CN106547120B - 超宽光谱范围线性扫频光源的光频梳多段光波拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽光谱范围线性扫频光源的光频梳多段光波拼接方法，步骤一、利用从单边带光调制器输出的多波长光频梳光波的光频率随时间线性变化实现多波长线性扫频，产生包含多波长同时线性扫频信号的连续光；步骤二、将上述的连续光信号通过电控可调谐滤波器，调节滤波器带宽，使得中心频率变化速率与扫频光波的扫频速率相同，以光扫频速率γ的速率随时间线性变化，直到中心频率达到υ₁+(N‑1)Δf，中心频率初始值与最小的扫频光频率相等，获得超宽光谱范围的线性扫频光波。与现有技术相比，本发明从根本上回避激光驰豫振荡的影响，能够实现极高速度的线性扫频速率，保证高扫频线性度和高频率精度的扫频光源。

Description

超宽光谱范围线性扫频光源的光频梳多段光波拼接方法

技术领域

本发明涉及激光雷达、光学相干层析和光谱分析技术领域，特别是涉及一种超宽光谱范围线性扫频光源的光频梳多段光波拼接方案。

背景技术

在激光雷达(LiDAR)系统、光学相干层析(OCT)成像系统以及新型的超高分辨率光谱分析仪(OSA)中，都需要一种特殊的光源或激光系统，要求光源能够输出频率随着时间线性变化的强度恒定的连续光波，而且频率变化的范围越大越好，同时要保持极高的线性度和频率精度。

在LiDAR系统中，最早是采用脉冲光源，由于提高距离分辨率的需求，人们必须不断地减小脉冲宽度，最终导致回波脉冲的能量过小，淹没在噪声中了。因此人们改用强度恒定的、光频率与时间成线性变化得长脉冲，这样可以克服回波能量过小的问题。但是在长脉冲工作模式下，距离分辨率能力与线性扫频范围成正比。一般扫频范围超过150GHz时，理论上可以实现1mm的距离分辨率。

用一般的激光器腔内调制技术虽然可以在大的频率范围内实现扫频输出的，但是由于腔内调制技术无法回避激光驰豫振荡效应的影响，因此当扫频速率增加时，扫频的线性度和精度严重恶化，限制了扫频光源的应用。有一些研究小组在腔内调制产生线性扫频系统的基础上，增加了一个腔外反馈光电子回路，来改善和提高扫频的线性度和频率精度[1-3]，但是仍然不能从根本上解决激光驰豫振荡效应在高速扫频过程中的影响，因此这种方案不能进行极高速度的精密扫频。

在OCT系统中，宽光谱范围的窄线宽的扫频光源是保障成像深度和成像分辨率的关键指标。近几年发展起来的傅里叶频域锁模技术[4]，以及改进的扫频光源也是属于腔内调谐外加腔外处理技术的结合体[5]，同样也遇到相同的问题，就是当扫频速率增加时，无法在整个扫频范围内，均得到一致的频率线性度和高频率精度的输出。

对于新兴的干涉型OSA，它的工作原理可以使得它的光谱分析的分辨率突破传统光栅型OSA的衍射极限，实现超高分辨率的实时光谱分析。这类OSA需要内置一台超宽范围、窄线宽的扫频光源，其中扫频的线性度和频率精度直接关系到光谱仪的最终输出的光谱数据的准确度和精度，当然扫频速率和扫频范围，也是OSA的关键指标，直接决定OSA的应用范围。

综上所述，宽光谱范围线性连续扫频光源在国防安全、生物医学、科学研究中有着不可或缺的应用。特别是在高分辨率激光雷达发射信号的产生、干涉型光谱分析的光谱信息高分辨能力、光学相干层析成像的这三种精密测量应用中，宽光谱范围线性扫频光源的扫频宽度和线性度决定了以上三种应用的测量精度和测量范围，因此实现超范围严格线性扫频光源是一项亟待解决的技术难题。已经公开发表的主流技术是腔内调制技术加光电子反馈技术，当扫频速度提高时，无法回避激光器固有的驰豫振荡效应，因此不能同时实现超宽范围，高线性度和高精度等各项关键指标。

