CN104184037B - 全保偏主动跟踪型光纤光梳光源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全保偏主动跟踪型光纤光梳光源，主要解决了现有方法对温度、振动敏感的问题；该光纤光梳光源引入了精调和粗调锁频方法，实现了光频梳的频率锁定由被动转为主动方式，大大增强了抗干扰能力，同时实现了主动跟踪频率可调的功能。

Description

全保偏主动跟踪型光纤光梳光源

技术领域

本发明涉及一种全保偏主动跟踪型光纤光梳光源，属于激光技术领域。

背景技术

对飞秒激光器进行频率锁定和载波相位锁定之后，其可产生间隔、幅度、功率都非常稳定的时域超短脉冲信号，该脉冲序列具有丰富的傅里叶变换频谱，可实现微波频率与光学频率的直接连接。用一台锁模飞秒脉冲激光器就可实现了从近红外到可见光区域的所有光学频率的直接绝对测量，这一成果被公认为光频测量领域具有革命性意义的突破。基于锁模飞秒脉冲激光技术的梳状光学频率发生器被认为是实现光学频率与微波频率传递的光齿轮，利用飞秒光频梳技术的光时钟，不但拥有丰富的频率，而且还具有可与原子钟媲美的频率稳定度，其不但在测量和计量中有十分广泛的应用，还在医药检测、光谱分析、显微成像、测距、传感、航天器对接，外太空卫星通信、地面大尺寸高精密光学机械加工、深空探测以及医学诊断等方面显示出越来越多的优势。

近年，光纤光梳由于其体积小、工作稳定、抗干扰强、成本低廉、操作相对简单、无需专业维护、容易大规模生产等特点得到广泛的关注。随着科研和工程应用的不断拓展，其工作的环境越来越复杂，已经开放的光纤光梳光源，存在以下缺陷：(1)锁模方式主要是非线性偏振旋转锁模(NPR)，其对温度和振荡敏感；(2)一般来说重复频率是固定，不能调节，同时锁频时需要外部时钟人为调节跟踪；(3)超连续产生为非偏振保持的，因此在获得fceo信号时需要，需要把倍频信号和基频信号分开，分别调节其偏振态和空间时延，造成产生的fceo信号对振动和温度非常敏感。

发明内容

本发明提供一种全保偏主动跟踪型光纤光梳光源，主要解决了现有方法对温度、振动敏感的问题；该光纤光梳光源引入了精调和粗调锁频方法，实现了光频梳的频率锁定由被动转为主动方式，大大增强了抗干扰能力，同时实现了主动跟踪频率可调的功能。

本发明的具体技术解决方案如下：

该全保偏主动跟踪型光纤光梳光源包括用于使激光器输出脉冲的重复频率与参考频率精确锁定，且获得较高的频率稳定度的精调锁频反馈回路、用于使光纤光梳光源长期处于稳定的锁频范围的粗调锁频反馈回路、以及用于增加锁相的捕获能力和控制能力的稳相反馈回路；当稳频信号发生突变时，粗调锁频反馈回路将突变的稳频信号补差至精调控制的范围，进入精调锁频反馈回路进行精调，再经稳相反馈回路增加锁相的捕获能力和控制能力后输出；当稳频信号未发生突变或突变范围未超出精调控制的范围时，直接进入精调锁频反馈回路进行精调。

上述精调锁频反馈回路包括依次串联的光纤振荡器、隔离器、光放大器、光电探测器、带通滤波器、混频器、低通滤波器、PID伺服控制器和压电陶瓷驱动，压电陶瓷驱动再与光纤振荡器串联形成回路。

上述粗调锁频反馈回路包括依次串联的光纤振荡器、隔离器、光放大器、光电探测器、带通滤波器、混频器、低通滤波器、模数转换器、基于FPGA和DSP的程序电路、光延迟线驱动电路，光延迟线驱动电路再与光纤振荡器串联形成回路。

