CN106970376B - 可调谐多普勒频移装置及方法 - Google Patents

可调谐多普勒频移装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种可调谐多普勒频移装置及方法，该装置包括：第一调制器，其光输入端接收一角频率为ω1的第一激光，其射频输入端接收第一微波信号，用于将所述第一激光调制为角频率为ω2的第二激光并输出；以及第二调制器，其光输入端接收所述第二激光，其射频输入端接收第二微波信号，用于将所述第二激光调制为角频率为ω3的第三激光并输出。

Description

可调谐多普勒频移装置及方法
技术领域
本发明属于光电子领域，特别涉及基于一种可调谐多普勒频移装置及方法。
背景技术
具有宽带线性调节能力的窄线宽激光光源在合成孔径激光雷达、卫星通信、相干光通信、高分辨率光谱、微波信号的光学产生等前沿学科和高科技领域有重要的应用需求。举例来说，多普勒激光雷达系统广泛应用于军事和气象领域。多普勒雷达系统中通常采用边缘检测法得到所测目标的散射信号的频移量，为了判断频移方向，需要在测量光路中加上固定的频移，该频移量的大小决定了激光雷达最大测量速度。因此，如何做到对激光进行高精度、功率可调节的移频显得尤为重要。
发明内容
鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种可调谐多普勒频移装置及方法。
申请人发现由于光滤波器边沿并不完全陡峭，单次滤波进行小频率间隔移频时，载波和边带之间间隔过小，难以通过滤波分离，所以单次调制再滤波是无法实现小频率间隔频移的，本发明通过两次移频，可实现激光频率附近的小范围移频，另外通过改变激光器自身的参数(电流或温度)进行调谐，需要数十个振荡周期才能稳定输出，在稳定输出之前会有功率和频率的抖动，这种抖动会导致激光器的线宽展宽，激光器的噪声也会变大，而使用宽带调制器对激光进行载波抑制单边带调制，就可实现快速稳定的移频。
根据本发明的一个方面，提供了一种可调谐多普勒频移装置，包括：第一调制器，其光输入端接收一角频率为ω1的第一激光，其射频输入端接收第一微波信号，用于将所述第一激光调制为角频率为ω2的第二激光并输出；以及第二调制器，其光输入端接收所述第二激光，其射频输入端接收第二微波信号，用于将所述第二激光调制为角频率为ω3的第三激光并输出。
根据本发明的另一方面，提供了一种可调谐多普勒频移方法，包括以下步骤：采用第一调制器利用第一微波信号将角频率为ω1的第一激光调制为角频率为ω2的第二激光并输出；以及采用第二调制器利用第二微波信号将角频率为ω2的第二激光调制为角频率为ω3的第三激光并输出。
从上述技术方案可以看出，本发明至少具有以下有益效果之一：
(1)通过两次移频，可实现激光频率附近的小范围移频；
(2)利用载波抑制单边带调制对激光进行移频，实现快速稳定的调频并最大程度上保留有效功率，通过控制可调谐微波源输出微波频率随时间线性变化，实现窄线宽激光输出频率的线性可调谐；
(3)设置滤波器去除非频移激光。
附图说明
图1为本发明一实施例可调谐多普勒频移装置的结构示意图；
图2为本发明另一实施例可调谐多普勒频移方法的频移示意图；
图3为本发明另一实施例可调谐多普勒频移方法的流程图。
具体实施方式
本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供一种可调谐多普勒频移装置，包括：第一调制器，其光输入端接收一角频率为ω1的第一激光，其射频输入端接收第一微波信号，用于将所述第一激光调制为角频率为ω2的第二激光并输出；以及第二调制器，其光输入端接收所述第二激光，其射频输入端接收第二微波信号，用于将所述第二激光调制为角频率为ω3的第三激光并输出，通过两次移频，可实现激光频率附近的小范围移频。
图1为本发明一实施例的可调谐多普勒频移装置的结构示意图，如图1所示，可调谐多普勒频移装置10包括：激光源1、第一可调微波源2、第一调制器3、第一光滤波器4、光放大器5、可调光衰减器6、第二可调微波源7、第二调制器8以及第二光滤波器9。
其中激光源1是半导体激光器或者光纤激光器，输出激光角频率为ω1，第一可调微波源2，输出第一微波信号角频率为ω0，第一调制器3，其光输入端与激光器1的输出端相接，其射频输入端与第一可调微波源2的输出端相接，用于将从激光源1产生的激光信号的能量由ω1移动到ω2＝ω1+ω0，本实施例中第一调制器3采用双平衡马赫曾德尔调制器(DPMZM)，来对激光信号进行载波抑制单边带调制，最大程度上保留有效功率，只需控制可调谐微波源输出微波频率随时间线性变化，就可以实现窄线宽激光输出频率的线性可调谐，并且利用载波抑制单边带调制对激光进行移频，可实现大范围内的调频，调频范围与所使用调制器的带宽相关，对于调制器来说，可达数十吉赫兹(GHz)。在其他实施例中第一调制器3还可以采用强度调制器、相位调制器或者偏振调制器均能获得相似的效果，但在激光能量利用率上比DPMZM要差。第一光滤波器4，其输入端与第一调制器3的输出端相接，用于将光谱中除了ω2的所有分量滤除，实现激光信号角频率频移至ω2。
光放大器5，其输入端与第一光滤波器4的输出端相接，用于将滤波之后的激光进行放大，得到放大后的角频率为ω2的激光，可调光衰减器6的输入端与光放大器5的输出端相接，用于调节角频率为ω2的激光的功率，将角频率为ω2的激光的功率调节至合适大小，并间接实现可调谐多普勒频移装置最后输出激光信号的功率调节，光放大器5和可调光衰减器6共同构成功率控制模块，用于控制激光信号的功率；
第二可调微波源7，用于产生可调频率为ω0±ωm的第二微波信号，第二调制器8，其光输入端与可调光衰减器6的输出端相接，其射频输入端与第二可调微波源7的输出端相接，其用于进行载波抑制单边带调制，将从可调光衰减器6出射激光的能量由ω2移动至ω3＝ω1±ωm处，本实施例中第二调制器8亦采用双平衡马赫曾德尔调制器(DPMZM)，来对激光信号进行载波抑制单边带调制，最大程度上保留有效功率，只需控制可调谐微波源输出微波频率随时间线性变化，就可以实现窄线宽激光输出频率的线性可调谐。在其他实施例中第二调制器8还可以采用强度调制器、相位调制器或者偏振调制器。第二光滤波器9，其光输入端与第二调制器8的光输出端相接，用于滤除光谱上角频率除开ω3的所有频率分量，最终输出角频率为ω3的激光，实现激光信号角频率频移至ω3，ω3可以与ω1相差较小，即实现了小频率间隔移频。
本发明中，第一光滤波器4、第二光滤波器9、光放大器5以及可调光衰减器6均不是必须的，在其他实施例中，该些部件可以选择性省略或更换设置位置，例如光放大器5以及可调光衰减器6可以设置在第二光滤波器9之后用于控制第三激光的输出功率。
在本发明的其他实施例中，载波抑制单边带调制方式也可以换成相位调制、强度调制和载波抑制双边带调制等。
本发明另一实施例提供一种可调谐多普勒频移方法，图2为本发明另一实施例可调谐多普勒频移方法中频率改变示意图，图3本发明另一实施例可调谐多普勒频移方法流程图，该可调谐多普勒频移方法为利用上述该些实施例提供的可调谐多普勒频移装置，具体包括以下步骤，如图2、3所示：
S101：采用第一调制器利用第一微波信号将角频率为ω1的第一激光调制为角频率为ω2的第二激光并输出；
S102：滤除角频率为ω2的第二激光以外的其他分量；
S103：调节第二激光的功率；
S104：采用第二调制器利用第二微波信号将角频率为ω2的第二激光调制为角频率为ω3的第三激光并输出；
S105：滤除角频率为ω3的第三激光以外的其他分量。
本实施例中功率调节步骤用于调节第二激光的功率，在其他实施例中可以采用调节第三激光的功率来代替。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (7)

