CN105607296A - 一种基于电光调制器的光脉冲整形装置及整形方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于电光调制器的脉冲整形装置及其整形方法，本装置电光调制器连接的分束器将调制后的信号光分为2束，大束为输出，小束为监测光接入光电探测器，再经放大器和模数转换单元接入微处理器，微处理器的控制信号接射频驱动器和数模转换单元，后二者接入电光调制器。其使用方法为，微处理器遍历各偏置电压，在每个偏置点对监测光多次采样，剔除最大值后取平均为监测光光强度采样值，最小的此值AD₀对应最佳偏置电压值V₀。V₀送入光电探测器，实时比较当前监测光光强度采样值AD_i与AD₀。二者差达阈值时，对偏置电压进行修正。本发明实时调整电光调制器的偏置电压，有效克服漂移影响，输出高对比度任意整形光脉冲，工作稳定，整形精度高。

Description

一种基于电光调制器的光脉冲整形装置及整形方法

技术领域

本发明属于激光脉冲产生及整形技术领域，具体涉及一种基于电光调制器的光脉冲整形装置及其整形方法。

背景技术

在激光加工、切割等生产过程以及相关的科研中，不同形状的光脉冲可能表现出不同的特性。为了获得更好的效果，往往需要获得具有一定形状的激光脉冲。

目前，光脉冲整形方法主要有三种，即基于半导体激光器的脉冲整形方法、基于脉冲堆积的脉冲整形方法和基于电光调制器的脉冲整形方法。

1、基于半导体激光器的脉冲整形方法利用任意形状的整形电脉冲直接驱动半导体激光器，产生与电脉冲形状一致的激光脉冲。此方法所用装置的结构简单，控制方便，但其激光束质量受半导体激光器影响，脉冲整形精度有限，最新的研究结果可以实现脉宽10ns(纳秒)、时域调节精度330ps(皮秒)任意形状整形激光脉冲。

2、基于脉冲堆积的脉冲整形方法是采用多个短脉冲在时域上首尾相连，组合成一个长脉冲。此方法可以产生亚ps到ns脉冲，堆积结果依赖于堆积的脉冲基元及延时大小。其产生的脉冲具有扫频特性、上升沿陡峭、受环境和光程变化小等优点，但该方法涉及超短脉冲的产生、放大、控制等技术，实现难度大。

3、基于电光调制器的脉冲整形方法通过将整形电脉冲加载到电光调制器，对连续光进行幅度调制，从而产生整形脉冲。此方法需要足够快的调制信号源和电光调制器，一般用于百ps以上到ns或更长时间的脉冲整形。主要受限于电光调制的响应速率。电光调制器的脉冲整形技术比较成熟，整形能力强。其核心器件是电光调制器，所加的电调制信号使其输出光强度发生变化，即装置输出的光脉冲峰值改变，为了获得高对比度的任意整形脉冲，需要精确控制高消光比电光调制器工作于最小的直流偏置电压点上。但是随着器件内的静电荷积累以及温度的变化，直流偏置电压点会发生漂移，导致输出光脉冲相位变化，消光比下降。为了解决该问题，需要监测控制电光调制器的偏置电压。目前，监测电光调制器直流偏置电压点的方法主要有：扰频法和功率探测法。

2011年电子科技大学杨志高的硕士论文“集成光学调制器工作点稳定性研究”中介绍：扰频法将一个低频扰动信号施加在直流偏置信号中，以调制后的信号中的基波信号和二次谐波信号幅度的比值作为反馈参量、控制稳定电光调制器的偏置电压。该方法引入扰动，因此要求应用系统对该扰动不敏感。

《光通信技术》2011年第7期的文章介绍了功率探测法通过使用低响应速率的光电探测器，监测基底累积能量，进而获取偏置点的信息。该方法能有效判断偏置点漂移信息，但响应速度稍慢，灵敏度低，只能应用于产生低频低占宽比的脉冲，输出脉冲对比度不够高。

总之目前尚未见到在进行脉冲整形同时，快速有效地精确监控电光调制器直流偏置电压，使电光调制器能输出高对比度任意整形光脉冲的装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有的基于电光调制器的光脉冲整形技术的不足，提出一种基于电光调制器的光脉冲整形装置，信号光接入电光调制器，其输出经分束器分为两束，占比大的光束作为本装置的输出，占比小的光束作为监测光送入光电探测器，反映输出光光强的电信号送入微处理器，微处理器据此经由数模转换单元和射频驱动器，控制光电调制器。

