CN105259724A - 基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率分频器 - Google Patents

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Abstract

一种基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率分频器，包括1×2定向保偏光纤耦合器、N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统和重复频率综合系统；所述N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统由1×N定向保偏光纤耦合器、N-1个尾纤为保偏光纤的声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1和N×1定向保偏光纤耦合器及一定长度的保偏光纤构成。本发明实现对光学频率梳光学频率的操纵，产生新的光学频率梳，其重复频率为原来光学频率梳重复频率的1/N。

Description

基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率分频器
技术领域
本发明涉及分频器，具体是一种基于光纤和光纤器件的光学频率梳重复频率分频器。
背景技术
飞秒光学频率梳通过锁定飞秒锁模激光的重复频率和偏置频率至微波频率基准，在时域上得到重复频率稳定的飞秒脉冲激光，在频域上得到频率间隔稳定的激光频率梳。飞秒光学频率梳作为微波频率与光学频率的桥梁，飞秒脉冲在频域内可视为一把具有极高精确度且可溯源的激光频率标尺，因此可以实现对激光频率的直接精密计量，也可以与超稳激光器相结合产生超低噪声的微波频率信号。同时作为一种不同于传统连续波稳频激光的特殊激光光源，光学频率梳在激光频率标尺、天体测量、绝对距离测量和精密光谱测量等光学精密测量领域都有着重要应用。
由此可见，光学频率梳应用广泛的关键是对光学频率梳光学频率的操纵。对光学频率梳光学频率的操纵可以转化为对光学频率梳重复频率的操纵。目前，利用法布里-珀罗腔光谱滤波和光纤干涉仪的方法可以实现光学频率梳重复频率倍频，然而还没有光学频率梳重复频率分频的相关装置。本发明做为一种对光学频率梳光学频率操纵的可行手段和工具能进一步拓展光学频率梳的潜在应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率分频器，使用等臂Mach-Zehnder干涉仪，并结合声光调制器AOM的移频功能达到对光学频率梳重复频率分频的目的。该技术本可以实现对光学频率梳光学频率的操纵，产生新的光学频率梳，其重复频率为原来光学频率梳重复频率的1/N。
本发明的技术方案如下：
一种基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率分频器，其构成包括1×2定向保偏光纤耦合器、N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统和重复频率综合系统；所述N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统由1×N定向保偏光纤耦合器、N-1个尾纤为保偏光纤的声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1和N×1定向保偏光纤耦合器及一定长度的保偏光纤构成。
所述N臂的移频Mach-Zehnder干涉仪的一个干涉臂由1×N定向保偏光纤耦合器的一个输出端口尾纤通过一定长度的保偏光纤与光衰减器熔接，光衰减器再与N×1定向保偏光纤耦合器的一个输入端口尾纤熔接而成；其他N-1个干涉臂由1×N定向保偏光纤耦合器的剩余的N-1个输出端口尾纤通过N-1个尾纤为保偏光纤的声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1与N×1定向保偏光纤耦合器剩余的N-1个输入端口尾纤熔接而成。
所述N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统的N个干涉臂长度相等。
所述N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统的N-1个干涉臂上的声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1的驱动频率由重复频率综合系统，且分别为fr/N、2fr/N、3fr/N...(N-1)fr/N(fr为光学频率梳重复频率)。
