CN103986051A - 窄线宽激光大范围频率快速调谐的装置 - Google Patents
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Abstract
一种窄线宽激光大范围频率快速调谐的装置，该装置包括：窄线宽光纤激光器、保偏光纤隔离器、光纤偏振分束器、第一保偏光纤环形器、电光调制器、法拉第反射镜、第二保偏光纤环形器、第一光纤偏振分束器、第一半导体激光器、可调谐带通光纤滤波器、第二半导体激光器、第二光纤偏振分束器、低噪声数字信号发生器、压控振荡器、微波放大器、第一电流驱动控制器、第一温度控制器、第二电流驱动控制器和第二温度控制器。该装置解决了现有的高阶边带注入锁定技术调频范围受限的问题，结合光纤激光器窄线宽与电光调制器高响应速度的特点，实现窄线宽激光的大范围频率快速调谐。
Description
技术领域
本发明涉及激光频率调谐，特别是一种窄线宽激光大范围频率快速调谐的装置。
背景技术
在星间相干激光通信及合成孔径雷达等领域，作为光源的激光器除了需要满足高相干性、窄线宽之外，还需要具有优秀的频率调谐性能，包括频率调谐范围、调谐速度、调谐线性度等，而半导体激光器以其体积小、效率高、使用方便等优点在上述领域得到了广泛的应用。目前常用的单频可调谐半导体激光器技术主要包括外腔半导体激光器(ECDL)及单片集成单频半导体激光器，外腔半导体激光器能实现大范围的调谐，并且其输出的激光具有良好的线宽特性，但往往对腔结构的设计及装调具有较高的要求，并且在涉及到机械式调谐时其调谐速率很难提高，而对于利用温度进行大范围调谐的单片集成单频半导体激光器同样存在调谐速率受限的问题。因此近年来外部频率调谐技术引起了人们的广泛关注，该技术既可以充分地将激光器良好的输出性能(窄线宽、高稳定等)与快速调谐性能结合起来，又可以实现对激光频率的灵活操控，是现代光频率合成技术的有效手段，所以研究如何实现大范围的快速外部频率连续调谐具有重要意义和应用价值。
目前激光外部快速频率调谐的方案主要有：
在先方案之一是利用声光调制器(AOM)及电光调制器(EOM)等可调谐移频器件实现的，通过改变器件的射频驱动信号便可得到快速调频激光。声光调制器一般用于几百兆赫兹量级的移频，受到声光调制晶体的限制，AOM只能在特定中心移频频率附近产生100MHz范围内的频率调谐，其转换效率最高可达到90％，但对于上吉赫兹的移频衍射效率会发生下降【J.Biesheuvel,D.W.E.Noom,E.J.Salumbides,K.T.Sheridan,W.Ubachs,J.C.J.Koelemeij.Widely tunablelaser frequency offset lock with30GHz range and5THz offset.Optics Express,vol.21,14008-14016,2013】；电光调制器可以产生大范围的频率调谐，目前已经实现了0.2s内120GHz的频率调谐，但是对于电光相位调制器及强度调制器而言，往往会产生高阶边带而导致信噪比下降，并且理论上其一阶边带转换效率最高只能达到34％，单边带调制器可以有效地抑制其它边带成份而只保留+1或－1阶边带，但其转换效率理论上最高也只能达到58％【D.Y.Kubo,R.Srinivasan,H.Kiuchi,Chen Ming-Tang.Development of a Mach-Zehnder Modulator Photonic LocalOscillator Source.Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on,vol,61,3005-3014,2013】【T.Kawanishi,M.Izutsu.Linear single-sidebandmodulation for high-SNR wavelength conversion.Ieee Photonics TechnologyLetters,vol,16,1534-1536,2004】。