本发明的另一目的是提供一种基于电光调制器的光脉冲整形方法，其采用本发明的基于电光调制器的脉冲整形装置，借由监测光搜索获得最佳偏置电压值，在装置运行时自动跟踪调整偏置电压，实现了对信号光进行脉冲整形时光电调制器最佳偏置电压的精确控制，保证产生高对比度任意整形光脉冲。

本发明设计的一种基于电光调制器的光脉冲整形装置包括电光调制器和射频驱动器，还包括分束器、光电探测器、放大器、模数转换单元和微处理器、数模转换单元。

信号光接入电光调制器，对信号光进行幅度调制，产生整形脉冲，电光调制器再连接分束器，分束器将调制后的信号光分为2束，其中占比较大的光束为本装置的输出，另一占比较小的光束作为监测光接入光电探测器，光电探测器的输出经放大器和模数转换单元接入微处理器，微处理器由光电探测器获取监测信号，微处理器的控制信号接射频驱动器和数模转换单元，电调制信号接入射频驱动器；射频驱动器和数模转换单元的输出接入电光调制器，射频驱动器根据微处理器的控制信号对电调制信号放大后加载到电光调制器，数模转换单元将微处理器的偏置电压信号转换为模拟信号送入到电光调制器，使电光调制器工作于适当的偏置电压。

所述输入的信号光为线偏振连续激光。本装置输出信号光为脉冲宽度ns级、频率1～1kHz的低频窄脉冲光。

所述电光调制器、分束器和光电探测器适用于信号光波长，经光纤连接。

所述的分束器分出的占比较大的输出光束占90～99％，其余的作为监测光输出到光探测器。

所述模数转换单元的采样周期大于光电调制器输出的信号光的脉冲宽度，采样频率大于光电调制器输出的信号光的脉冲频率5～15倍，从而本模数转换器可在两个脉冲间连续采样5～15次，所得的5～15个采样值中最多只会包含光脉冲的一个最大值，将其剔除，其余值即反映当前偏置电压下的透过光强。

所述电光调制器件为波导型铌酸锂电光强度调制器。

所述电调制信号由波形发生器产生。

所述的光电探测器为PIN型光电二极管。

本发明一种基于电光调制器的光脉冲整形方法，采用本发明的基于电光调制器的光脉冲整形装置，包括以下步骤：

步骤1、确认最佳偏置电压

系统通电、启动进行初始化，取将要进行脉冲整形的某波长信号光输入电光调制器，射频驱动器正常工作。

在不同的偏置电压下，透过电光调制器输出的信号光强弱不同。选择信号光透过的强度最小时对应的偏置电压为最佳偏置电压。

本发明微处理器通过光电探测器得到监测光强度变化，确定光电调制器输出的信号光强度。

微处理器搜索扫描该波长信号光最佳偏置电压点，遍历光电调制器的各偏置电压点，即从最高偏置电压遍历到最低偏置电压，微处理器的电压控制指令经数模转换单元转换后送入光电调制器，在各偏置电压点监测光在光电探测器转换为相应的电信号，并经模数转换单元采样送入微处理器，即微处理器接收对应电光调制器输出的监测光光强度对应的电信号采样值。

光电探测器反映信号光脉冲的完整形状，模数转换单元的采样周期大于输出脉冲宽度，也即是说模数转换单元连续两次采样所得的数据最多只有一个包含输出光脉冲信息。电光调制器虽然具备高达30dB的高消光比，但仍有部分信号光的功率泄漏过来，在输入光为连续光且功率大于1μW的情况下，可在电光调制器输出端检测到泄漏的功率。本装置输出脉冲宽度为ns级、频率1～1kHz的低频窄脉冲，占空比很小，本发明在每个偏置电压点进行多次采样，剔除多个采样值中的最大值后计算平均值，以此平均值作为该偏置电压点监测光的光强度采样值。采样的次数为5～15次。

