CN104821486A - 高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置 - Google Patents

Abstract

一种高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置，该装置包括：参考晶振、鉴频/鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、可编程分频器、倍频器、高速开关、微波放大器、第二低通滤波器、模数转换器、控制器、数模转换器、窄线宽光纤激光器、电光调制器、可调谐衰减器、可调谐光学滤波器、环形器、半导体激光器、电流驱动控制器、温度控制器等。该装置解决了现有的高阶边带注入锁定技术中的低噪声射频信号的产生问题，并解决了对从激光器的同步电流补偿问题，解决了从激光器高阶边带注入锁定问题，可以实现窄线宽激光器输出频率的精密控制、线性调谐等功能。

Description

高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置

技术领域

本发明涉及激光频率调谐，特别是一种高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置。

背景技术

快速线性调频的单模激光光源在高分辨率光谱仪、电子测量、激光雷达、光频域反射计(OFDR)、三维成像、相干光谱分析等领域有广泛的应用，其调频线性度、调频范围、线宽等是光源性能的重要指标。

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，还可以通过控制加载到EOM上的射频信号频率的方法对从激光器的频率进行快速灵活地控制。

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，但这样可调频范围仍然受限，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 trapvia optical injection locking to sideband of a 9-GHz current-modulated diodelaser.Optics Express,vol,20,7480-7487,2012】。

如果能够将从激光器锁定在主激光器的n(n>1)阶边带上，便可以使从激光器的调谐范围扩大n倍，从而实现半导体激光器的高性能输出及频率的大范围调谐。Schneiderdeng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 systemwith over seven octaves of continuous tuning.Nature Photonics,vol,7,118-122,2013】。

但是，以上方法是只是一种对窄线宽激光进行固定频率移频的装置，更需解决的是如何产生大范围可连续线性调谐的窄线宽激光的问题。在高阶边带注入锁定的基础上，要实现快速频率调谐，则需要加载到EOM上的射频信号能够快速线性调谐，且需要对从激光器进行同步电流或温度补偿。鉴于温度补偿速度较慢，限制了激光器的调谐速率，故采用电流补偿的方法较好。因此，需要一种射频信号源，既能够产生大范围快速线性调谐的射频信号，又能够产生同步补偿信号对从激光器进行电流补偿，且噪声很低，以保证从激光器的输出线宽很窄。

发明内容

本发明的目的是提出了一种高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置。该装置要解决的问题是通过为基于高阶边带注入锁定技术的可调谐激光器提供高精度频率控制、大范围、线性可调谐的低噪声射频信号，同时为从激光器提供同步补偿电压，补偿从激光器的驱动电流，以实现从激光器锁定在注入激光的高阶边带，实现从激光器的快速、大范围、线性可调谐激光输出，解决可调谐激光器输出功率及调谐范围受限的问题。

本发明的核心思想是：利用压控振荡器、鉴频鉴相器、环路滤波器、可编程分频器、参考晶振等构成锁相环回路，通过控制器控制可编程分频器，可以产生高精度频率控制、高线性度、可调谐的低噪声射频信号源，再通过倍频器扩大射频信号的频率范围。通过高速开关可以在输出射频基频与倍频后的信号之间切换，进一步提高了输出射频信号的范围。将加载到压控振荡器上的电压经过模数转换器转换为数字信号后，经过控制器进行数字化处理后，再经过数模转换器加载到从激光器上，进行同步电流补偿，在保证补偿的同步性的同时，能够满足电流补偿对补偿电压幅值的要求。窄线宽光纤激光器经过电光调制器后的输出光信号，经过可调谐衰减器和可调谐光学滤波器之后，滤除注入锁定前的无关边带，调节注入到从激光器的光功率，易于实现高阶边带注入锁定。