上述光纤振荡器、隔离器、光放大器、脉冲压缩、超连续谱产生、色散补偿、f-2f频率转换系统、低噪光电探测器、相位探测器、拓频电路、PID伺服控制器、激光器电流源，激光器电流源再与光纤振荡器串联形成回路。

上述光纤振荡器是以光纤光栅、半导体饱和吸收体作为反射镜面形成谐振，半导体饱和吸收体作为被动锁模起振元件，掺杂光纤作为增益介质，插入相移器和高精度电控光延迟作为频率精调和粗调控制器件。

上述光纤光栅是用于反射及腔内色散补偿的啁啾光纤光栅，或仅用于反射的非啁啾光纤光栅，或反射时不改变入射偏振态的保偏反射镜或保偏反射装置。

上述光纤光栅的腔内有掺杂光纤作为增益介质，掺杂增益光纤是掺Er，Nd，Yb，Bi，Er/Yb，Tm/Ho或者Yb/Tm离子。

本发明的优点如下：

本发明以全保偏方案实现了光纤光梳光源，从振荡器、放大器、压缩器、超连续谱产生、fceo信号探测均为保偏系统；为了防止外界振动、大温度变化对锁频造成影响，锁频采用主动跟踪的办法，实时监测系统频率变化，通过粗调和精调电路相结合的办法，即保证了锁定时频率精度，又抑制了外界环境对锁频的影响；在锁定fceo信号时，反馈电路带宽限制导致锁定相位时困难且时间较短，我们通过设计微波电路，拓宽反馈电子线路的带宽，增强其控制和捕获fceo信号的能力，实现操作简单的功能。

附图说明

图1为保偏光纤光梳光源系统示意图；

图2a为保偏线性腔(腔内带光纤光栅)；

图2b为保偏线性腔(腔内带光纤光栅及反射镜)；

图2c环形腔；

图2dσ型腔；

图3铒光纤激光器产生的超连续谱；

图4单臂f-2f系统方案示意图；

图5fceo信号的探测数据。

具体实施方式

本发明主要目的是提供一个能在工业、科研等不同环境使用的超稳定光纤光梳方案，传统的光纤光梳光源已经在美国专利“Prequency combs source with large combspacing”(International pulication number:WO2012/074623A1,PCT/US2011/057567)“Pulse dlaser sources Patentnumber:US8599473B2),

“Compact optical frequency comb systems”(International pulicationnumber:WO2012/166572A1,PCT/US2012/039509)详细介绍，在此不再赘述，而重复频率可调的方案已经在文章“Fiber-laser-based frequency comb with a tunable repetitionrate”(Optics express,vol.12.pp:4999,2004)体现，在此也不详细介绍。

全保偏光纤光梳光源示意图见图1，本系统形成了三个光电反馈回路，第一个反馈回路是精调锁频反馈回路，其线路：光纤振荡器->隔离器->光放大器->光电探测器->带通滤波器->混频器->低通滤波器->PID伺服控制器->压电陶瓷驱动->光纤振荡器，这个反馈环目的就是使激光器输出脉冲的重复频率与参考频率精确锁定，获得较高的频率稳定度；

第二个反馈回路是粗调锁频反馈回路，其线路：光纤振荡器->隔离器->光放大器->光电探测器->带通滤波器->混频器->低通滤波器->模数转换器->基于FPGA和DSP的程序电路->光延迟线驱动电路->光纤振荡器，本电路主要功能是当外界干扰时(如振动、温度等)引起腔长的变化超过精调电路控制范围导致频率锁定失败时，稳频信号就会有个突变，这个变化量与腔长变化有一定关系，我们对这个信号进行数字化，再通过快速傅里叶变换，把这个信号变成频域信号，基于FPGA和DSP的程序进行计算，找出当前腔长与标定腔长的差别，通过光延迟线控制电路补偿回来，使激光器腔长回到精调控制的范围，达到光纤光梳光源长期稳定的锁频范围；