所述重复频率综合系统由光学频率梳重复频率探测电路和光学频率梳重复频率分频电路构成。所述光学频率梳重复频率探测电路由高速光电管、第N放大器和第N放大器滤波器构成。所述光学频率梳重复频率分频电路由N-1路功分器、N分频器、2倍频器、3倍频器...N-1倍频器及第一放大器、第二放大器...第N-1放大器和第一滤波器、第一滤波器...第N-1滤波器构成。所述高速光电管的输出端与所述第N放大器的输入端相连，该第N放大器的输出端与所述第N滤波器的输入端相连，该第N滤波器的输出端与所述N-1路功分器的输入端相连，该N-1路功分器的第一个输出端与所述第一N分频器的输入端相连，该第一N分频器的输出端与所述第一放大器的输入端相连，该第一放大器的输出端与第一滤波器的输入端相连，该第一滤波器输出端与AOM1的射频驱动输入端相连；所述N-1路功分器的第二个输出端与所述第二N分频器的输入端相连，该第二N分频器的输出端与所述2倍频器的输入端相连，该2倍频器的输出端与第二放大器的输入端相连，该第二放大器的输出端与第二滤波器的输入端相连，该第二滤波器输出端与AOM2的射频驱动输入端相连；以此类推，所述N-1路功分器的第N-1个输出端与第N-1个N分频器的输入端相连，该第N-1个N分频器的输出端与所述N-1倍频器的输入端相连，该N-1倍频器的输出端与第N-1放大器的输入端相连，该第N-1放大器的输出端与第N-1滤波器的输入端相连，该第N-1滤波器输出端与AOMN-1的射频驱动输入端相连。
本发明的技术效果如下：
1)通过N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统，利用N-1个干涉臂上的声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1的移频功能产生移频的光学频率梳，与原光学频率梳叠加，实现分频，产生新的重复频率为原来光学频率梳重复频率的1/N的光学频率梳
2)采用重复频率综合系统直接从原光学频率梳中提取其重复频率fr，并且分频为fr/N、2fr/N、3fr/N...(N-1)fr/N，实现驱动N-1个干涉臂上的声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1的射频源是同源的，进而保证了N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统产生的新的光学频率梳各个梳齿的相干性。
3)在N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统的无AOM的那一干涉臂上熔接了光衰减器，以平衡其他N-1个干涉臂上的声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1带来的插入损耗和熔接损耗，提高新光学频率梳的光谱平坦度。
4)光器件的的连接均使用单模保偏光纤，保证光学频率梳激光信号的偏振特性，提高新的光学频率梳的信噪比。
附图说明
图1是本发明基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率分频器系统框图
图2是N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统框图
图3是重复频率综合系统框图
图4是实施例基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率二分频器系统框图
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。
请先参阅图1-图3，图1是本发明基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率分频器系统框图，图2是N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统框图，图3是重复频率综合系统框图。如图所示，一种基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率分频器，包括1×2定向保偏光纤耦合器1、N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统A和重复频率综合系统B，其中N≥2；所述的N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统A由1×N定向保偏光纤耦合器2、光衰减器3、N-1个尾纤为保偏光纤的声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1、N×1定向保偏光纤耦合器4及一定长度的保偏光纤构成；所述的N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统A的一个干涉臂由1×N定向保偏光纤耦合器2的一个输出端口尾纤通过一定长度的保偏光纤与光衰减器3熔接，光衰减器3再与N×1定向保偏光纤耦合器4的一个输入端口尾纤熔接而成；所述的N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统A的其他N-1个干涉臂分别由1×N定向保偏光纤耦合器2的剩余N-1个输出端口尾纤分别通过所述的N-1个声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1与N×1定向保偏光纤耦合器4的剩余N-1个输入端口尾纤熔接而成；所述的重复频率综合系统B由高速光电管5、N个放大器61、62、63...6N、N个滤波器71、72、73...7N、N-1路功分器8、N-1个N分频器91、92