本发明的技术解决方案如下：

一种高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置，特征在于其构成包括参考晶振、鉴频鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、可编程分频器、控制器、倍频器、高速开关、微波放大器、模数转换器、数模转换器、第二低通滤波器、窄线宽光纤激光器、电光调制器、可调谐衰减器、可调谐光学滤波器、环形器、半导体激光器、电流驱动控制器、温度控制器等，其特征是在所述的参考晶振的输出端口与所述的鉴频鉴相器的第一输入端口相连，该鉴频鉴相器的输出端口与所述的环路滤波器的输入端口相连，该环路滤波器的第一输出端口与所述的压控振荡器的输入端口相连，该环路滤波器的第二输出端口与所述的第二低通滤波器的输入端口相连，第二低通滤波器的输出端口与模数转换器的输入端口相连，所述的压控振荡器的第一输出端口与高速开关的第一输入端口相连，该压控振荡器的第二输出端口与倍频器的输入端口相连，该压控振荡器的第三输出端口与可编程分频器的第一输入端口相连，可编程分频器的输出端口与鉴频鉴相器的第二输入端口相连，所述倍频器的输出端口与高速开关的第二输入端口相连，所述的高速开关的输出端口与微波放大器的输入端口相连，微波放大器的输出端口微波放大器9的输出端口与电光调制器的第二输入端口相连，模数转换器的输出端口与控制器的输入端口相连，所述的控制器的第一输出端口与可编程分频器的第二输入端口相连，该控制器的第二输出端口与数模转换器的输入端口相连，数模转换器的输出端口与电流驱动控制器的输入端口相连，该控制器的第三输出端口与高速开关的第三输入端口相连，窄线宽光纤激光器的输出端口与电光调制器的第一输入端口相连，电光调制器的输出端口与可调谐衰减器的输入端口相连，可调谐衰减器的输出端口与可调谐光学滤波器的输入端口相连，可调谐光学滤波器的输出端口于环形器的1端口相连，环形器的2端口与半导体激光器相连，环形器的3端口为该装置的激光输出端口，电流驱动控制器、温度控制器的输出端口分别与半导体激光器的电流驱动控制、温度控制端口相连。

由参考晶振、鉴频鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、可编程分频器构成的锁相环电路。通过控制器使可编程分频器线性变化，可以实现输出射频信号高精度、高线性度变化。

锁相环电路输出的射频信号经过倍频器进行扩频，提高输出射频信号的范围，且可以通过控制器控制高速开关选择使输出射频信号在基频信号与倍频后的信号之前快速切换，提高输出射频信号范围。

环路滤波器的输出电压经过第二低通滤波器、模数转换器、控制器、数模转换器进行处理，可以按照需求对输出补偿电压进行数字比处理，既能够保证该装置射频信号输出端口与同步补偿电压输出端口的同步性，又能够满足从激光器补偿电流对外部补偿电压的幅值要求。

电光调制器输出的调制光信号经过可调谐衰减器、可调谐光学滤波器，滤除无关边带，且实现注入到半导体激光器的光功率可调谐，易于实现半导体激光器的高阶边带注入锁定。

所述的压控振荡器为高带宽、低噪声电压频率转换器，其输出频率范围为f_l～f_h，电压-频率响应曲线近似为线性关系。

所述的参考晶振、鉴频鉴相器、环路滤波器、可编程分频器等是可以集成在一起的频率合成器的开发板，与外接压控振荡器一起构成锁相环电路，产生射频信号，锁相环的输出频率为f_l～f_h。

所述的倍频器是高带宽的射频信号倍频器，其输入频率范围应包括压控振荡器的输出频率范围f_l～f_h，倍频系数为n，则倍频后的输出频率为n×(f_l～f_h)。

所述的高速开关的高输入频率带宽、高隔离度的开关，在控制器的控制下可以在基频或倍频后的信号之间快速切换，进一步提高输出射频信号的频率范围。使满足关系f_h＞(n×f_l)，则高速开关之后的输出频率范围为f_l～(n×f_h)。

所述的微波放大器是高带宽的射频信号放大器，其输入频率范围应包括高速开关输出的射频信号的频率范围。

所述的控制器是具有实时处理能力的现场可编程门阵列(FPGA)或数字信号处理器(DSP)或具有上位机控制软件的电脑(PC)。通过控制器，既可以控制可编程分频器，实现高精度的、可线性调谐的射频信号，又能够对模数转换器采集到的电压信号进行数字化处理，最后通过数模转换器转换为模拟电压信号输出。