现有的拼接技术大多采用阵列光学器件，阵列器件缺陷是阵列个数N增加时器件成本快速增加，产品良品率急剧下降，所以采用大型阵列光学器件扩展扫频光范围是很难实现的。我们提出的多段线性扫频光波的拼接方法，不需要大型阵列光学器件，例如波导阵列光栅AWG、光延迟线阵列、光开关阵列，就可以实现超宽范围的多段线性扫频光波的无缝拼接，形成超宽范围的线性扫频光波输出。

本发明所利用的产生超宽范围线性扫频光源技术主要是外腔固定频移技术、线性扫频技术以及光频梳多段光波拼接技术。其中外腔固定频移技术是利用单边带(SSB)光调制器的调制特性，用固定频率的射频(RF)电信号驱动SSB调制器，实现光载波的频率以一个固定的频率进行改变，这个频率改变量等于RF电信号的频率。线性扫频技术中加载在SSB调制器上的RF电信号的频率不是固定的，而是随时间线性变化的，即驱动SSB调制器的RF电信号是频率线性啁啾信号，根据SSB调制器的工作原理，通过SSB调制器是的光载波频率也将随时间线性变化，从而实现光频率线性扫频输出。但是加载在SSB调制器上的线性扫频电信号的扫频范围一般只能达到10GHz左右，因此光载波的频率变化范围也只能在10GHz量级，远远达不到超宽范围(大于150GHz)的要求，因此我们需要将多段线性扫频的光波无缝拼接起来，形成超宽范围的线性扫频光波，这种拼接技术已经有以下三种方案，但是它们都存在各种不足。

方案一：光频梳光源、阵列波导光栅(AWG)和光纤延迟线阵列方案

如图1所示，用单纵模多波长激光器产生多波长连续光，各个波长分别记为λ₁，λ₂，λ₃，……，λ_N(波长随下标N的增加而递减)，对应的光频率记υ₁，υ₂，υ₃，……，υ_N(光频率随下标N的增加而等间隔递增，频率间隔为Δf，这样的光输出也叫做连续光光频梳；包含上述N个波长分量的连续光通过一个加载开门电脉冲信号的光强度调制器，形成周期为T脉冲宽度为Δt的开门光脉冲序列，再经过AWG实现N个波长的空间分离，用紧随AWG的光纤延迟线阵列，通过调节光纤长度，分别对多波长的开门脉冲序列进行不同时间间隔的延迟。比如，令光频率最小、波长最长的λ₁光脉冲的延时为0，波长为λ₂的光脉冲延时必须为Δt，与开门脉冲的宽度相等。同理，波长为λ₃的光脉冲延时必须为2Δt，是开门脉冲的宽度的2倍，以此类推，直到对光频率最大、波长最短的λ_N光脉冲的延时为(N-1)Δt为止，形成一个脉冲宽度为NΔt的长脉冲。最后，将长脉冲光送入SSB调制器进行实时地线性扫频变换，最终输出频率同时间成线性变化的长脉冲输出，从而实现宽带线性扫频光源。

该方案在功能上是实现多段光波无缝拼接的最直接的方法，最终产生频率线性啁啾的长脉冲序列，但是存在AWG的通道数目和工作温度都受到限制，光纤延迟线阵列对光纤长度控制的苛刻要求，以及二者之间的光耦合带来的光损耗，系统占用体积大，不易于集成化这些缺点。这些缺点降低了这套方案的实际应用价值。

