捷的手段。

从另外一个角度来看，如果能够通过不断移动可测量的小间距的频率而最终获得大间距的任意频率，而且这些任意的光频率也能够得到测量，那将是一件非常不错的想法。比如事先知道了某一已知频率ω_rf，现在仅在原有频率ω_c的附近实现已知频率ω_rf的若干次的倍增或倍减，最终通过原有频率ω_c可以得到任意期望的频率ω_c±nω_rf。而此时每个频率的大小又可以通过一个类似于频率“显示屏”的滤波器显示出来。如果真能够实现该想法，那么该技术不仅可以满足光频测量的要求，而且还可以获得我们任意需求的光源频率。

为了实现该想法，本发明公开了一种基于超声光栅的可调谐光学变频器。该发明将变频激光器的结构大大简化，成本大幅降低，使其庞大的光学实验室得以小型化-一台这样的可调谐光学变频器就可以取代数十台到数百台的激光器，从而使光学实验的综合成本幅度降低，有望在科学研究、工业生产等方面获得广泛应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种紧凑、便携，易于集成，宽调谐且调谐效率高的宽带调谐变频器。

解决本发明技术问题的技术方案是：提供一种基于超声光栅的可调谐光学变频器，其包括激光器、第一光隔离器、基于超声光栅移频的循环移频模块；所述激光器输出的光经过第一光隔离器后输入到所述循环移频模块中进行反复移频，然后经可调谐滤波器滤波和第二光环行器分离，再从循环移频模块的端口输出变频光。

所述激光器为工作波长在100nm-100000nm波段内的半导体激光器、气体激光器、固体激光器或光纤激光器。

所述基于超声光栅移频的循环移频模块的闭环增益系数的最佳值为1，次佳值为1以外的其它正整数值，再次佳值为1以外的其它正整数的倒数值。

所述基于超声光栅移频的循环移频模块由光耦合器、超声光栅、L₁透镜、L₂透镜、光放大器、第二光隔离器、第一光环行器、光纤布喇格光栅、第二光环行器、可调谐滤波器以及可调衰减器组成。

所述超声光栅为透射超声光栅，用于相位调制。

所述超声光栅和L₁透镜和L₂透镜的输出功率不能超过光放大器的最大允许输入光功率。

所述第一光环行器为三端口环行器，第一端口连接第二光隔离器的输出端，第二端口连接光纤布喇格光栅的输入端，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载吸收光纤布喇格光栅的反射光。

所述第二光环行器为三端口环行器，其第一端口连接光纤布喇格光栅的输出端口，第二端口连接可调谐滤波器的输入端口，第三端口作为循环移频模块的光输出口。

所述基于超声光栅移频的循环移频模块中各部件的工作频率带宽不小于循环移频模块输出端口的最高输出频率与激光器光源的频率差。

所述第一光隔离器、基于超声光栅移频的循环移频模块中各部件的工作波段与激光器的工作波段一致。

所述可调谐滤波器为窄带滤波器，将需要滤取的窄带光反射到第二光环行器的第三端口输出，而将其它频率的光透射到光衰减器的输入端，所述变频器的频率变化值等于可调谐滤波器的窄带输出光的频率与所述激光器的输出光的频率之差，变频器的频率调节范围不大于可调谐滤波器的窄带输出光的频率可调范围。

所述可调谐滤波器为带缺陷层的一维光子晶体技术或光栅衍射技术所制作成的频率可调谐滤波器。

所述一维光子晶体的光子禁带区不小于系统输出的光波的频率调谐范围，所述一维光子晶体包含一层折射率可调缺陷层，所述缺陷层的折射率的调节方式包括电致折变、磁致折变、声致折变、光致折变、力致折变或热致折变，所述一维光子晶体具有一缺陷模，所述缺陷模随所述缺陷层的折射率的变化。

本发明提供的可调谐光学变频器体积小，光学元件少，易于集成，成本低，调谐范围大，调谐效率高，输出功率高，操作简单。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明基于超声光栅的可调谐光学变频器的系统结构示意图。