微处理器依次获得各偏置电压下的监测光光强度采样值，比较各监测光光强度采样值，以监测光光强度采样值最小的所对应的偏置电压为最佳偏置电压值。

微处理器存储针对该波长信号光所得最佳偏置电压值和该最佳偏置电压对应的、由模数转换单元所得的监测光光强度采样值。

微处理器遍历光电调制器的偏置电压的扫描分为粗略扫描和精细扫描两步。

先进行粗略扫描，微处理器从最高偏置电压遍历到最低偏置电压，步长为0.005～0.015V，获得粗略的最佳偏置电压点。

之后进行精细扫描，精细扫描在粗略最佳偏置电压值±0.02V范围内进行，步长为0.001～0.003V，确定精确的最佳偏置电压值。

步骤2、本装置对步骤1所取波长的信号光进行脉冲整形，自动跟踪调整偏置电压

该波长信号光输入电光调制器，射频驱动器放大电调制信号并送入电光调制器。微处理器指令数模转换单元向电光调制器送出步骤1所得的最佳偏置电压。

由于电调制信号和输出脉冲之间的变换不是线性的，为了获得指定波形的输出脉冲，需针对电调制信号进行特殊设计。系统正常工作时，电调制信号与输出脉冲间有以下变换关系：

$I=I_{\max }{\cos }^2(\frac{1}{2}\·(\frac{kM}{V_{\mathrm{\π}}}\·\mathrm{\π}+\mathrm{\π}\left)\right)$

其中，I为输出脉冲的光强，I_max为电光调制器透过的最大光强，k为射频驱动器的放大倍数，M为电调制信号，V_π为电光调制器的半波电压，即透过光最大时对应的偏置电压与透过光最小时对应的偏置电压之差。对于指定的脉冲波形，可逆向求取对应的电调制信号。

微处理器设置阈值。微处理器实时比较由模数转换单元送入的当前监测光光强度采样值与步骤1所得的信号光最佳偏置电压点对应的监测光光强度采样值，当二者差的绝对值大于或等于设置阈值时，对当前偏置电压进行小步长修正，并根据监测光采样值的变动判断修正效果，如果小步长增加偏置电压后当前监测光光强度采样值与步骤1所得的信号光最佳偏置电压点对应的监测光光强度采样值的差缩小，说明增加偏置电压的修正正确，继续增加偏置电压，使当前监测光采样值与信号光最佳偏置电压点对应的监测光采样值的差的绝对值小于设置阈值；反之，则小步长减小偏置电压，以达到二者差小于设置阈值。所述当前偏置电压修正的小步长为0.001～0.003V。

所述阈值为步骤1中的最佳偏置电压点对应的监测光光强度采样值的1％～5％。

与现有技术相比，本发明一种基于电光调制器的光脉冲整形装置及整形方法的有益效果是：1、突破现有技术的局限，无需引入扰动，不影响输出状态；2、设计分束器得到监测光束，由监测光获得最佳偏置电压，并通过监测光的当前光强度采样值、掌握信号光经电光调制后的当前状态，实时调整电光调制器的偏置电压，有效克服静电荷积累及温度变化引起的偏置电压漂移影响，以保证输出高对比度任意整形光脉冲；3、微处理器采样时采取多次采样、剔除最大值后再进行平均的方法，准确获取了反映偏置点漂移的信息，有利于微处理器的正确调整；4、本发明工作稳定，可实现任意波形脉冲整形，时域整形精度小于100ps，输出脉冲对比度大于200:1。

附图说明

图1为本基于电光调制器的光脉冲整形装置实施例结构示意图；

图2为本基于电光调制器的光脉冲整形方法实施例1步骤1流程图；

图3为本基于电光调制器的光脉冲整形方法实施例1步骤2流程图；

图4为本基于电光调制器的光脉冲整形方法实施例1的信号光输出波形。

图5为本基于电光调制器的光脉冲整形方法实施例2的信号光输出波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

基于电光调制器的光脉冲整形装置实施例

本基于电光调制器的光脉冲整形装置实施例如图1所示，图中虚线连线表示光纤连接，实线连线表示导线连接。信号光λ_IN接入电光调制器，对信号光进行幅度调制，产生整形脉冲，再接入分束器，将调制后的信号光分为2束，其中占比较大的光束为本装置的输出λ_OUT1，另一占比较小的光束作为监测光λ_OUT2接入光电探测器，光电探测器的输出经放大器和模数转换单元接入微处理器，微处理器由光电探测器获取监测信号，微处理器的控制信号接射频驱动器和数模转换单元，电调制信号M接入射频驱动器；射频驱动器和数模转换单元的输出接入电光调制器，射频驱动器根据微处理器的控制信号对电调制信号放大后加载到电光调制器，数模转换单元将微处理器的偏置电压信号转换为模拟信号送入到电光调制器，使电光调制器工作于适当的偏置电压。