在先方案之二是将从激光器通过注入锁定的方法锁定到经过调制后的主激光器边带上，这样不仅可以将主激光器的窄线宽、高频率稳定性等完全复制到从激光器上，有效地提高输出功率，还可以通过控制EOM驱动频率的方法对从激光器的频率进行快速灵活地控制，但目前常用的方法是将从激光器与主激光器的一阶边带进行锁定，Diao等实现了9GHz的差频输出【W.T.Diao,J.He,Z.Liu,B.D.Yang,J.M.Wang.Alternative laser system for cesium magneto-optical trap viaoptical injection locking to sideband of a9-GHz current-modulated diodelaser.Optics Express,vol,20,7480-7487,2012】，Schneider等在2013年将注入锁定技术应用到了W波段射频信号产生中，利用非线性射频放大器对低频段的射频信号放大进而产生覆盖高阶谐波信号的频率梳，以此对宽带相位调制器进行驱动产生高阶光边带信号作为注入锁定的种子源，最高可将从激光器锁定在25阶边带上，实现了与主频率0.5～110GHz的差频锁定，大大提高了常用边带注入锁定技术的锁定范围【G.J.Schneider,J.A.Murakowski,C.A.Schuetz,S.Y.Shi,D.W.Prather.Radiofrequency signal-generation system with over seven octavesof continuous tuning.Nature Photonics,vol,7,118-122,2013】。
以上方法基本上是一种对窄线宽激光进行固定频率移频的装置，更多关注的是如何产生更大范围的频移，实现更高的转换效率，很少考虑到产生移频激光的动态频率扫描特性。
发明内容
本发明的目的是提出了一种窄线宽激光大范围频率快速调谐的装置。该装置可以解决常用的激光器外部频率快速调谐中输出光功率及调频范围受限等问题，可利用小范围调谐的射频驱动信号及低带宽电光调制器实现大范围的窄线宽激光频率快速调谐。
本发明的核心思想是：利用偏振无关电光调制器对光纤激光器出射的激光进行调制产生的高阶边带信号，利用该高阶边带信号作为注入光对第一半导体激光器进行注入锁定，产生移频后带有高阶边带信号的激光并利用偏振合束器与所述的光纤激光器输出的激光进行合束成为偏振方向互相垂直的两束激光，再次进入所述的偏振无关电光调制器同时进行调制，调制后的第一半导体激光器出射的激光具有更广的边带信号，利用偏振分束器进行分束后经过可调谐带通光纤滤波器滤出其高阶边带信号注入到第二半导体激光器中进行注入锁定，产生高边模抑制比的大频差移频激光输出，结合电流预补偿技术使用较低频率的可调微波信号实现大范围调频。
本发明的技术解决方案如下：
