CN105973479B - 一种载波包络相位信号的探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
提供了本发明提供一种载波包络相位信号的探测装置，其特征在于：包括依次光路连接的脉冲振荡器、光纤放大器、光谱展宽器以及共线型自参考f‑2f载波包络相位探测模块，其中，共线型自参考f‑2f载波包络相位探测模块包括光路连接的多个透镜、PPLN晶体、YVO4晶体以及光电探测器，透镜用于将光谱展宽器输出的光纤光转换为空间光，YVO4晶体用于引入基频光与倍频光的延时量，该YVO4晶体内部为左右两部分可上下调节的斜劈结构。将飞秒脉冲注入高非线性光纤产生所需的长波信号和短波信号，通过YVO4晶体的偏振色散和群速度色散来优化长波信号脉冲和短波信号脉冲的相位延迟，相比于传统装置中利用空间光程调节来修改延时量的做法，精准性大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光技术领域，具体讲的是光纤飞秒激光载波包络相位的探测方法,属于光电物理领域。
背景技术
超短脉冲激光在频域上表现为等间隔的光学频率列，就好像人们所使用的梳子，所以被称之为光学频率梳(光梳)。光频率梳技术的兴起和发展为物理基础的研究提供了重要帮助,巨大地推动了科学发展。光梳相当于一个光学频率综合发生器，能将单一频率的光学频率或微波频率扩展到很宽的范围，是科学研究和人类生活的有力工具。光梳提供了高分辨率，高精度，高准确性的频率标准，可广泛运用于光学频率精密测量，原子离子跃迁能级测量，时间频率测量，远程时钟信号同步，卫星导航等领域。
光梳的关键技术在于探测载波包络相位偏移信号f0，这就要求基频光与倍频光保持时间和空间上的重合。空间上的重合可以通过利用共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块或调整光路来实现，而时间上的重合则依靠引入延时来实现。传统的引入延时的方法是在载波包络相位偏移信号f0探测装置中利用非共线型自参考f-2f载波包络相位探测结构来调节光程。非共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块来调节延时通常是先将高频光与低频光分束，再分别将低频光倍频，高频光延时，最后将两路光合束，即可探测到载波包络相位偏移信号f0。这种探测方法通常结构复杂，光路调节繁琐，光损耗大，且利用非共线的结构会增加空间重合度的调节，如果空间重合度不够，会大大影响载波包络相位偏移信号f0的信噪比。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了利用YVO4晶体结合共线探测的方式获取载波包络零频信号的装置及方法。该装置将飞秒脉冲注入高非线性光纤产生所需的长波信号和短波信号，通过YVO4晶体的偏振色散和群速度色散来优化长波信号脉冲和短波信号脉冲的相位延迟；同时将长波信号脉冲和短波信号脉冲共同注入非线性晶体，非线性晶体将长波信号脉冲倍频产生倍频光脉冲，倍频光脉冲与短波信脉冲号处于相同波长：当倍频光脉冲与短波信号脉冲时间重合时，即可在探测器上产生载波位相信号。
本发明提供一种载波包络相位信号的探测装置，其特征在于：包括依次光路连接的脉冲振荡器、光纤放大器、光谱展宽器以及共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块，其中，共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块包括光路连接的多个透镜、PPLN晶体、YVO4晶体以及光电探测器，透镜用于将光谱展宽器输出的光纤光转换为空间光，YVO4晶体用于引入基频光与倍频光的延时量，该YVO4晶体内部为左右两部分可上下调节的斜劈结构。
本发明提供的载波包络相位信号的探测装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，脉冲振荡器是稳定锁模的脉冲光纤激光器，其中心波长为1560nm。
本发明提供的载波包络相位信号的探测装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，脉冲光纤激光器具有半导体可饱和吸收体或石墨烯或非线性偏振旋转锁模，用于对输出的激光脉冲进行稳定锁模。
本发明提供的载波包络相位信号的探测装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，光纤放大器为单模光纤放大器，内部光路通过光纤与光纤或者光纤与光纤耦合的器件相连接。