...9N-1及2倍频器10、3倍频器11、...N-1倍频器N+7构成；所述的高速光电管5的输出端与所述的第N放大器6N的输入端相连，该第N放大器6N的输出端与所述的第N滤波器7N的输入端相连，该第N滤波器7N的输出端与所述的N-1路功分器8的输入端相连，该N-1路功分器8的第一个输出端与所述第一N分频器91的输入端相连，该第一N分频器91的输出端与所述第一放大器61的输入端相连，该第一放大器61的输出端与所述第一滤波器71的输入端相连，该第一滤波器71的输出端与AOM1射频驱动输入端相连；所述N-1路功分器的第二个输出端与所述第二N分频器92的输入端相连，该第二N分频器92的输出端与所述2倍频器10的输入端相连，该2倍频器10的输出端与所述第二放大器62相连，该第二放大器62的输出端与所述第二滤波器72的输入端相连，该第二滤波器72输出端与AOM2射频驱动输入端相连；以此类推，所述N-1路功分器的第N-1个输出端与所述第N-1个N分频器9N-1的输入端相连，该第N-1个N分频器的输出端与所述N-1倍频器N+7的输入端相连，该N-1倍频器的输出端与所述第N-1放大器6N-1相连，该第N-1放大器的输出端与所述第N-1滤波器7N-1的输入端相连，该第N-1滤波器输出端与AOMN-1射频驱动输入端相连。
所述重复频率综合系统B实现提取光学频率梳重复频率fr，并将其分频至fr/N、2fr/N、3fr/N...(N-1)fr/N，分别驱动声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1，使声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1所在的N-1个干涉臂的光信号So2-1、So2-2、So2-3...So2-(N-1)分别移频fr/N、2fr/N、3fr/N...(N-1)fr/N。声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1输出N-1个移频后的光信号So3-1、So3-2、So3-3...So3-(N-1)。所述N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统A实现N路不同光学频率的光信号So3-1、So3-2、So3-3...So3-(N-1)、So3-N干涉叠加并输出新的光学频率梳激光信号So4。
实施例：N＝2
图4是实施例基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率二分频器的系统框图。由图可见，本实施例基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率二分频器的构成包括1×2定向保偏光纤耦合器1、2臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统A和重复频率综合系统B。
所述二臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统A由1×2定向保偏光纤耦合器2、一个尾纤为保偏光纤的声光调制器AOM1和2×1定向保偏光纤耦合器4及一定长度的保偏光纤构成。所述2臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统A的一个干涉臂由1×2定向保偏光纤耦合器2的一个输出端口尾纤通过一定长度的保偏光纤与光衰减器3熔接，光衰减器3尾纤再与2×1定向保偏光纤耦合器4的一个输入端口尾纤熔接而成；另一个干涉臂由1×2定向保偏光纤耦合器2的另一个输出端口尾纤通过一个尾纤为保偏光纤的声光调制器AOM1与2×1定向保偏光纤耦合器4另一个输入端口尾纤熔接而成。且二个干涉臂保持长度相等。
所述二臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统A的无AOM的那一个干涉臂上熔接了光衰减器5，以平衡其他另一个干涉臂上的声光调制器AOM1带来的插入损耗和熔接损耗，提高产生的新光学频率梳的光谱平坦度。
所述的重复频率综合系统B由光梳重复频率探测电路和光梳重复频率分频电路构成。所述光梳重复频率探测电路由高速光电管5、第二放大器62、第二滤波器72构成。所述光梳重复频率分频电路由1个二分频器9及第一放大器61和第一滤波器71构成。所述高速光电管5的输出端与所述第二放大器62的输入相连，该第二放大器的输出端与所述第二滤波器72的输入端相连，该第二滤波器的输出端与所述二分频器9的输入端相连，该二分频器的输出端与所述第一放大器61相连，该第一放大器的输出端与所述第一滤波器71的输入端相连，该第一滤波器输出端与AOM1射频驱动输入端相连。
