CN104917045A - 窄线宽激光频率线性调谐装置 - Google Patents

Abstract

一种窄线宽激光频率线性调谐装置，该装置包括：窄线宽激光器、保偏光纤、光纤准直器、第一1/2波片、二次电光效应相位调制器、第二1/2波片、光纤耦合器、任意波形发生器、高压放大器。该装置避免了现有的线性调频技术中常用的复杂的实时反馈控制电路带来的调频速度受限的问题，利用光波频率-相位相互映射关系，通过锯齿波驱动二次电光效应相位调制器，并结合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线性调谐。

Description

窄线宽激光频率线性调谐装置

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线性频率快速调谐的装置。

背景技术

具有窄线宽及大范围快速线性调频能力的激光光源在合成孔径激光雷达、相干激光通信、高分辨率光谱、射频信号光学产生、原子相干操纵等前沿基础学科和高科技领域有着重要和广泛的应用需求。经过几十年的发展，激光器的相干性已经得到大幅提高，由激光器直接输出激光的线宽可以达到1kHz以下，并且通过外部稳频技术可以将激光线宽进一步压窄到1Hz以下；而直接控制激光器腔内元件的外腔半导体激光器可以获得几十乃至上百纳米的波长调谐，利用腔外部调制器或光学锁相的方法可以实现对激光频率快速灵活的操控，但如何在保证激光器相干性的同时提高其调频的速度、范围及线性度是目前激光技术发展面临的一个很大的挑战，故发展腔内或腔外的激光大范围线性调频技术具有重要意义和应用价值。

目前激光线性频率调谐的方案主要有：

在先方案之一是利用主动光电反馈技术实现激光器的线性调频技术，采用自零差或自外差探测技术表征调频过程中的非线性，并利用所得到的拍频信号经鉴频电路给出相对于理想线性调频的偏移，从而获得误差信号反馈到激光器的调频端构成光电反馈环路，主动控制调频线性化，该方案的调频范围、速度及调频过程中激光的线宽主要由调频激光器本身决定，且涉及到复杂的反馈控制电路，调频的速度会进一步受到反馈控制电路反馈带宽的限制【吴映,陈迪俊,孙延光,蔡海文,瞿荣辉.半导体激光器光电负反馈线性调频技术研究.中国激光,vol.40,0902001,2013】【唐禹,林涛,汪路锋,秦宝,胡睿南.一种产生激光线性调频信号的方法.201410317540.2.2014】。

在先方案之二是利用声光调制器(AOM)及电光调制器(EOM)等可调谐移频器件在激光器外部实现的，通过线性调谐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，对100MHz范围内的频率调谐转换效率高达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 tunable laser frequency offset lock with 30GHz range and 5THz 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 Local Oscillator Source.Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on,vol,61,3005-3014,2013】【T.Kawanishi,M.Izutsu.Linear single-sideband modulation for high-SNR wavelength conversion.Ieee Photonics Technology Letters,vol,16,1534-1536,2004】。该方案可以在调频过程中保留激光的窄线宽特性，且调频速度很快，但其调频范围及转换效率较低。

在先方案之三是将从激光器通过注入锁定的方法锁定到方案二中经过调制后的主激光器高阶边带上，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，并利用高阶边带效应进行扩频，降低对射频驱动源的要求，目前已经实现了调频范围15GHz，调频速率2.5THz/s的线性调频。【Fang Wei,Bin Lu,Jian Wang,Dan Xu,Zhengqing Pan,Dijun Chen,Haiwen Cai,Ronghui Qu.Precision and broadband frequency swept laser source based on high-order modulation-sideband injection-locking.Optics Express,vol,23,4970-4980,2015】。

以上方案基本上都涉及到复杂的控制电路，搭建难度大，使用需要较高的电子学技术支持。

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线性调谐的装置。该装置可以解决常用的激光器频率调谐中存在的非线性问题，可利用锯齿波信号驱动直接驱动二次电光效应相位调制器实现大范围的窄线宽激光快速线性调频。

本发明的核心思想是：利用二次电光效应材料产生的二次相位调制，结合线性光频转换技术以实现激光快速调频。由于激光光场相位的导数为激光的频率，在线性光频转换技术中，若想实现激光的线性调频(即激光频率随时间线性变化)，需要光场的相位与时间成平方关系，而二次电光效应材料的折射率变化刚好与外加电场为平方关系，故利用锯齿波信号驱动二次电光效应材料制成的相位调制器就可以得到与时间成平方关系的周期性相位信号，如果每个周期内产生的最大相移为2mπ(n为整数)，在理论上固定频率的锯齿波就能产生连续的线性调频激光输出，该方法直接直接改变光场的相位引起频率调谐，响应速度快，转换效率高，并且控制电路简单，调频范围不限。