方案二：单波长光源和光纤环循环频移方案

为了避免方案一中采用AWG和光纤延迟线阵列带来的种种问题，可以采用光纤环单波长循环频移来实现多段线性扫频光波的无缝衔接。

如图2所示，从单纵模激光器出射的频率为v的单频连续光，经过光强度调制器后，成为脉冲光，脉冲的宽度由加载在光强度调制器上的射频脉冲电信号决定，其中电信号是周期为T、脉冲宽度为Δt的方波脉冲序列。然后将光脉冲序列依次送入一个光纤环结构进行固定频移，光纤环由SSB调制器、光放大器、光滤波器和延时光纤组成。光纤环必须满足两个条件：第一，光纤环的长度必须使光循环一周的时间与序列光脉冲的宽度Δt相等；第二，加载在SSB调制器上的电信号是一个频率恒定的正弦信号，这个频率必须与需要连接的多段扫频光波的单次扫频范围相等。光纤环内的滤波器是用来限制光纤环循环次数的，从而限制最终线性扫频范围。阶跃移频的脉冲光依次进入第二个的SSB调制器进行实时地线性扫频变换，最终输出频率与时间成线性变化的长脉冲输出，从而实现了多段线性扫频光波的无缝衔接，最终得到宽带线性扫频光波输出。

此方案与方案一相比较，不仅回避了光纤延迟线阵列和AWG带来的问题，还巧妙地使得多段线性扫频光波无缝拼接起来，而且系统简洁紧凑。但是这个方案的实现对时序控制要求较高，并且在循环过程中噪声产生积累使得循环次数受到限制，从而限制了能够进行无缝拼接的线性扫频光波的数目，难以实现超宽光谱范围线性扫频光源。

方案三：光频梳光源和光开关阵列方案

为了回避方案二中的循环频移产生的噪声积累的缺陷，本方案通过依次接通的光开关阵列和多波长光源实现多段线性扫频光波无缝拼接。

如图3所示，单纵模多波长激光器输出的多波长连续光的各个波长分别记为λ₁，λ₂，λ₃，……，λ_N(波长随下标N的增加而递减)，对应的光频率记为υ₁，υ₂，υ₃，……，υ_N(光频率随下标N的增加而等间隔递增，频率间隔为Δf)。这N个波长连续光通过交错复用器后分成两路，奇数波长的光和偶数波长的光分别由两组阵列波导光栅和阵列光开关交替控制，进入相应的SSB调制器进行线性扫频变换，最后通过耦合器来实现两组线性扫频光波的无缝拼接。

虽然方案三回避了方案一中的体积庞大的光纤延迟线阵列，还回避了方案二中多次循环光纤环带来的噪声累积。因此本方案可以大大提升系统的信噪比；但是该方案仍受到AWG损耗大、光开关阵列的开关个数少的限制，从而限制了能够进行无缝拼接的线性扫频光波的数目，难以实现超宽光谱范围线性扫频光源。

参考文献

[1]J.Wun,C.Wei,J.Chen,C.S.Goh,S.Y.Set,and J.Shi，“Photonic chirpedradio-frequency generator with ultra-fast sweeping rate and ultra-widesweeping range,”Optics Express,21(9),11475-11481(2013).

[2]N.Satyan,A.Vasilyev,G.A.Rakuljic,V.Leyva,and A.Yariv,“Precisecontrol of broadband frequency chirps using optoelectronic feedback,”OpticsExpress，17(18),15991-15999(2009).

[3]N.Satyan,A.Vasilyev,G.A.Rakuljic,J.O.White,and A.Yariv，“Phase-locking and coherent power combining of broadband linearly chirped opticalwaves,”Optics Express，20(23),25213-25227(2012).

[4]R.Huber,M.Wojtkowski,and J.G.Fujimoto,“Fourier Domain Mode Locking(FDML):A new laser operating regime and applications for optical coherencetomography,”Optics Express,14(8):3225-37(2006).

[5]Hwi Don Lee,Myung Yung Jeong，Chang-Seok Kim，Jun Geun Shin，ByeongHa Lee and Tae Joong Eom,“Linearly Wavenumber-Swept Active Mode LockingShort-Cavity Fiber Laser for In-Vivo OCTImaging,”IEEE Journal of SelectedTopics in Quantum Electronics,20(5):433-440(2014).