图2是本发明基于超声光栅的可调谐光学变频器的第一种实施方式的示意图。

图3是本发明基于超声光栅的可调谐光学变频器的第二种实施方式的示意图。

图4是本发明基于超声光栅的可调谐光学变频器的第三种实施方式的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于超声光栅的可调谐光学变频器，如图1所示，其包括激光器1、第一光隔离器2、基于超声光栅移频的循环移频模块3；所述激光器1输出的光经过第一光隔离器2后输入到所述循环移频模块3中进行反复移频，然后经可调谐滤波器310滤波和第二光环行器39分离，再从循环移频模块的端口4输出变频光。

激光器1为工作波长在100nm-100000nm波段内的半导体激光器、气体激光器、固体激光器或光纤激光器。

基于超声光栅移频的循环移频模块3的闭环增益系数的最佳值为1，次佳值为1以外的其它正整数值，再次佳值为1以外的其它正整数的倒数值。

基于超声光栅移频的循环移频模块3由光耦合器31、超声光栅32、L₁透镜33、L₂透镜34、光放大器35、第二光隔离器36、第一光环行器37、光纤布喇格光栅38、第二光环行器39、可调谐滤波器310以及可调衰减器311组成。

超声光栅32为透射超声光栅，用于相位调制。超声光栅32的频移原理是：超声波在透明介质中传播时将引起介质的弹性应变而作时间和空间上的周期性变化，导致介质的折射率也作相应变化。若声光作用距离较小时，光波通过介质主要引起空间周期性变化，最终光波的相位得到调制。不失一般性，设声光介质中的超声波是沿着x方向传播的平面纵波，其角频率为ω_s，波矢量为k_s(＝2π/λ_s)，其中λ_s为超声波波长；入射光为沿z方向传播的平面波，其角频率为ω，波矢量为k(＝2π/λ)，其中λ为真空中光波波长。当介质的弹性应变较小时，折射率n随x和时间t的变化关系为

n(x，t)＝n₀+(Δn)_msin(ω_st-k_sx)                 (1)

其中n₀表示无超声波时介质的折射率，(Δn)_m表示折射率的变化幅值。当光波通过厚度为L的超声光栅时，引起的相位变化为

ΔΦ(x，t)＝kn(x，t)L＝ΔΦ₀+ΔΦ_msin(ω_st-k_sx)          (2)

其中ΔΦ₀表示无超声波时光通过L厚度超声光栅的相位差，ΔΦ_m表示位相差的变化幅度。假设光第一次通过超声光栅时，在z＝-L/2平面上的电矢量为

E＝Ae^iωt                                                (3)

则光第一次通过超声光栅后，在z＝L/2平面上的电矢量为

$E={\mathrm{Ae}}^{i[\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\Δ\Φ}}_0-{\mathrm{\Δ\Φ}}_m\sin ({\mathrm{\ω}}_{s}t-k_{s}x)]}---\left(4\right)$

利用数学恒等式

$e^{\mathrm{i\β}\sin \mathrm{\θ}}=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n\left(\mathrm{\β}\right)e^{\mathrm{in\θ}},J_{-n}\left(\mathrm{\β}\right)={(-1)}^n{J}_n\left(\mathrm{\β}\right)---\left(5\right)$

(5)式中，J_n(β)为第一类贝塞尔函数。利用(5)式可以将(4)式变化为

$E={\mathrm{CJ}}_0\left(\mathrm{\β}\right)e^{\mathrm{i\ωt}}$

$+{\mathrm{CJ}}_1\left(\mathrm{\β}\right)e^{i(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_s)t}-{\mathrm{CJ}}_1\left(\mathrm{\β}\right)e^{i(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_s)t}$

$+{\mathrm{CJ}}_2\left(\mathrm{\β}\right)e^{i(\mathrm{\ω}-2{\mathrm{\ω}}_s)t}+{\mathrm{CJ}}_2\left(\mathrm{\β}\right)e^{i(\mathrm{\ω}+2{\mathrm{\ω}}_s)t}$ (6)

$......$

$+{\mathrm{CJ}}_n\left(\mathrm{\β}\right)e^{i(\mathrm{\ω}-{\mathrm{n\ω}}_s)t}+{\mathrm{CJ}}_n\left(\mathrm{\β}\right){(-1)}^n{e}^{i(\mathrm{\ω}+{\mathrm{n\ω}}_s)t}$