本例输入的信号光λ_IN为线偏振连续激光，波长1053nm，输入平均功率为10mW。本例装置输出信号光脉冲宽度为3.09ns级、频率为1kHz的低频窄脉冲光。

本例的分束器分出的较大的输出光束占99％，其余的1％作为监测光输出到光探测器。

本例电光调制器、分束器和光电探测器适用于信号光波长1053nm，经光纤连接。

本例模数转换单元的采样周期为10μs大于光电调制器输出的信号光的脉冲宽度，采样频率为100kHz，大于光电调制器输出的信号光的脉冲频率10倍。

本例电光调制器为波导型铌酸锂电光强度调制器。电调制信号M由任意波形发生器产生，为重复频率1kHz的3ns凹型脉冲，或者说方波。

本例的光电探测器为PIN型光电二极管。具体为GCPD-1P系列光电探测器，饱和功率≧2mW，响应时间为1ns，响应度≧0.8A/W。

基于电光调制器的光脉冲整形方法实施例1

本基于电光调制器的光脉冲整形方法实施例1，采用上述基于电光调制器的光脉冲整形装置实施例，本例使用方法包括以下步骤：

步骤1、确认最佳偏置电压

在系统通电、启动进行初始化，取将要进行脉冲整形的某波长信号光λ_IN输入电光调制器，射频驱动器正常工作。

微处理器搜索扫描针对此波长信号光最佳偏置电压点，其流程如图2所示，先进行粗略扫描，微处理器的电压控制指令从最高偏置电压遍历到最低偏置电压，步长为0.01V，获得粗略的最佳偏置电压点V₁。微处理器的指令经数模转换单元转换后送入光电调制器，在各偏置电压点监测光在光电探测器转换为相应的电信号，并经模数转换单元采样送入微处理器，本例在每个偏置电压点进行10次采样，剔除10个采样值中的最大值后计算平均值，以此平均值作为该偏置电压点监测光的光强度采样值。获得粗略的最佳偏置电压后进行精细扫描，精细扫描在粗略最佳偏置电压值±0.02V范围内进行，步长为0.002V，确定各偏置电压对应的监测光光强度采样值，存储于微处理器。

微处理器比较各偏置电压下监测光光强度采样值，以监测光光强度采样值最小的所对应的偏置电压为最佳偏置电压值V₀。

微处理器存储所得最佳偏置电压值V₀和该偏置电压V₀对应的由模数转换单元所得的监测光光强度采样值AD₀。

步骤2、本装置对步骤1所取波长的信号光进行脉冲整形，自动跟踪调整偏置电压

微处理器对该波长信号光进行脉冲整形，其过程中自动跟踪调整偏置电压，流程如图3所示。

该波长信号光输入电光调制器，射频驱动器放大电调制信号并送入电光调制器。微处理器指令数模转换单元向电光调制器送出步骤1所得的最佳偏置点电压V₀。

微处理器设置阈值Δ，本例阈值Δ为步骤1中的最佳偏置电压对应的监测光光强度采样值AD₀的2％。微处理器实时比较由模数转换单元送入的当前监测光光强度采样值AD_i与步骤1所得的信号光最佳偏置电压点对应的监测光光强度采样值AD₀，当二者差的绝对值|AD_i-AD₀|大于或等于设置阈值Δ时，对当前偏置电压进行0.002V步长的修正，并根据监测光采样值的变动判断修正效果，使当前监测光采样值与信号光最佳偏置电压点对应的监测光采样值的差的绝对值小于设置阈值。

本例正常工作状态下，得到3ns信号光输出，信号光输出波形见图4，为凹型脉冲。图4的横坐标为时间，单位为ns/div，纵坐标为光强度转换的电压值，单位为50mV/div。

基于电光调制器的光脉冲整形方法实施例2

本基于电光调制器的光脉冲整形方法实施例2也采用上述基于电光调制器的光脉冲整形装置实施例，本例整形方法的步骤与光脉冲整形方法实施例1相同。本例中，信号光为线偏振连续激光，波长1053nm，输入平均功率为10mW。电调制信号由任意波形发生器产生，具体为重复频率1kHz的经特殊设计可变换为3ns指数增长型脉冲的电调制信号。本例信号光输出波形见图5。图5横坐标为时间，单位为1ns/div，纵坐标为光强度转换的电压值，单位为50mV/div。

上述实施例表明，本发明的一种基于电光调制器的光脉冲整形装置及整形方法，具备优秀的光脉冲整形能力，能够保证长时高稳定工作状态，适应连续光的输入。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电光调制器的脉冲整形装置，包括电光调制器和射频驱动器，其特征在于：