所述的模数转换器和数模转换器是高速芯片，以满足快速调谐时的信号处理能力。

所述的第二低通滤波器用来滤除加载到压控振荡器上的一些高频扰动信号，降低同步补偿电压的输出噪声。

所述的可调谐衰减器用于调节电光调制器的输出光功率。

所述的可调谐光学滤波器用来滤除窄线宽光纤激光器调制之后的一些无关边带，只保留特定边带，易于实现高阶边带的注入锁定。

本发明的优点在于：

1、采用压控振荡器及锁相环技术，可以产生高精度、高线性度可调谐的射频信号。相对于信号发生器或将数模转换器输出的模拟信号加载在压控振荡器上来产生射频信号等方法，锁相环技术产生的射频信号噪声低、精度高、稳定性好。

2、采用倍频器和高速开关，大大提高了射频信号的输出频率范围。

3、直接将加载在压控振荡器上的电压信号进行滤波、数字化处理之后，作为同步补偿电压输出，既能够保证该装置射频信号输出端口与同步补偿电压输出端口的同步性，又能够满足从激光器补偿电流对外部补偿电压的幅值要求。

4、窄线宽光纤激光器经过电光调制器之后经过可调谐衰减器和可调谐光学滤波器之后，可以滤除无关边带，只保留特定边带，且功率可调节，易于实现高阶边带的注入锁定。

5、该发明装置具有成本低廉、易于实现、输出射频信号范围大、补偿电压同步性高等优势。

附图说明

图1为本发明高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置结构框图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

首先请参照图1，图1为本发明高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置整体结构框图。由图1可见，本发明高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置其构成包括参考晶振1、鉴频鉴相器2、环路滤波器3、压控振荡器4、可编程分频器5、控制器6、倍频器7、高速开关8、微波放大器9、模数转换器10、数模转换器11、第二低通滤波器12、窄线宽光纤激光器13、电光调制器14、可调谐衰减器15、可调谐光学滤波器16、环形器17、半导体激光器18、电流驱动控制器19、温度控制器20等，其特征是在所述的参考晶振1的输出端口与所述的鉴频鉴相器2的第一输入端口相连，该鉴频鉴相器2的输出端口与所述的环路滤波器3的输入端口相连，该环路滤波器3的第一输出端口与所述的压控振荡器4的输入端口相连，该环路滤波器3的第二输出端口与所述的第二低通滤波器12的输入端口相连，第二低通滤波器12的输出端口与模数转换器10的输入端口相连，所述的压控振荡器4的第一输出端口与高速开关8的第一输入端口相连，该压控振荡器4的第二输出端口与倍频器7的输入端口相连，该压控振荡器4的第三输出端口与可编程分频器5的第一输入端口相连，可编程分频器5的输出端口与鉴频鉴相器2的第二输入端口相连，所述倍频器7的输出端口与高速开关8的第二输入端口相连，所述的高速开关8的输出端口与微波放大器9的输入端口相连，微波放大器9的输出端口与电光调制器14的第二输入端口相连，模数转换器10的输出端口与控制器6的输入端口相连，所述的控制器6的第一输出端口与可编程分频器5的第二输入端口相连，该控制器6的第二输出端口与数模转换器11的输入端口相连，数模转换器11的输出端口与电流驱动控制器19的输入端口相连，该控制器6的第三输出端口与高速开关8的第三输入端口相连，窄线宽光纤激光器13的输出端口与电光调制器14的第一输入端口相连，电光调制器的输出端口与可调谐衰减器15的输入端口相连，可调谐衰减器15的输出端口与可调谐光学滤波器16的输入端口相连，可调谐光学滤波器16的输出端口于环形器17的1端口相连，环形器17的2端口与半导体激光器18相连，环形器17的3端口为该装置的激光输出端口，电流驱动控制器19、温度控制器20的输出端口分别与半导体激光器的电流驱动控制、温度控制端口相连。