其中，C＝Aexp[i(-Δφ₀+kxx)]，β＝ΔΦ_m。式(6)表示n级衍射的平面波电矢量叠加。另外上述变形过程中，已假定

k_x＝ksinα＝nk_s                                          (7)

其中，α表示衍射角。若将(7)式改写为

λ_ssinα＝nλ(n＝0，±1，±2，......)                    (8)

观察(8)式可发现该式与熟知的光栅方程的表达式非常相似，其中λ_s相当于光栅常数。从该式可以确定超声光栅常数(即超声波波长)、光波波长、不同级次衍射角三者之间的关系。

结合实际情况，只取第一级衍射作为循环对象，即只关心(6)式中第二行，尤其是第二项表达式。则光第N次通过超声光栅后第一级衍射的高频部分的电矢量可以写为-(CJ₁(β))^Nexp[i(ω+Nω_s)t]，从频率部分可以发现有Nω_s的频率增加。

由此可见，在基于超声光栅的循环移频环节中，光波经过N次循环移频后获得Nω_s的频移量，只要该频移量未使光的频率达到可调谐滤波器的选取频率，则光波会被反馈回循环移频环节中不断循环，直到频移量使光的频率达到滤波器的选取频率为止。

另外，由于第一级衍射角与光波波长和超声光栅常数存在一定的比例关系即sinα＝λ/λ_s，所以必须确定当循环移频后光波波长变化时角度的变化范围。假定超声光栅常数确定为34000nm(取声速为340m/s，超声波频率为10MHz)，那么当光波波长从一定值(例如，1550nm)上下波动20nm时角度的变化范围为0.045至0.046rad，即2.58°至2.65°角度范围。显然，当光波波长变化时，第一级衍射的角度变化不大，这对循环移频具有重要帮助，避免了光学元件的随时调节，利于光学集成。

第一光环行器37为三端口环行器，第一端口连接第二光隔离器36的输出端，第二端口连接光纤布喇格光栅38的输入端，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载吸收光纤布喇格光栅38的反射光。第二光环行器39为三端口环行器，其第一端口连接光纤布喇格光栅38的输出端口，第二端口连接可调谐滤波器310的输入端口，第三端口作为循环移频模块3的光输出口。

基于超声光栅移频的循环移频模块3中各部件的工作频率带宽不小于循环移频模块输出端口4的最高输出频率与激光器1光源的频率差。第一光隔离器2、基于超声光栅移频的循环移频模块3中各部件的工作波段与激光器1的工作波段一致。所述超声光栅32和L₁透镜33和L₂透镜34的输出功率不能超过光放大器35的最大允许输入光功率。

可调谐滤波器310为窄带滤波器，将需要滤取的窄带光反射到第二光环行器39的第三端口4输出，而将其它频率的光透射到光衰减器311的输入端，所述变频器的频率变化值等于可调谐滤波器310的窄带输出光的频率与所述激光器1的输出光的频率之差，变频器的频率调节范围不大于可调谐滤波器310的窄带输出光的频率可调范围。

优选地，可调谐滤波器310为利用衍射技术加工的布喇格光栅(如图2所示)或带缺陷层的一维光子晶体技术制作而成的可调谐滤波器(如图3所示)；一维光子晶体的光子禁带区不小于系统输出的光波的频率调谐范围，所述一维光子晶体包含一层折射率可调缺陷层，所述缺陷层的折射率的调节方式包括电致折变、磁致折变、声致折变、光致折变、力致折变或热致折变，所述一维光子晶体具有一缺陷模，所述缺陷模随所述缺陷层的折射率的变化而变化。