还包括分束器、光电探测器、放大器、模数转换单元、微处理器和数模转换单元；

信号光接入电光调制器，电光调制器再连接分束器，分束器将调制后的信号光分为2束，其中占比较大的光束为本装置的输出，另一占比较小的光束作为监测光接入光电探测器，光电探测器输出的电信号经放大器和模数转换单元接入微处理器，微处理器的控制信号接射频驱动器和数模转换单元，电调制信号接入射频驱动器；射频驱动器和数模转换单元的输出接入电光调制器；

所述输入的信号光为线偏振连续激光；本装置输出信号光为脉冲宽度ns级、频率1～1kHz的低频窄脉冲光；

所述电光调制器、分束器和光电探测器适用于信号光波长，经光纤连接。

2.根据权利要求1所述的基于电光调制器的脉冲整形装置，其特征在于：

所述的分束器分出的较大的输出光束占90～99％，其余的作为监测光输出到光探测器。

3.根据权利要求1所述的基于电光调制器的脉冲整形装置，其特征在于：

所述模数转换单元的采样周期大于光电调制器输出的信号光的脉冲宽度，采样频率大于光电调制器输出的信号光的脉冲频率5～15倍。

4.根据权利要求1所述的基于电光调制器的脉冲整形装置，其特征在于：

所述电光调制器件为波导型铌酸锂电光强度调制器。

5.根据权利要求1所述的基于电光调制器的脉冲整形装置，其特征在于：

所述电调制信号由波形发生器产生。

6.根据权利要求1所述的基于电光调制器的脉冲整形装置，其特征在于：

所述的光电探测器为PIN型光电二极管。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于电光调制器的脉冲整形装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、确认最佳偏置电压

系统通电、启动进行初始化，取将要进行脉冲整形的某波长信号光输入电光调制器，射频驱动器正常工作；

微处理器搜索扫描针对该波长信号光最佳偏置电压点，微处理器的电压控制指令遍历光电调制器的各偏置电压点，经数模转换单元转换后送入光电调制器，在各偏置电压点监测光在光电探测器转换为相应的电信号，并经模数转换单元采样送入微处理器，即微处理器接收对应电光调制器输出的监测光光强度对应的电信号采样值；

在每个偏置电压点模数转换单元进行5～15次采样，剔除5～15个采样值中的最大值后计算平均值，以此平均值作为该偏置电压点监测光的光强度采样值；微处理器依次获得各偏置电压下的监测光光强度采样值，比较各监测光光强度采样值，以监测光光强度采样值最小的所对应的偏置电压为最佳偏置电压值；

微处理器存储针对该波长信号光所得最佳偏置电压值和该最佳偏置电压对应的、由模数转换单元所得的监测光光强度采样值；

步骤2、本装置对步骤1所选波长的信号光进行脉冲整形，自动跟踪调整偏置电压

该波长信号光输入电光调制器，射频驱动器放大电调制信号并送入电光调制器。微处理器指令数模转换单元向电光调制器送出步骤1所得的最佳偏置电压；

微处理器设置阈值，微处理器实时比较由模数转换单元送入的当前监测光光强度采样值与步骤1所得的信号光最佳偏置电压点对应的监测光光强度采样值，当二者差的绝对值大于或等于设置阈值时，对当前偏置电压进行小步长修正，并根据监测光采样值的变动判断修正效果，使当前监测光采样值与信号光最佳偏置电压点对应的监测光采样值的差的绝对值小于设置阈值。

8.根据权利要求7中所述的基于电光调制器的脉冲整形装置的使用方法，其特征在于：

所述步骤1中微处理器遍历光电调制器的偏置电压的扫描分为粗略扫描和精细扫描两步；

先进行粗略扫描，微处理器从最高偏置电压遍历到最低偏置电压，步长为0.005～0.015V，获得粗略的最佳偏置电压；

之后进行精细扫描，精细扫描在粗略最佳偏置电压值±0.02V范围内进行，步长为0.001～0.003V，确定精确的最佳偏置电压值。

9.根据权利要求7所述的基于电光调制器的脉冲整形装置的使用方法，其特征在于：

所述步骤2中，当前监测光光强度采样值与步骤1所得的信号光最佳偏置电压点对应的监测光光强度采样值的差的绝对值大于阈值时，当前偏置电压修正的小步长为0.001～0.003V。

10.根据权利要求7所述的基于电光调制器的脉冲整形装置的使用方法，其特征在于：

所述步骤2中的阈值为步骤1中的最佳偏置电压点对应的监测光光强度采样值的1％～5％。