发明内容

基于现有技术，本发明提出了一种超宽光谱范围线性扫频光源的光频梳多段光波拼接方案。

本发明提出了一种超宽光谱范围线性扫频光源的光频梳多段光波拼接方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用从单边带光调制器输出的多波长光频梳光波的光频率随时间线性变化实现多波长线性扫频，产生包含多波长同时线性扫频信号的连续光，多波长光频梳的梳齿初始频率为v₁，v₂，v₃...v_N，以这些梳齿为光载波，调制加载上锯齿波型调频信号，这些输出的光信号的频率发生周期性扫频变化；对于这些梳齿输出的扫频变化的描述是：光频梳中第n个梳齿的频率初始为υ_n，将在频率υ_n和频率υ_n+1(υ_n+Δf＝υ_n+1)之间锯齿形周期线性变化，Δt为变化周期，也就是加载的电扫频信号的周期，Δf是加载在单边带光调制器上的射频电信号的扫频范围，同时也是光频梳的频率间隔，Δf满足γ×Δt＝Δf；γ是加载的扫频信号的频率扫描速率；

步骤二、将上述的连续光信号通过电控可调谐滤波器，调节滤波器带宽，使其满足小于2Δf；当滤波器的中心频率从υ₁开始，使得中心频率变化速率与扫频光波的扫频速率相同，以光扫频速率γ的速率随时间线性变化，直到中心频率达到υ₁+(N-1)Δf，中心频率初始值与最小的扫频光频率相等，获得超宽光谱范围的线性扫频光波。

与现有技术相比，本发明采用外腔调制技术来保证高扫频线性度和高频率精度的扫频光源，从根本上回避激光驰豫振荡的影响，因此能够实现极高速度的线性扫频速率；同时利用光频梳技术实现宽光谱范围的线性扫频。

附图说明

图1为背景技术中方案一原理示意图；

图2为背景技术中方案二原理示意图；

图3为背景技术中方案三原理示意图；

图4为本发明的方案原理示意图；

图5为多波长线性扫频技术原理。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例作进行详细描述。

本发明的超宽光谱范围线性扫频光源的光频梳多段光波拼接方法，采用精确光移频技术，光移频间隔最小可以达到或小于0.1pm，使得光谱仪的分辨能力不再单纯受限于光色散元件(光栅或棱镜)的色散能力以及CCD接收器的分辨能力(像素单元的大小)的限制，从而使光谱分辨能力提高两个数量级，或更高。

如图4所示，本发明技术方案具体包括以下步骤：

步骤1、利用单边带光调制器实现多波长线性扫频

单边带光调制器(SSB)是扫频电信号驱动的光调制器，当光频率为υ₁，υ₂，υ₃，……，υ_N(光频率随下标N的增加而等间隔递增，频率间隔为Δf)的多波长光(或光频梳光波，光频梳梳齿的总个数为N)进入SSB调制器调制后，如果加载在SSB上的射频锯齿形周期扫频信号频率随时间线性变化时，电信号的频率与时间的关系描述为：

f_mod(t，n)＝γ[t-(n-1)Δt]，(n-1)Δt≤t≤nΔt，n＝1，2，3，......，

其中γ为扫频信号的扫频速率，t是时间变量，Δt是信号周期，n∈N。

从SSB输出的多波长(或光频梳光波)光频率随时间线性变化，分别为υ₁+f_mod，υ₂+f_mod，υ₃+f_mod，……，υ_N+f_mod，f_mod是加载的电信号的频率，由这里上式f_mod(n，t)给出。它需满足γ×Δt＝Δf，Δf是加载在SSB上的射频电信号的扫频范围，也是光频梳的多波长间隔，从而使得光频梳中频率为υ₁的梳齿以Δt为周期，频率在υ₁和υ₂(υ₁+Δf＝υ₂)之间线性变化，频率为υ₂的梳齿以Δt为周期，频率在υ₂和υ₃(υ₂+Δf＝v₃)之间线性变化，等等，依次类推，光频梳中频率为υ_n的梳齿也以Δt为周期，频率在υ_n和υ_n+1(υ_n+Δf＝υ_n+1)之间线性变化。如图5所示。利用SSB光调制器的频移原理，将上述多波长光波经过SSB调制器变换后，使得各个波长的频率同步随时间线性变化，即实现多波长光波同步扫频，这是实现多段线性扫频光波拼接技术的前提。