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某高阶边带信号上，半导体激光器的线宽得以压窄，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，可以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、参考晶振1的频率为f_ref，压控振荡器4的输出频率为f₀，f₀经过数字可编程分频器5N.F分频之后的频率为f₁。鉴频鉴相器2用于比较检测f_ref和f₁的相位差，并实现频率-电压的准换；环路滤波器3作用是滤除鉴相器中的高频分量和其他干扰分量，保证锁相环的性能，增加环路稳定性；压控振荡器4的作用就是实现电压-频率转换。通过控制器6线性改变数字可编程分频器5的分频系数N.F，则可实现该频率合成器的输出频率f₀＝N.F·f_ref的线性调谐。

第二、压控振荡器4的输出射频信号分为三路，一路作为锁相环中的反馈信号输入到可编程分频器5的第一输入端口，一路输出到高速开关8的第一输入端口，另一路经过倍频器7输入到高速开关8的第二输入端口，如果压控振荡器4的输出射频信号频率范围为f_l～f_h，则经过倍频器n倍频之后的射频信号频率范围为n×(f_l～f_h)，使满足关系f_h＞(n×f_l)，先通过控制器6控制高速开关8，输出基频信号，当输出频率达到时n×f_l时，通过控制器6快速切换开关使倍频后的信号输出，最终实现的输出频率范围为f_l～(n×f_h)，大大提高了射频信号的输出范围。

第三、窄线宽光纤激光器13为主激光器，输出频率为ω₀的窄线宽单频激光，使其输出光进入到电光调制器14中；

第四、高速开关8输出的射频信号Δω经过微波放大器9放大之后，加载在电光调制器14上，使窄线宽单频激光得到电光调制，产生光频为ω₀+nΔω的各阶边带。

第五、调节可调谐衰减器15、可调谐光学滤波器16，滤除其它边带，只保留特定的m阶边带，并调整注入到半导体激光器18中的光功率，这样可以方便使半导体从激光器18锁定在第m阶边带，提高输出激光的边摸抑制比；

第六、为了避免失锁，需同时对从激光器的工作电流进行同步补偿，此发明中将加载到电光调制器14上的电压经过第二低通滤波器12滤除高频噪声后，再经过模数转换器10转换为数字信号，然后经过控制器6进行数字化处理，最后经过数模转换器11转换为模拟电压后加载到半导体从激光器18的电流驱动控制器19上，进行电流补偿。在保证补偿的同步性的同时，能够满足电流补偿对补偿电压幅值的要求。

第七、实现了半导体激光器18注入锁定在窄线宽光纤激光器13的第m阶边带，输出光频为ω₀+nΔω，通过控制此发明中射频信号源输出信号频率Δω高精度频率控制、大范围线性调谐，即可实现高精度频率控制、窄线宽、大范围线性可调谐的激光输出。

本发明装置使用的具体步骤为：

1.打开窄线宽光纤激光器13，调节激光器参数，使激光器输出功率满足输出要求；

2.测得在不同射频信号加载到电光调制器上时，从激光器需要的同步补偿电压，得出射频信号与同步补偿电压之间的频率-幅值对应关系；

3.在控制器中编写程序，将可编程分频器5的分频系数N.F按照设定的扫频周期线性变化，实现压控振荡器4输出频率线性调谐；

4.根据之前测得的射频信号与同步补偿电压之间的频率-幅值对应关系，在控制器6中编写程序，将模数转换器10输出的数字信号转换为期望得到的值，再编程经过数模转换器11转换模拟电压输出；

5.在控制器6中编程，控制高速开关8，按照扫频的周期进行反复快速切换，先输出基频信号，当输出频率达到时n×f_l时，通过控制器6快速切换开关使倍频后的信号输出，最终实现的输出频率范围为f_l～(n×f_h)；