一种窄线宽激光大范围频率快速调谐的装置，特点在于其构成包括工作波长在1550nm附近的窄线宽光纤激光器、保偏光纤隔离器、光纤偏振合束器、第一保偏光纤环形器、电光调制器、法拉第反射镜、第二保偏光纤环形器、第一光纤偏振分束器、第一半导体激光器、可调谐带通光纤滤波器、第二半导体激光器、第二光纤偏振分束器、低噪声数字信号发生器、压控振荡器、微波放大器、第一电流驱动控制器、第一温度控制器、第二电流驱动控制器和第二温度控制器，在所述的窄线宽光纤激光器的输出光方向依次是保偏光纤隔离器、光纤偏振合束器和第一保偏光纤环形器的1端口，该第一保偏光纤环形器的2端口与所述的电光调制器的输入端相连，该电光调制器的输出端方向是法拉第反射镜，所述的第一保偏光纤环形器的3端口与第二保偏光纤环形器的1端口相连，第二保偏光纤环形器的2端口与第一光纤偏振分束器的输入端相连，该第一光纤偏振分束器的第一输出端与第一半导体激光器相连，第一光纤偏振分束器的第二输出端经可调谐带通光纤滤波器与第二半导体激光器相连，所述的第二保偏光纤环形器的3端口与第二光纤偏振分束器的输入端相连，该第二光纤偏振分束器的第一输出端与所述的光纤偏振合束器的第二输入端相连，所述的低噪声数字信号发生器的第一输出端依次经压控振荡器、微波放大器与所述的电光调制器驱动信号输入端相连，所述的低噪声数字信号发生器的第二输出端与第一电流驱动控制器的控制端口相连，所述的低噪声数字信号发生器的第三输出端与第二电流驱动控制器的控制端口相连；第一电流驱动控制器、第一温度控制器分别与所述的第一半导体激光器的电流控制端、温度控制端相连，第二电流驱动控制器、第二温度控制器分别与所述的第二半导体激光器的电流控制端、温度控制端相连，第二光纤偏振分束器的第一输出端为本装置的输出端。
所述的偏振无关电光调制器由电光调制器及法拉第反射镜构成，激光经过所述的法拉第反射镜反射后偏振态旋转90°，使得入射激光以互相垂直的偏振方向两次通过所述的电光调制器。
所述的第一半导体激光器既作为注入锁定的从激光器，对窄线宽光纤激光器的边带进行锁定，又作为主激光器经过所述的偏振无关电光调制器调制后产生更高阶次边带为第二半导体激光器提供注入光。
所述的低噪声数字信号发生器分别与压控振荡器、第一电流驱动控制器及第二电流驱动控制器的控制端口相连，在改变注入边带频率的同时对从激光器进行同步预补偿。
该装置利用偏振无关电光调制器对窄线宽光纤激光器及注入锁定后的第一半导体激光器出射激光同时进行调制，并利用偏振分束器对其进行分离，分别作为第一半导体激光器的注入光、第二半导体激光器的注入光实现注入锁定，第二半导体激光器则锁定在较第一半导体激光器更高阶的边带信号上，此时调谐电光调制器的驱动射频信号的频率，并同时根据射频信号的频率改变量对第一半导体激光器的驱动电流、第二半导体激光器的驱动电流进行预补偿，便可以实现窄线宽激光的大范围快速调频。
本发明的特点和优点是：
本发明采用的偏振无关电光调制器对两路偏振方向互相垂直的线偏光同时进行调制，可有效地降低系统的成本及射频信号电路的复杂性，另外对注入锁定后存在多阶边带信号的第一半导体激光器激光进行再次调制，在对激光频率进行有效移频后又进一步扩展了其高阶边带的阶次，有利于更高阶边带的注入锁定的实现，这两者结合到一起使整个系统具有成本低廉、电路控制简单、可调频范围大等优点。
附图说明
图1是本发明窄线宽激光大范围频率快速调谐装置的总体结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，由图可见，本发明窄线宽激光大范围频率快速调谐的装置，构成包括工作波长在1550nm附近的窄线宽光纤激光器1、保偏光纤隔离器2、光纤偏振合束器3、第一保偏光纤环形器4、电光调制器5、法拉第反射镜6、第二保偏光纤环形器7、第一光纤偏振分束器8、第一半导体激光器9、可调谐带通光纤滤波器10、第二半导体激光器11、第二光纤偏振分束器12、低噪声数字信号发生器13、压控振荡器14、微波放大器15、第一电流驱动控制器16、第一温度控制器17、第二电流驱动控制器18和第二温度控制器19，在所述的窄线宽光纤激光器1的输出光方向依次是保偏光纤隔离器2、光纤偏振合束器3和第一保偏光纤环形器4的1端口，该第一保偏光纤环形器4的2端口与