下面是一个实施例的各组成部分及其工作参数。激光器1选用1550nm超窄线宽半导体连续激光器，该激光器在25℃时的工作波长为1550nm，输出功率为5mW，连续工作模式，最大线宽为50kHz，输出光纤类型为SMF-28单模光纤(9/125μm)。超声光栅32的声光介质为纯净水，工作频率为10MHz，衍射级次可以达到3级，衍射效率为96％，超声频率最大可以达到30MHz，衍射头体积为4×4×2cm³。所选用的L₁透镜33和L₂透镜34为增透1550nm附近波长的缩束系统，便于将光束耦合到光纤中。所选用的可调谐滤波器310对中心波长的调谐宽度达到40nm，几乎覆盖了整个C-band(1528nm～1610nm)，插入损耗为4.0dB，该滤波器的体积为24×8.8×35cm³。所选用的光放大器35的工作带宽为40nm，覆盖了整个C-band。所选用的光耦合器31为响应1550nm波长的50/50的光学元件。所选用的第一光环行器37和第二光环行器39其响应波长在1550nm附近，带宽40nm，其中第一光环行器37是连接吸波负载的光学器件，起到光隔离效果，同时对反射回来的光利用吸波负载加以吸收，该器件既起到光隔离又起到环保作用；而第二光环行器39起到既参与光循环及光输出的功能。所选用的光纤布喇格光栅38对载波波长1550nm起到反射抑制作用。光耦合器31将激光器1光源输出的光与循环回来的光耦合后作为超声光栅32的调制信号光，在光声作用下超声光栅32改变信号光的频率，使信号光的频率发生偏移，当信号光的频率达到可调谐滤波器310的选取频率时，可调谐滤波器将该频率的光反射回第二光环行器39的第三端口4输出，否则信号光会高透射到光衰减器311的输入端，然后进入光耦合器31，再次反馈到超声光栅32中进行频率移动。此频率移动过程不断重复，最终获得任意大小的频率移动，这是本方案的关键优势之一。

为了保证激光器1光源的功率和循环回来的光的总功率不破坏光放大器的最大允许输入光功率，在可调谐滤波器310的输出端接上可调衰减器311。

若超声光栅32的输出光功率较大，则在光放大器35前必须放置可调谐衰减器，此时可以将可调衰减器311放置在光放大器35的前面，以确保光放大器的安全正常工作，图4为该实施例。

本发明相对现有变频器具有以下突出的优点：

(1)价格低廉。该方案相对于目前昂贵的光学参量振荡器法、光频梳法、激光锁模法介绍的变频技术，由于没有使用昂贵的激光光源，亦无贵重的非线性光学晶体参与，所以极大地降低了成本。

(2)紧凑、便携。所述基于超声光栅移频的变频器装置全部利用市售的普通光源、光纤组件组装而成，最终的体积估计不超过40×10×35cm³，重量不超过8kg。

(3)光路简单。在整个装置中，由于全部采用光纤连接，无一光学元件是可动光学元件，其它部分均易固定。该装置极易光集成。

(4)调谐范围或调谐宽度大。理论上，该技术方案可以实现任意频率的输出，因此，只要可调谐滤波器、透镜组、光放大器、光衰减器、光环行器、光耦合器以及传输光纤的带宽能够无穷开发，该技术方案将永远适用。即便对于目前工作带宽仅为40nm的可调谐滤波器、光放大器等光学元件，已经能获得5THz的频率调谐宽度。总之，随着可调谐滤波器、透镜组和带通放大器等一系列光学元器件的调谐宽度的增大，频率移动的范围将会成比例的增大。

(5)调谐效率高。该方案的调谐可以通过三个途径来实现：一方面固定超声光栅的工作频率，只是改变可调谐滤波器的滤波频率，进而达到频率改变的功能；另一方面，可以固定可调谐滤波器的滤波频率，而不断改变超声光栅的工作频率；第三种途径，二者同时调节。任意一种调谐的方式都可以很快获得频率的最终改变，其调节效率非常高。

(6)输出功率高。由于基于超声光栅移频的循环移频模块的最大增益达到1时，只要设置初始激光光源的输出功率，经过循环移频后最终可以获得与初始设置的激光光源完全相同的输出功率，同时还获得所期望的频率。

尽管本专利已介绍了一些具体的实例，只要不脱离本专利权利要求所规定的精神，各种更改对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (12)