5.将微波放大器9的输出端加载到电光调制器14上，将数模转换器11输出端加载到从激光器的电流驱动控制器19上；

6.调节可调谐衰减器15、可调谐光学滤波器16，实现高精度频率控制、大范围、线性可调谐的激光输出。

以上技术方案可以实现一种高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置。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，倍频器和高速开关的数目可以有多个，也可将锁相环替换为高精度数模转换器驱动压控振荡器，进而通过改变数模转换器的输出电压，实现激光器的输出频率按照输出电压的变化规律进行扫频，可以使激光输出实现非线性频率调谐等。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 (4)

1.一种高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置，特征在于其构成包括参考晶振(1)、鉴频鉴相器(2)、环路滤波器(3)、压控振荡器(4)、可编程分频器(5)、控制器(6)、倍频器(7)、高速开关(8)、微波放大器(9)、模数转换器(10)、数模转换器(11)、第二低通滤波器(12)、窄线宽光纤激光器(13)、电光调制器(14)、可调谐衰减器(15)、可调谐光学滤波器(16)、环形器(17)、半导体激光器(18)、电流驱动控制器(19)和温度控制器(20)；

上述各元件的连接关系如下：

所述的参考晶振(1)的输出端口与所述的鉴频鉴相器(2)的第一输入端口相连，该鉴频鉴相器(2)的输出端口与所述的环路滤波器(3)的输入端口相连，该环路滤波器(3)的第一输出端口与所述的压控振荡器(4)的输入端口相连，该环路滤波器(3)的第二输出端口与所述的第二低通滤波器(12)的输入端口相连，第二低通滤波器(12)的输出端口与模数转换器(10)的输入端口相连，所述的压控振荡器(4)的第一输出端口与高速开关(8)的第一输入端口相连，该压控振荡器(4)的第二输出端口与倍频器(7)的输入端口相连，该压控振荡器(4)的第三输出端口与可编程分频器(5)的第一输入端口相连，该可编程分频器(5)的输出端口与鉴频鉴相器(2)的第二输入端口相连，所述的倍频器(7)的输出端口与高速开关(8)的第二输入端口相连，所述的高速开关(8)的输出端口与微波放大器(9)的输入端口相连，微波放大器(9)的输出端口与电光调制器(14)的第二输入端口相连，所述的模数转换器(10)的输出端口与控制器(6)的输入端口相连，所述的控制器(6)的第一输出端口与可编程分频器(5)的第二输入端口相连，该控制器(6)的第二输出端口与数模转换器(11)的输入端口相连，数模转换器(11)的输出端口与电流驱动控制器(19)的输入端口相连，所述控制器(6)的第三输出端口与高速开关(8)的第三输入端口相连，窄线宽光纤激光器(13)的输出端口与电光调制器(14)的第一输入端口相连，该电光调制器的输出端口与可调谐衰减器(15)的输入端口相连，可调谐衰减器(15)的输出端口与可调谐光学滤波器(16)的输入端口相连，可调谐光学滤波器(16)的输出端口与环形器(17)的1端口相连，环形器(17)的2端口与半导体激光器(18)相连，环形器(17)的3端口为该装置的激光输出端口，电流驱动控制器(19)的输出端口与所述的半导体激光器(18)的电流驱动控制端口相连，所述的温度控制器(20)的输出端口与半导体激光器(18)的温度控制端口相连。

2.根据权利要求1所述的高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置，其特征在于，所述的参考晶振(1)、鉴频鉴相器(2)、环路滤波器(3)、压控振荡器(4)、可编程分频器(5)构成的锁相环电路。

3.根据权利要求1所述的高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置，其特征在于，锁相环电路输出的射频信号经过倍频器(7)进行扩频，提高输出射频信号的范围，且通过控制器(6)控制高速开关(8)选择使输出射频信号在基频信号与倍频后的信号之前快速切换，提高输出射频信号范围。

4.根据权利要求1所述的高精度频率线性调谐窄线宽激光器装置，其特征在于电光调制器(14)输出的调制光信号经过可调谐衰减器(15)、可调谐光学滤波器(16)，滤除无关边带，注入到半导体激光器(18)的光功率可调谐。