本发明的技术解决方案如下：

一种窄线宽激光大范围频率线性调谐的装置，特点在于其构成包括窄线宽激光器、保偏光纤、光纤准直器、第一1/2波片、二次电光效应相位调制器、第二1/2波片、光纤耦合器、任意波形发生器、高压放大器，所述的窄线宽激光器的输出光依次经过保偏光纤及光纤准直器后输出准直的线偏振光，再经过第一1/2波片进入到二次电光效应相位调制器中获得相位调制，所述的相位调制器输出的激光经过第二1/2波长后由光纤耦合器耦合入保偏光纤中得到线性调频激光输出；所述的任意波形发生器经过高压放大器后得到高压锯齿波信号加载到所述的二次电光效应相位调制器的电压输入端。

所述的二次电光效应电光调制器为体光学电光调制器，由上下表面镀金电极的二次电光效应材料构成，所述的锯齿波高压信号可通过上下两个电极对电光材料施加电场，从而使材料的折射率发生改变并对激光的光场相位进行调制。

本发明的特点和优点是：

本发明把电光材料的二次电光效应应用到线性光频调谐技术当中，在激光腔的外部实现线性调频，这样既可以充分地延续单频激光器的高相干性及稳定性，又可以同步实现激光的快速大范围线性调频，且具有控制电路简单、转换效率高的优点。

本发明的具体原理如下：

在本发明中，所述的二次电光效应相位调制器为核心元件，可采用近两年最新研究的铌镁酸铅-钛酸铅(PMNT)电光陶瓷或者锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷进行制作，这些材料为典型的二次电光效应陶瓷材料，当在电光陶瓷的两端施加电压后，其材料内部会产生电场V，则材料的折射率Δn将会发生如下变化：

$\mathrm{\Δn}=\frac{1}{2}{n}^3{R}_{\mathrm{eff}}{V}^2,---\left(1\right)$

其中R_eff为有效电光系数，材料的折射率变化与外加电场的平方成正比，对于长度为L的相位调制器，其附加相位变化有Δφ＝ΔnL。假定待调频的单频激光输入光波的振幅为E₀，角频率为ω_c，该光通过一个基于二次电光效应的相位调制器，其调制器的调制端输入电场信号为V(t)，那么经调制后的输出光可表示为

A(t)＝E₀exp{i[ω_ct+RV²(t)]}，   (2)

其中R＝n³R_eff/2为相位调制系数，如果V(t)在时间上成线性变化，即令V(t)＝(mk/R)^1/2t，引入的附加相位变化为时间的二次函数，则调制后激光的角频率可表示为

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_c+2\mathrm{mkt}.---\left(3\right)$

由(3)式可以看出经过线性变化外加电场驱动的电光相位调制器后，输出光变为线性调频光。但是要获得大范围的连续线性调频，V(t)需要随着时间不断增大，考虑到高压驱动功率及PMNT材料最高承受电压的限制，这在实现上又存在一定的难度。故拟利用光场相位存在2π的周期性，采用如图2(b)所示的幅度为周期为T(V_π为相位调制器的半波电压)的锯齿波来对相位调制器进行调制，此时附加相位如图2(c)所示，可表示为

Δφ(t)＝(mk)·(t[mod]T)²，kT²＝2π。   (4)

对(4)式进行求导后可以得到与(3)式相同的结果，实现如图2(d)所示的连续大范围线性调频，理想情况下转换效率为100％，其角频率调频速度k＝4π/T²，每周期内的调频范围为4π/T，其调频范围在理论上不会受到限制。目前普通的商用信号发生器可以产生1MHz的锯齿波，理论上0.1s内可以实现320GHz的调频。

附图说明

图1是本发明窄线宽激光大范围频率线性调谐装置的总体结构示意图；

图2是本发明频率线性调谐的原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例与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图2，图1是本发明窄线宽激光大范围频率线性调谐装置的总体 结构示意图，图2是频率线性调谐的原理示意图。由图可见，本发明窄线宽激光大范围频率线性调谐的装置，构成包括窄线宽激光器1、在窄线宽激光器1的输出端通过保偏光纤2与光纤准直器3的输入端相连，该光纤准直器3输出的准直线偏振激光经过第一1/2波片4后使偏振态旋转，接着正入射至二次电光效应相位调制器5中，该相位调制器5输出的激光的偏振态经过第二1/2波片6再次旋转后经过光纤耦合器7耦合进光纤得到线性调频激光；所述的任意波形发生器8的输出端接高压放大器9，该高压放大器9的输出端接二次电光效应相位调制器5的电子学输入端。