所述的电光调制器5的输入端相连，该电光调制器5的输出端方向是法拉第反射镜6，所述的第一保偏光纤环形器4的3端口与第二保偏光纤环形器7的1端口相连，第二保偏光纤环形器7的2端口与第一光纤偏振分束器8的输入端相连，该第一光纤偏振分束器8的第一输出端与第一半导体激光器9相连，第一光纤偏振分束器8的第二输出端经可调谐带通光纤滤波器10与第二半导体激光器11相连，所述的第二保偏光纤环形器7的3端口与第二光纤偏振分束器12的输入端相连，该第二光纤偏振分束器12的第一输出端与所述的光纤偏振合束器3的第二输入端相连，所述的低噪声数字信号发生器13的第一输出端依次经压控振荡器14、微波放大器15与所述的电光调制器5驱动信号输入端相连，所述的低噪声数字信号发生器13的第二输出端与第一电流驱动控制器16的控制端口相连，所述的低噪声数字信号发生器13的第三输出端与第二电流驱动控制器18的控制端口相连；第一电流驱动控制器16、第一温度控制器17分别与所述的第一半导体激光器9的电流控制端、温度控制端相连，第二电流驱动控制器18、第二温度控制器19分别与所述的第二半导体激光器11的电流控制端、温度控制端相连，第二光纤偏振分束器12的第一输出端为装置的输出端。
利用注入锁定技术将半导体激光器锁定在窄线宽光纤激光器经射频调制后的高阶边带信号上，对半导体激光器的线宽进行压窄，通过改变电光调制器的射频驱动信号频率来改变边带信号的频率，从而对注入锁定后半导体激光器的频率进行调谐。
本发明装置的基本原理如下：
第一、由窄线宽光纤激光器1做为主激光器，输出频率为ω0的窄线宽单频激光，在其输出光的传播方向上经过保偏光纤隔离器2后得到偏振方向与慢轴平行的稳定线偏振单频激光输出，经过光纤偏振合束器3后其偏振方向仍与慢轴平行，由第一保偏光纤环形器4进入到偏振无关电光调制器中；
第二、偏振无关电光调制器由电光调制器5及法拉第反射镜6构成，一般的电光调制器件由LiNbO3晶体构成，对于不同的偏振态激光的调制系数有很大的差别，故利用法拉第反射镜6对待调制的激光进行反射同时使其偏振态旋转90°后再次经过电光调制器进行调制，这样便可以保证电光调制器对偏振方向平行或垂直于慢轴方向的激光得到相同的调制效果；由压控振荡器14产生的频率为ωm的低噪声射频信号对电光调制器5进行驱动，射频信号的频率可以通过低噪声数字信号发生器13进行控制；
第三、由光纤激光器输出的频率为ω0的激光经过所述的偏振无关电光调制器调制后由第一保偏光纤环形器4的3端口输出，此时调制后的光在主频ω0的两边分布着一系列间隔为ωm的边带信号，并且其偏振方向旋转为与慢轴垂直的方向，接着由第二保偏光纤环形器7进入到第一光纤偏振分束器8中进行偏振分束，光纤激光器调制光被注入到第一半导体激光器9中，第一电流驱动控制器16、第一温度控制器17分别与所述的第一半导体激光器9的电流控制端、温度控制端相连，调整第一半导体激光器9的温度及电流，使其锁定在光纤激光器的－n阶边带上；
第四、第一半导体激光器9输出的激光经过第一光纤偏振分束器8后偏振态再次旋转为与慢轴垂直的方向由第二保偏光纤环形器7的3端口输出，由第二光纤偏振分束器12进行偏振分束，注入锁定后第一半导体激光器9激光在第二光纤偏振分束器12的输出端口与光纤偏振合束器3的另一个输入端口相连并与光纤激光器输出的激光进行偏振合束；
第五、合束后第一半导体激光器9输出光的偏振态与慢轴方向(即光纤激光器输出光偏振方向)垂直，接着经过第一保偏光纤环形器4后进入偏振无关电光调制器中进行调制，由于其本身便具有多阶边带信号，故调制后的光为与光纤激光器调制后的光相比，其主频相差nωm且具有更多高阶的边带；