第三个光电反馈回路是稳相反馈回路，其沿着光纤振荡器->隔离器->光放大器->脉冲压缩->色散补偿->f-2f频率转换系统->低噪光电探测器->相位探测器->拓频电路->PID伺服控制器->激光器电流源->光纤振荡器，本反馈回路光路是全保偏的，特别是f-2f频率转换系统，采用了单臂保偏方案，大大增加了系统的稳定性和fceo信号的抗干扰能力，具体系统将在后面详细介绍，而在电路处理过程中使用电子拓频方案，增加了锁相的捕获能力和控制能力。

本系统以保偏光纤为主线，下面逐步介绍各个部分实现的方案。

图2a是一种线性腔的保偏激光器(即光纤振荡器)，其主要由光纤光栅和半导体饱和吸收体作为反射镜面形成谐振，半导体饱和吸收体作为被动锁模起振元件，在腔内有掺杂光纤作为增益介质，插入相移器和高精度电控光延迟作为频率精调和粗调控制器件，此处需要申明的是：

(1)光纤光栅可以是啁啾光纤光栅，此时该器件不但有反射镜的作用，还有腔内色散补偿的作用，根据需要可以实现孤子锁模、展宽锁模或者孤子展宽锁模，光纤光栅也可以是非啁啾的，只作为反射镜使用，也可以不使用光纤光栅，使用一个保偏反射镜或保偏反射装置，其反射时不改变入射时的偏振态即可，这个方案图2b；

(2)掺杂增益光纤可以是掺Er，也可以是Nd，Yb，Bi，Er/Yb，Tm/Ho或者Yb/Tm离子；

(3)起振元件可以是半导体饱和吸收体，可以是碳纳米管，可以是强度调整器也可以是泵浦源加电微扰；

(4)腔型除了线性腔，也可以是环形腔(见图2(c))，σ型(见图2(d))，“8”字型腔；

(5)腔内的色散补偿可以采用补偿光纤，也可以选择色散相反的增益光纤和啁啾镜；

(6)腔内所有器件均为保偏器件。

从激光器出来的脉冲信号经保偏放大器放大压缩后，进入保偏的超连续谱产生器件产生超连续谱，使其产生至少一个倍频程见图3是掺铒光脉冲产生的超连续谱，产生超连续谱的器件可以是保偏的高非线性光纤、超高非线性系数的保偏波导(例如硫化物玻璃)、也可以是纳米线等。

超连续谱产生后，f的光信号和2f的光信号有相对时延，为了补偿时延采用非增益保偏光纤的方法，比相干仪的方法简单、稳定，而倍频信号和fceo信号的产生采用了单臂的方法，见图4；有保偏光纤输入，聚焦透镜系统使f信号聚焦到倍频晶体，然后再使用聚焦透镜系统把倍频的2f和原有的2f信号耦合到光纤中。输入到低噪探测器上探测fceo信号见图5，在晶体和后端聚焦透镜系通之间插入窄带滤波器，以提高fceo信号的信噪比。此处需要强调的是：

(1)前端聚焦系统可能包括准直透镜、聚焦透镜等，这些器件是对f和2f增透，而后端聚焦系统也包括准直透镜、聚焦透镜等，这些器件只对2f增透；

(2)倍频晶体可以是ppln，KTP，KDP等倍频晶体；(3)这个倍频系统可以是波导结构，对保证系统的稳定更好，也有可能是一段特殊高非线性光纤。

精调电路不再叙述，在专利“Compact optical frequency comb systems”(International pulication number:WO2012/166572A1,PCT/US2012/039509)已经有很详细介绍，粗调反馈电路中主要是判读程序和控制电路，在进行信号处理过程中，采用快速傅里叶变换、误差校准和实时采样等方法，保证了粗调完全自动、实时处理，同时我们可以通过改变参考信号的频率来大范围自动调节光梳的重复频率锁定，实现了频率的主动跟踪，这一点利于多系统间的协作。