光学频率梳发出的激光光信号So1经过1×2定向保偏光纤耦合器1分成两路光信号So1-1和So1-2，一路光信号So1-1进入2臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统A，经过1×2定向保偏光纤耦合器2后又分为二路So2-1、So2-2。另一路光信号So1-2进入重复频率综合系统B。由高速光电管5、第二放大器62、第二滤波器72构成光学频率梳重复频率探测电路。光信号So1-2被高速光电管5接收，高速光电管5输出的光学频率梳重复频率的谐波信号Sr1，经过第二放大器72放大后输出谐波信号Sr2，进入第二滤波器62，第二滤波器62输出光学频率梳重复频率fr的单频信号Sfr。二分频器9、第一放大器61和第一滤波器71构成光学频率梳重复频率分频电路。光学频率梳重复频率fr的单频信号Sfr进入二分频器9分频得到射频信号S2-1，经过第一放大器61放大和第一滤波器71滤波后，输出射频信号Sfr/2，其频率为fr/2，驱动AOM1，使光信号So2-1经过声光调制器AOM1移频fr/2后输出光信号So3-1。光信号So2-2经过光衰减器3后得到光信号So3-2，其频率保持不变。2臂的Mach-Zehnder干涉仪系统A的二路光信号So3-1、So3-2在2×1定向保偏光纤耦合器4中干涉叠加后输出So4。输出的光信号与光学频率梳输出的光信号相比，重复频率为原来的1/2。此装置可以产生新的光学频率梳，其重复频率为原来光学频率梳重复频率的1/2。

Claims (3)

1.一种基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率分频器，特征在于其构成包括1×2定向保偏光纤耦合器(1)、N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统(A)和重复频率综合系统(B)，其中N≥2；
所述的N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统(A)由1×N定向保偏光纤耦合器(2)、光衰减器(3)、N-1个尾纤为保偏光纤的声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1、N×1定向保偏光纤耦合器(4)及一定长度的保偏光纤构成；所述的N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统(A)的一个干涉臂由1×N定向保偏光纤耦合器(2)的一个输出端口尾纤通过一定长度的保偏光纤与光衰减器(3)熔接，光衰减器(3)再与N×1定向保偏光纤耦合器(4)的一个输入端口尾纤熔接而成；所述的N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统(A)的其他N-1个干涉臂分别由1×N定向保偏光纤耦合器(2)的剩余N-1个输出端口尾纤分别通过所述的N-1个尾纤为保偏光纤的声光调制器AOM1、AOM2、AOM3...AOMN-1与N×1定向保偏光纤耦合器(4)的剩余N-1个输入端口尾纤熔接而成；
所述的重复频率综合系统(B)由高速光电管(5)、N个放大器(61、62、63...6N)、N个滤波器(71、72、73...7N)、N-1路功分器(8)、N-1个N分频器(91、92...9N-1)及2倍频器(10)、3倍频器(11)、...N-1倍频器(N+7)构成；所述的高速光电管(5)的输出端与所述的第N放大器(6N)的输入端相连，该第N放大器(6N)的输出端与所述的第N滤波器(7N)的输入端相连，该第N滤波器(7N)的输出端与所述的N-1路功分器(8)的输入端相连，该N-1路功分器(8)的第一个输出端与所述第一N分频器(91)的输入端相连，该第一N分频器(91)的输出端与所述第一放大器(61)的输入端相连，该第一放大器(61)的输出端与所述第一滤波器(71)的输入端相连，该第一滤波器(71)的输出端与AOM1射频驱动输入端相连；所述N-1路功分器的第二个输出端与所述第二N分频器(92)的输入端相连，该第二N分频器(92)的输出端与所述2倍频器(10)的输入端相连，该2倍频器(10)的输出端与所述第二放大器(62)相连，该第二放大器(62)的输出端与所述第二滤波器(72)的输入端相连，该第二滤波器(72)输出端与AOM2射频驱动输入端相连；以此类推，所述N-1路功分器的第N-1个输出端与所述第N-1个N分频器(9N-1)的输入端相连，该第N-1个N分频器的输出端与所述N-1倍频器(N+7)的输入端相连，该N-1倍频器的输出端与所述第N-1放大器(6N-1)相连，该第N-1放大器的输出端与所述第N-1滤波器(7N-1)的输入端相连，该第N-1滤波器输出端与AOMN-1射频驱动输入端相连。
2.根据权利要求1所述的基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率分频器，其特征在于：所述的N臂移频Mach-Zehnder干涉仪系统(A)的N个干涉臂长度相等。
3.根据权利要求1所述的基于光纤干涉仪的光学频率梳重复频率分频器，其特征在于：所述的重复频率综合系统(B)由高速光电管(5)、第N放大器(6N)、第N滤波器(7N)构成光学频率梳重复频率探测电路；由N-1路功分器(8)、N-1个N分频器(91、92...9N-1)、2倍频器(10)、3倍频器(11)...N-1倍频器(N+7)及N-1个放大器(61、62...6N-1)和N-1个(71、72...7N-1)滤波器构成光学频率梳重复频率分频电路。
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