第六、该携带有高阶边带信号的激光经过同第三步相同的路径进入到第一光纤偏振分束器8中，只是由于偏振方向与光纤激光器调制后的光互相垂直，于是被注入到可调谐带通光纤滤波器10中对其边带信号进行过滤，进而注入到第二半导体激光器11中，第二电流驱动控制器18、第二温度控制器19分别与所述的第二半导体激光器11的电流、温度控制端相连，调整第二半导体激光器11的温度及电流使其锁定在第一半导体激光器9的－m阶边带上，输出具有高边模抑制比的、与光纤激光器具有大频差范围的单频激光信号，通过第二光纤偏振分束器12偏振分束后输出；
第七、改变低噪声数字信号发生器13的输出电压，压控振荡器14的输出射频信号频率也随之改变为ωm+Δω，此时由调制产生的边带信号也会随之改变，第一半导体激光器9输出激光的主频率改变量为nΔω，第二半导体激光器11输出激光的频率改变量为(n+m)Δω，为了避免失锁，利用低噪声数字信号发生器13对第一电流驱动控制器16及第二电流驱动控制器18进行同步补偿，使半导体激光器一直处于注入锁定状态，第二半导体激光器11输出激光，便为具有大范围快速调谐能力的窄线宽激光。
本稳频装置使用的具体步骤为：
1.打开窄线宽光纤激光器1，调节激光器参数，使激光器输出功率满足输出要求，并依次连接保偏光纤隔离器2、光纤偏振合束器3的输入端，在光纤偏振合束器3的输出端进行功率及光谱的测量，确定其中心波长的位置及光功率并没有过大的损耗；
2.依次连接光纤偏振合束器3的输出端与第一保偏光纤环形器4的1端口、第一保偏光纤环形器4的2端口与电光调制器5的输入端口、电光调制器5的输出端口及法拉第反射镜6，打开低噪声数字信号发生器13及压控振荡器14，令低噪声数字信号发生器13的输出为零，使压控振荡器14工作在其最低输出射频频率处，对电光调制器5进行驱动，利用光谱仪在第一保偏光纤环形器4的3端口观察其调制后的光谱情况；
3.依次连接第一保偏光纤环形器4的3端口与第二保偏光纤环形器7的1端口、第二保偏光纤环形器7的2端口及第一光纤偏振分束器8的输入端，用功率计分别对第一光纤偏振分束器8的两输出端口进行测量，确保其偏振隔离情况，将有光输出的端口连接到第一半导体激光器9的输入端，打开第一电流驱动控制器16、第一温度控制器17，调整第一半导体激光器9的温度及电流使其锁定在光纤激光器的－n阶边带上，通过第二保偏光纤环形器7的3端口进行观察；改变低噪声数字信号发生器13的输出电压为三角波信号，使压控振荡器14输出的射频信号进行近似三角波的调谐，令低噪声数字信号发生器13输出端与第一电流驱动控制器16的外部调制端相连，调整第一电流驱动控制器16的电压调制系数，使第一半导体激光器9在整个三角波调谐过程中保持注入锁定状态；
4.将第二保偏光纤环形器7的3端口与光纤偏振合束器3的另一输入端相连，利用光谱仪在第一光纤偏振分束器8的悬空端口处观察第一半导体激光器9的调制光谱情况，将该端口与可调谐带通光纤滤波器10的输入端相连，在输出口用光谱仪观察，调整可调谐带通光纤滤波器10的带通范围，滤除第一半导体激光器9的主频率后将可调谐带通光纤滤波器10的输出端与第二半导体激光器11相连，关闭低噪声数字信号发生器13的三角波输出模式，打开第二电流驱动控制器18、第二温度控制器19，调整第二半导体激光器11的温度及电流使其锁定在光纤激光器的－m阶边带上，通过第二保偏光纤环形器7的3端口进行观察；打开低噪声数字信号发生器13的三角波信号输出模式，对压控振荡器14输出的射频信号进行近似三角波的调谐，令低噪声数字信号发生器13输出端与第二电流驱动控制器18的外部调制端相连，调整第二电流驱动控制器18的电压调制系数，使第二半导体激光器11在整个三角波调谐过程中保持注入锁定状态；这样第一半导体激光器、第二半导体激光器在整个调谐过程中均保持注入锁定状态，第二半导体激光器的输出光便为大范围频率快速调谐的窄线宽激光。