1.一种基于超声光栅的可调谐光学变频器，其特征在于：其包括激光器（1）、第一光隔离器（2）、基于超声光栅移频的循环移频模块（3）；所述基于超声光栅移频的循环移频模块（3）由光耦合器（31）、超声光栅（32）、L₁透镜（33）、L₂透镜（34）、光放大器（35）、第二光隔离器（36）、第一光环行器（37）、光纤布喇格光栅（38）、第二光环行器（39）、可调谐滤波器（310）以及可调衰减器（311）组成；所述第二光环行器（39）为三端口环行器，其第一端口连接光纤布喇格光栅（38）的输出端口，第二端口连接可调谐滤波器（310）的输入端口，第三端口作为循环移频模块（3）的光输出口；所述激光器（1）输出的光经过第一光隔离器（2）后输入到所述循环移频模块（3）中进行反复移频，然后经可调谐滤波器（310）滤波和第二光环行器（39）分离，再从循环移频模块的端口（4）输出变频光。

2.按照权利要求1所述基于超声光栅的可调谐光学变频器，其特征在于：所述激光器（1）为工作波长在100nm-100000nm波段内的半导体激光器、气体激光器、固体激光器或光纤激光器。

3.按照权利要求1所述基于超声光栅的可调谐光学变频器，其特征在于：所述基于超声光栅移频的循环移频模块（3）的闭环增益系数为1，或者为1以外的其它正整数值，或者为1以外的其它正整数的倒数值。

4.按照权利要求4所述基于超声光栅的可调谐光学变频器，其特征在于：所述超声光栅（32）为透射超声光栅，用于相位调制。

5.按照权利要求4所述基于超声光栅的可调谐光学变频器，其特征在于：所述超声光栅（32）和L₁透镜（33）和L₂透镜（34）的输出功率不能超过光放大器（35）的最大允许输入光功率。

6.按照权利要求4所述基于超声光栅的可调谐光学变频器，其特征在于：所述第一光环行器（37）为三端口环行器，第一端口连接第二光隔离器（36）的输出端，第二端口连接光纤布喇格光栅（38）的输入端，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载吸收光纤布喇格光栅（38）的反射光。

7.按照权利要求4所述基于超声光栅的可调谐光学变频器，其特征在于：所述第二光环行器（39）为三端口环行器，其第一端口连接光纤布喇格光栅（38）的输出端口，第二端口连接可调谐滤波器（310）的输入端口，第三端口作为循环移频模块（3）的光输出口。

8.按照权利要求4所述基于超声光栅的可调谐光学变频器，其特征在于：所述基于超声光栅移频的循环移频模块（3）中各部件的工作频率带宽不小于循环移频模块输出端口（4）的最高输出频率与激光器（1）光源的频率差。

9.按照权利要求4所述基于超声光栅的可调谐光学变频器，其特征在于：所述第一光隔离器（2）、基于超声光栅移频的循环移频模块（3）中各部件的工作波段与激光器（1）的工作波段一致。

10.按照权利要求1所述基于超声光栅的可调谐光学变频器，其特征在于：所述可调谐滤波器（310）为窄带滤波器，将需要滤取的窄带光反射到第二光环行器（39）的第三端口（4）输出，而将其它频率的光透射到光衰减器（311）的输入端，所述变频器的频率变化值等于可调谐滤波器（310）的窄带输出光的频率与所述激光器（1）的输出光的频率之差，变频器的频率调节范围不大于可调谐滤波器（310）的窄带输出光的频率可调范围。

11.按照权利要求10所述基于超声光栅的可调谐光学变频器，其特征在于：所述可调谐滤波器（310）为带缺陷层的一维光子晶体技术或光栅衍射技术所制作成的频率可调谐滤波器。

12.按照权利要求11所述基于超声光栅的可调谐光学变频器，其特征在于：所述一维光子晶体的光子禁带区不小于系统输出的光波的频率调谐范围，所述一维光子晶体包含一层折射率可调缺陷层，所述缺陷层的折射率的调节方式包括电致折变、磁致折变、声致折变、光致折变、力致折变或热致折变，所述一维光子晶体具有一缺陷模，所述缺陷模随所述缺陷层的折射率的变化而变化。

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