本发明提供的载波包络相位信号的探测装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，光纤放大器还具有保偏光纤，该保偏光纤用于为放大了的正啁啾脉冲提供色散补偿。
本发明提供的载波包络相位信号的探测装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，光纤放大器还具有法拉第旋转镜，该法拉第旋转镜与保偏光纤结合用于实现双次回路放大。
本发明提供的载波包络相位信号的探测装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，光谱展宽器的输出频谱范围为1030nm～2100nm，该光谱展宽器包括保偏高非线性光纤，该保偏高非线性光纤的模场直径为4μm，非线性系数为10.5(W·km)-1。
本发明提供的载波包络相位信号的探测装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块还包括偏振分束器和设置在YVO4晶体光路之后的波片，波片与偏振分束器结合用于将经过YVO4晶体的左右两部分的光合成到一个偏振态上。
本发明提供的载波包络相位信号的探测装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，YVO4晶体内部的左右两部分的可上下调节的斜劈结构的调节范围为10mm，且其光轴与原光路光轴偏差45°。
本发明还提供一种使用上述的载波包络相位信号的探测装置进行载波包络相位信号的探测方法，用于探测载波包络相位偏移信号，其特征在于：
当基频光与倍频光在时间上重合时，两束光之间会产生拍频成分，该拍频成分被光电探测器探测得到，该信号即为载波包络相位偏移信号。
发明作用与效果
根据本发明所提供的载波包络相位信号的探测装置，该装置将飞秒脉冲注入高非线性光纤产生所需的长波信号和短波信号，通过YVO4晶体的偏振色散和群速度色散来优化长波信号脉冲和短波信号脉冲的相位延迟；同时将长波信号脉冲和短波信号脉冲共同注入非线性晶体，非线性晶体将长波信号脉冲倍频产生倍频光脉冲，倍频光脉冲与短波信脉冲号处于相同波长：当倍频光脉冲与短波信号脉冲时间重合时，即可在探测器上产生载波位相信号。
另外，在光纤放大器中采用了保偏光纤偏振分束器结合法拉第旋转镜的结构，能够实现双次回路放大，相比于传统的单次放大来说，功率得到明显提升。
另外，本发明采用了共线型自参考f-2f探测方法，相比于传统的非共线型自参考f-2f探测方法来说，可以严格保证基频光与倍频光空间的重合度，从而免去了非共线性探测所带来的复杂光路校准。
另外，在共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块中，本发明的探测装置使用YVO4晶体来引入延时量且引入的延时量可以通过调节晶体的长度来精确控制。这种设置相比于传统装置中利用空间光程调节来修改延时量的做法，精准性大大提高。
进一步地，由于该装置利用YVO4晶体来调节延时，不需要过多的光路调整，结构简单且光的损耗较小，保证了载波包络相位偏移信号f0的高信噪比。
进一步地，在探测装置的共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块中，YVO4晶体与PPLN的相对前后位置并不受限，YVO4晶体可以放在PPLN晶体之前或之后来补偿延时量并且都可以获得信噪比较高的载波包络相位偏移信号f0，这样的设计简化了安装和设计难度，可以根据不同环境需要自由设置。
更近一步地，由于YVO4晶体采用了斜劈结构，左右两部分可以分别实现上下调节，方便连续修改YVO4晶体在光路中的长度，增强了使用过程中调节的便利性。
附图说明
图1为本发明提供的载波包络相位信号的探测装置的结构原理图；
图2为本发明的实施例提供的载波包络相位信号的探测装置的结构示意图；
图3为本发明的实施例的YVO4晶体置于PPLN晶体之前的共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块结构示意图；以及
图4为发明的变形例提供的YVO4晶体置于PPLN晶体之后的共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的载波包络相位信号的探测装置的原理以及结构、使用方法和效果作具体阐述。
实施例
图1为本发明提供的载波包络相位信号的探测装置的结构原理图。
如图1所示，装置包括依次光路连接的脉冲振荡器5100、光纤放大器5200、光谱展宽器5300以及共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块5400。
图2为实施例提供的载波包络相位信号的探测装置的结构示意图。