以上技术方案可以实现一种成本低廉、电路控制简单的窄线宽激光大范围频率快速调谐装置，可适用于星间相干激光通信及合成孔径雷达等领域。虽然参照上述具体实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式和实施例，对于本专业领域技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。例如双通电光调制器的形式可以替代为其他调制元件，光纤激光器的形式可以替代为其他窄线宽单频激光器，半导体激光器的工作波段可以替换为其它波段。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种窄线宽激光大范围频率快速调谐的装置，特征在于其构成包括工作波长在1550nm附近的窄线宽光纤激光器(1)、保偏光纤隔离器(2)、光纤偏振合束器(3)、第一保偏光纤环形器(4)、电光调制器(5)、法拉第反射镜(6)、第二保偏光纤环形器(7)、第一光纤偏振分束器(8)、第一半导体激光器(9)、可调谐带通光纤滤波器(10)、第二半导体激光器(11)、第二光纤偏振分束器(12)、低噪声数字信号发生器(13)、压控振荡器(14)、微波放大器(15)、第一电流驱动控制器(16)、第一温度控制器(17)、第二电流驱动控制器(18)和第二温度控制器(19)，在所述的窄线宽光纤激光器(1)的输出光方向依次是保偏光纤隔离器(2)、光纤偏振合束器(3)和第一保偏光纤环形器(4)的1端口，该第一保偏光纤环形器(4)的2端口与所述的电光调制器(5)的输入端相连，该电光调制器(5)的输出端方向是法拉第反射镜(6)，所述的第一保偏光纤环形器(4)的3端口与第二保偏光纤环形器(7)的1端口相连，第二保偏光纤环形器(7)的2端口与第一光纤偏振分束器(8)的输入端相连，该第一光纤偏振分束器(8)的第一输出端与第一半导体激光器(9)相连，第一光纤偏振分束器(8)的第二输出端经可调谐带通光纤滤波器(10)与第二半导体激光器(11)相连，所述的第二保偏光纤环形器(7)的3端口与第二光纤偏振分束器(12)的输入端相连，该第二光纤偏振分束器(12)的第一输出端与所述的光纤偏振合束器(3)的第二输入端相连，所述的低噪声数字信号发生器(13)的第一输出端依次经压控振荡器(14)、微波放大器(15)与所述的电光调制器(5)驱动信号输入端相连，所述的低噪声数字信号发生器(13)的第二输出端与第一电流驱动控制器(16)的控制端口相连，所述的低噪声数字信号发生器(13)的第三输出端与第二电流驱动控制器(18)的控制端口相连；第一电流驱动控制器(16)、第一温度控制器(17)分别与所述的第一半导体激光器(9)的电流控制端、温度控制端相连，第二电流驱动控制器(18)、第二温度控制器(19)分别与所述的第二半导体激光器(11)的电流控制端、温度控制端相连，第二光纤偏振分束器(12)的第一输出端为装置的输出端。
2.根据权利要求1所述的窄线宽激光大范围频率快速调谐的装置，其特征在于所述的偏振无关电光调制器由电光调制器(5)及法拉第反射镜(6)构成，激光经过所述的法拉第反射镜(6)反射后偏振态旋转90°，使得入射激光以互相垂直的偏振方向两次通过所述的电光调制器(5)。
3.根据权利要求1所述的窄线宽激光大范围频率快速调谐的装置，其特征在于所述的第一半导体激光器(9)既作为注入锁定的从激光器，对窄线宽光纤激光器(1)的边带进行锁定，又作为主激光器经过所述的偏振无关电光调制器调制后产生更高阶次边带为第二半导体激光器(11)提供注入光。
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