稳相电路中主要是光电反馈环的电子带宽拓展问题，我们采用了fceo信号与高频信号混频再减频的办法，是反馈电子带宽相对拓展，同时达到噪声的相对抑制。

该方案能确保光纤光梳光源有很强的抗干扰能力(温度、振动、压力等)，在受到外界干扰时，能自动根据外界情况修改自身参数，保证系统稳定的锁定和输出。该激光器系统操作简单，工作稳定，适合在工业、科研等领域广泛应用。

Claims (10)

1.一种全保偏主动跟踪型光纤光梳光源，其特征在于：包括用于使激光器输出脉冲的重复频率与参考频率精确锁定，且获得较高的频率稳定度的精调锁频反馈回路、用于使光纤光梳光源长期处于稳定的锁频范围的粗调锁频反馈回路、以及用于增加锁相的捕获能力和控制能力的稳相反馈回路；当稳频信号发生突变时，粗调锁频反馈回路将突变的稳频信号补差至精调控制的范围，进入精调锁频反馈回路进行精调，再经稳相反馈回路增加锁相的捕获能力和控制能力后输出；当稳频信号未发生突变或突变范围未超出精调控制的范围时，直接进入精调锁频反馈回路进行精调。

2.根据权利要求1所述的全保偏主动跟踪型光纤光梳光源，其特征在于：所述精调锁频反馈回路是依次由光纤振荡器、隔离器、光电探测器、带通滤波器、混频器、低通滤波器、PID伺服控制器和压电陶瓷驱动、光纤振荡器形成的反馈环。

3.根据权利要求2所述的全保偏主动跟踪型光纤光梳光源，其特征在于：所述隔离器和光电探测器之间还设置有光放大器。

4.根据权利要求1所述的全保偏主动跟踪型光纤光梳光源，其特征在于：所述粗调锁频反馈回路是依次由光纤振荡器、隔离器、光放大器、光电探测器、带通滤波器、混频器、低通滤波器、模数转换器、基于FPGA和DSP的程序电路、光延迟线驱动电路、光纤振荡器形成的反馈环。

5.根据权利要求4所述的全保偏主动跟踪型光纤光梳光源，其特征在于：所述隔离器和光电探测器之间还设置有光放大器。

6.根据权利要求1所述的全保偏主动跟踪型光纤光梳光源，其特征在于：所述稳相反馈回路是依次由光纤振荡器、隔离器、色散补偿、f-2f频率转换系统、低噪光电探测器、相位探测器、拓频电路、PID伺服控制器、激光器电流源、光纤振荡器形成的反馈环。

7.根据权利要求6所述的全保偏主动跟踪型光纤光梳光源，其特征在于：所述隔离器和色散补偿之间还需进行光放大器、脉冲压缩、超连续谱产生的处理；用于产生超连续谱的器件是保偏的高非线性光纤、超高非线性系数的保偏波导或纳米线。

8.根据权利要求2至7任一所述的全保偏主动跟踪型光纤光梳光源，其特征在于：所述光纤振荡器是以光纤光栅、半导体饱和吸收体作为反射镜面形成谐振，半导体饱和吸收体作为被动锁模起振元件，掺杂光纤作为增益介质，插入相移器和高精度电控光延迟作为频率精调和粗调控制器件；

或所述光纤振荡器是以反射时不改变入射偏振态的保偏反射镜或保偏反射装置、半导体饱和吸收体作为反射镜面形成谐振，半导体饱和吸收体作为被动锁模起振元件，掺杂光纤作为增益介质，插入相移器和高精度电控光延迟作为频率精调和粗调控制器件。

9.根据权利要求8所述的全保偏主动跟踪型光纤光梳光源，其特征在于：所述光纤光栅是用于反射及腔内色散补偿的啁啾光纤光栅，或仅用于反射的非啁啾光纤光栅。

10.根据权利要求9所述的全保偏主动跟踪型光纤光梳光源，其特征在于：所述光纤光栅的腔内有掺杂光纤作为增益介质，掺杂增益光纤是掺Er，Nd，Yb，Bi，Er/Yb，Tm/Ho或者Yb/Tm离子；所述光纤振荡器的腔型是线性腔、环形腔、σ型或8字型腔。