脉冲振荡器5100采用掺铒光纤振荡器和光纤放大器的方案，可以产生1560nm波段附近的飞秒脉冲输出。将光纤放大器5200输出光注入光谱展宽器5300具有的保偏高非线性光纤中，可在保偏高非线性光纤的输出端获得覆盖一个倍频层的超连续谱。最后通过在共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块5400中加入YVO4晶体来调节延时的技术来探测得载波包络相位偏移信号f0。
脉冲振荡器5100为掺铒光纤激光器，如图2所示，采用非线性偏振旋转锁模的机理实现稳定的锁模脉冲输出。其中，5101为多合一器件，该器件结合了980/1550nm波分复用器，偏振相关光隔离器以及光耦合器；5102为中心波长为976nm单模光纤耦合的半导体激光注入端，通过多合一器件5101耦合到环形谐振腔中；5103为掺铒单模光纤；5104为电控偏振控制器，用来改变腔内激光的偏振态进而实现稳定锁模。上述所有器件首尾相接，熔接损耗小于0.1dB。
光纤放大器5200，如图2所示，其中，5201为偏振无关的1550nm隔离器；5202为1550nm波段的保偏分束器，分束比为10:90，其中10％端口为监测端口，90％端口输入后续放大过程中；5204为偏振分束器，其中，5203为输入端，与5202尾纤相连，5205为光纤放大器的输出端，两者均采用保偏光纤且两者之间的偏振态相差90°，5206为5204的输出端，采用单模光纤；5208与5210是980/1550nm波分复用器；5207与5211为中心波长976nm单模光纤耦合的半导体激光输入端，通过波分复用器5208和5210耦合到掺铒单模光纤5209中进行放大；5212为法拉第旋转镜，它能将入射的激光偏振态旋转90°后再反射回去进行双次回路放大，也保证了放大后的激光从5205输出；5213是中心波长为1550nm的保偏单模光纤，它对1550nm波段来说引入的是负色散，因此可以用来补偿放大脉冲的正啁啾，进而将光纤放大器5200输出的皮秒脉冲压缩到飞秒量级以满足保偏高非线性光纤对输入脉冲的脉宽要求。
光谱展宽器5300，如图2所示。5301为保偏高非线性光纤，它与光纤放大器5200的尾端直接熔接，熔接损耗低于20％。保偏高非线性光纤的非线性系数为10.8W-1·km-1，在输入脉冲的峰值功率极高时，脉冲在保偏高非线性光纤5301内会引发一系列的非线性效应，从而增加新的频率成分，最终在5300的尾端输出覆盖一个倍频层的超连续谱，频谱范围为1030nm～2100nm。
共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块5400根据PPLN晶体和YVO4晶体前后位置的不同可以有两种结构5400-1和5400-2，分别如图3和图4所示。
图3为本实施例的YVO4晶体置于PPLN晶体之前的共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块结构示意图。
如图3所示，其中，01、03、06及07都是焦距为50mm的透镜，用于汇聚光线；02为YVO4晶体，其拥有斜劈结构，左右两部分可以分别上下调节来改变YVO4晶体在光路中的长度，从而影响引入的延时量。左右两边皆可以实现上下10mm的调节量以补偿保偏高非线性光纤5301和PPLN晶体05引入的倍频光和基频光的走离量；04为中心波长在2020nm的二分之一波片，用来改变脉冲进入PPLN晶体时的偏振态；05为周期性铌酸锂晶体，其为二倍频晶体，可以将超连续谱中的低频成分进行倍频。
图4为本变形例提供的YVO4晶体置于PPLN晶体之后的共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块结构示意图。
作为一种变形，将YVO4晶体置于PPLN晶体之后，具体结构如图4所示，其中，08、09、12及16都是焦距为50mm的透镜，用于汇聚光线；10为中心波长在2020nm的二分之一波片，用来改变脉冲进入PPLN晶体时的偏振态；11为周期性铌酸锂晶体，其为二倍频晶体，可以将超连续谱中的低频成分进行倍频；13为YVO4晶体，其拥有斜劈结构，左右两部分可以分别上下调节来改变YVO4晶体在光路中的长度，从而影响引入的延时量，调节范围为10mm且其光轴与原光路光轴偏差45°，以保证PPLN晶体的输出光被均分至快、慢轴，从而实现延时；14为中心波长1046nm的二分之一波片，用于旋转输出光的偏振态；15为偏振分束器，其与半波片14结合使用可以将快、慢轴的光合成到一个偏振态上，从而实现基频光与倍频光在时间上的重合。当两束光保持时间和空间上的重合时，两束光之间会产生拍频成分，并由光电探测器17探测得到，并在频谱分析仪上表现为载波包络相位偏移信号f0。