2、基于电控可调谐滤波器的多段线性扫频光波拼接

电控可调谐滤波器是指由电信号控制滤波带宽B的大小和中心频率f的大小，通过给滤波器加载控制电压，使得中心频率f(t)满足线性关系f(t)＝a+bt，其中初始频率a＝υ₁，υ₁是多波长光频梳的第一个梳齿的初始光载波频率；滤波器的频率调谐速率b＝γ，γ为加载的锯齿形周期扫频电信号的扫频速率；滤波带宽B小于2Δf，Δf为光频梳的频率间隔。

从上述关系可以看出，电控可调谐滤波器的中心频率随时间线性变化，变化速率和光扫频速率严格相等，且滤波器带宽须小于2Δf，则当滤波器的中心频率从υ₁开始，以γ的速率随时间线性变化，直到中心频率达到υ₁+(N-1)Δf，就在超宽带范围内(NΔf)实现了频率随时间线性变化光波的实时输出，因此只要尽可能地增加光频梳的梳齿个数N，就可以更大限度地扩展线性扫频的范围。这种跟随滤波方案解决了多段线性扫频光波的无缝拼接问题，而且拼接的光波数目不受阵列器件指标的限制，因为滤波器的工作范围远远大于多波长(或光频梳)的频率范围。

通过设计滤波器的控制电信号可以将多波长同步扫频光的不同光频谱部分在时间上进行拼接，产生超宽光谱范围的线性扫频光源。

在上述技术方案中：

多波长连续光的各个波长分别记为λ₁，λ₂，λ₃，……，λ_N(波长随下标N的增加而递减)，对应的光频率记υ₁，υ₂，υ₃，……，υ_N光频率随下标N的增加而等间隔递增，频率间隔为Δf，这样的光输出也叫做连续光光频梳。

将包含上述N个波长分量的连续光信号进入SSB实现多波长同步线性扫频，从而产生包含多波长同时线性扫频信号的连续光。然后将该信号通过一个电控可调谐滤波器。通过调节可调谐滤波器带宽小于2Δf，中心频率变化速率与扫频光波的扫频速率相同，中心频率初始值与最小的扫频光频率相等，就能获得超宽光谱范围的线性扫频光波。

Claims (2)

1.一种超宽光谱范围线性扫频光源的光频梳多段光波拼接方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用从单边带光调制器输出的多波长光频梳光波的光频率随时间线性变化实现多波长线性扫频，产生包含多波长同时线性扫频信号的连续光，多波长光频梳的梳齿初始频率为v₁，v₂，v₃...v_N，以这些梳齿为光载波，调制加载上锯齿波型调频信号，这些输出的光信号的频率发生周期性扫频变化；对于这些梳齿输出的扫频变化的描述是：光频梳中第n个梳齿的频率初始为υ_n，将在频率v_n和频率v_n+1(v_n+Δf＝v_n+1)之间锯齿形周期线性变化，Δt为变化周期，也就是加载的电扫频信号的周期，Δf是加载在单边带光调制器上的射频电信号的扫频范围，同时也是光频梳的频率间隔，Δf满足γ×Δt＝Δf；γ是加载的扫频信号的频率扫描速率；

步骤二、将上述的连续光信号通过电控可调谐滤波器，调节滤波器带宽，使其满足小于2Δf；当滤波器的中心频率从υ₁开始，使得中心频率变化速率与扫频光波的扫频速率相同，以光扫频速率γ的速率随时间线性变化，直到中心频率达到υ₁+(N-1)Δf，中心频率初始值与最小的扫频光频率相等，获得超宽光谱范围的线性扫频光波。

2.如权利要求1所述的一种超宽光谱范围线性扫频光源的光频梳多段光波拼接方法，其特征在于，增加光频梳的梳齿个数N，实现线性扫频范围的扩展。