下面是实施例中所用到的关键元器件：

所述的窄线宽激光器1为二次电光效应相位调制器5透射波段的分布式反馈式(DFB)激光器、光纤激光器、外腔半导体激光器或其它窄线宽的激光器；

所述的二次电光效应相位调制器5为由二次电光效应材料制作的相位调制器。该调制器由矩形体材料构成，材料的上下表面由溅射法蒸镀金电极用以施加所需的电场，光场传输方向上的前后通光面均蒸镀增透膜；

所述的光纤准直器3及光纤耦合器7为Thorlabs公司的一款型号为PAF-X-2-C的光纤端口准直/耦合器，用于光纤到相位调制器之间耦合或准直的微定位调整。

所述的任意波形发生器8用于产生施加在相位调制器上的锯齿波信号，可以使用Tektronix公司的一款型号为AWG70000的任意波形发生器，具有高达50GS/s和10位垂直分辨率，可方便地生成复杂信号。所述的高压放大器9可采用PINTECH公司一款型号为HA-800高压放大器，最大输出电压为800Vpp，带宽为200kHz，用于对所产生的锯齿波信号进行放大。

本调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，使激光器工作在最佳参数下，令输出功率满足输出要求，并连接到光纤准直器3的输入端，通过调整光纤准直器的调节螺丝，对其五个自由度进行锁定，在光纤准直器后得到光斑大小与相位调制器5通光口径相匹配的准直激光输出；

2.安装二次电光效应相位调制器5，调整相位调制器的角度，使步骤1中输出的准直激光通过相位调制时损耗最小；将该相位调制器5的两个电极分别与地及高压放大器9的输出端相连，将任意波形发生器8的输出端连接到高压放大器9的输入端；

3.在光纤准直器3及相位调制器5之间插入第一1/2波片4，旋转第一1/2波片 4的角度，使步骤1中输出的准直激光的偏振态与相位调制器5待加电场的方向一致；在相位调制器5与光纤耦合器7之间插入第二1/2波片6，旋转第二1/2波片6使相位调制器5输出激光的偏振态与光纤耦合器7后面连接的保偏光纤的慢轴方向平行或者垂直；

3.开启任意波形发生器8，使其输出锯齿波信号，根据所需要的激光线性调频速度调整锯齿波的频率，接着开启高压放大器9，并调整任意波形发生器8所输出的锯齿波信号的幅度，使其在每一个上升周期内激光光场的相位变化2π的整数倍，输出所需的线性调频窄线宽激光。

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线性调谐装置，可适用于相干激光探测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。例如二次电光效应电光调制器的形式可以由体材料型替代为波导型，激光的输出形式可以替代为自由空间准直激光输出，制作二次电光效应电光调制器的材料可以替换为其他具有二次电光效应的材料。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线性调谐装置，特征在于其构成包括窄线宽激光器(1)、保偏光纤(2)、光纤准直器(3)、第一1/2波片(4)、二次电光效应相位调制器(5)、第二1/2波片(6)、光纤耦合器(7)、任意波形发生器(8)、高压放大器(9)，上述元部件的位置关系如下：所述的窄线宽激光器(1)的输出光经过所述的保偏光纤(2)与所述的光纤准直器(3)相连，所得到的准直激光依次经过所述的第一1/2波片(4)、二次电光效应相位调制器(5)、第二1/2波片(6)后由光纤耦合器(7)输出，所述的任意波形发生器(8)输出的经过高压放大器(9)加载到所述的二次电光效应相位调制器(5)上对激光进行相位调制。

2.根据权利要求1所述的窄线宽激光大范围频率线性调谐的装置，其特征在于所述的二次电光效应相位调制器(5)由二次电光效应材料制作，其折射率的变化与外加电场的平方成正比，根据频率与相位的导数关系，在所述的二次电光效应相位调制器(5)上加载随时间线性变化的电场便可得到线性调频激光输出。

3.根据权利要求1所述的窄线宽激光大范围频率线性调频的装置，其特征在于所述的任意波形发生器(8)经过高压放大器(9)加载到所述的二次电光效应相位调制器(5)上的电压使激光的相位在每个锯齿周期内变化2π的整数倍，以获得激光大范围线性调频。