实施例的作用和有益效果
根据本实施例所提供的载波包络相位信号的探测装置，该装置将飞秒脉冲注入高非线性光纤产生所需的长波信号和短波信号，通过YVO4晶体的偏振色散和群速度色散来优化长波信号脉冲和短波信号脉冲的相位延迟；同时将长波信号脉冲和短波信号脉冲共同注入非线性晶体，非线性晶体将长波信号脉冲倍频产生倍频光脉冲，倍频光脉冲与短波信脉冲号处于相同波长：当倍频光脉冲与短波信号脉冲时间重合时，即可在探测器上产生载波位相信号。
另外，在光纤放大器中采用了保偏光纤偏振分束器结合法拉第旋转镜的结构，能够实现双次回路放大，相比于传统的单次放大来说，功率得到明显提升。
另外，本发明采用了共线型自参考f-2f探测方法，相比于传统的非共线型自参考f-2f探测方法来说，可以严格保证基频光与倍频光空间的重合度，从而免去了非共线性探测所带来的复杂光路校准。
另外，在共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块中，本发明的探测装置使用YVO4晶体来引入延时量且引入的延时量可以通过调节晶体的长度来精确控制。这种设置相比于传统装置中利用空间光程调节来修改延时量的做法，精准性大大提高。
进一步地，由于该装置利用YVO4晶体来调节延时，不需要过多的光路调整，结构简单且光的损耗较小，保证了载波包络相位偏移信号f0的高信噪比。
进一步地，在探测装置的共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块中，YVO4晶体与PPLN的相对前后位置并不受限，YVO4晶体可以放在PPLN晶体之前或之后来补偿延时量并且都可以获得信噪比较高的载波包络相位偏移信号f0，这样的设计简化了安装和设计难度，可以根据不同环境需要自由设置。
更近一步地，由于YVO4晶体采用了斜劈结构，左右两部分可以分别实现上下调节，方便连续修改YVO4晶体在光路中的长度，增强了使用过程中调节的便利性。
Claims (9)
1.一种载波包络相位信号的探测装置，其特征在于：
包括依次光路连接的脉冲振荡器、光纤放大器、光谱展宽器以及共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块，
其中，所述共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块包括光路连接的多个透镜、PPLN晶体、YVO4晶体以及光电探测器，
所述透镜用于将所述光谱展宽器输出的光纤光转换为空间光，所述YVO4晶体用于引入基频光与倍频光的延时量，该YVO4晶体内部为左右两部分可上下调节的斜劈结构，
该斜劈结构的调节范围为10mm，且其光轴与原光路光轴偏差45°。
2.根据权利要求1所述的载波包络相位信号的探测装置，其特征在于：
其中，所述脉冲振荡器是稳定锁模的脉冲光纤激光器，其中心波长为1560nm。
3.根据权利要求2所述的载波包络相位信号的探测装置，其特征在于：
其中，所述脉冲光纤激光器具有半导体可饱和吸收体或石墨烯或非线性偏振旋转锁模，用于对输出的激光脉冲进行稳定锁模。
4.根据权利要求1所述的载波包络相位信号的探测装置，其特征在于：
其中，所述光纤放大器为单模光纤放大器，内部光路通过光纤与光纤或者光纤与光纤耦合的器件相连接。
5.根据权利要求4所述的载波包络相位信号的探测装置，其特征在于：
其中，所述光纤放大器还具有保偏光纤，该保偏光纤用于为放大了的正啁啾脉冲提供色散补偿。
6.根据权利要求5所述的载波包络相位信号的探测装置，其特征在于：
其中，所述光纤放大器还具有法拉第旋转镜，该法拉第旋转镜与所述保偏光纤结合用于实现双次回路放大。
7.根据权利要求1所述的载波包络相位信号的探测装置，其特征在于：
其中，所述光谱展宽器的输出频谱范围为1030nm～2100nm，该光谱展宽器包括保偏高非线性光纤，该保偏高非线性光纤的模场直径为4μm，非线性系数为10.5(W·km)-1。
8.根据权利要求1所述的载波包络相位信号的探测装置，其特征在于：
其中，所述共线型自参考f-2f载波包络相位探测模块还包括偏振分束器和设置在所述YVO4晶体光路之后的波片，所述波片与所述偏振分束器结合用于将经过所述YVO4晶体的左右两部分的光合成到一个偏振态上。
9.一种使用权利要求1-8中任意一项所述的载波包络相位信号的探测装置进行载波包络相位信号的探测方法，用于探测载波包络相位偏移信号，其特征在于：
当所述基频光与倍频光在时间上重合时，两束光之间会产生拍频成分，该拍频成分被所述光电探测器探测得到，该信号即为所述载波包络相位偏移信号。
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