1.一种可调谐多普勒频移装置，其特征在于，包括：
第一调制器，其光输入端接收一角频率为ω1的第一激光，其射频输入端接收第一微波信号，用于将所述第一激光调制为角频率为ω2的第二激光并输出；
第二调制器，其光输入端接收所述第二激光，其射频输入端接收第二微波信号，用于将所述第二激光调制为角频率为ω3的第三激光并输出，
第一光滤波器，接收所述第一调制器的输出，滤除角频率为ω2的第二激光以外的其他分量；以及
第二光滤波器，接收所述第二调制器的输出，滤除角频率为ω3的第三激光以外的其他分量，
其中，所述第一微波信号角频率为ω0，所述第二激光角频率ω2＝ω1+ω0，以及所述第二微波信号角频率为ω0±ωm，所述第三激光角频率ω3＝ω1±ωm。
2.根据权利要求1所述的可调谐多普勒频移装置，其特征在于，所述第一调制器与第二调制器中至少一个为双平衡马赫曾德尔调制器；和/或
所述第一调制器与第二调制器中至少一个采用载波抑制单边带调制方式。
3.根据权利要求1所述的可调谐多普勒频移装置，其特征在于，还包括：
激光源，用于输出所述第一激光；
第一可调微波源，用于输出所述第一微波信号；和/或
第二可调微波源，用于输出所述第二微波信号。
4.根据权利要求1所述的可调谐多普勒频移装置，其特征在于，还包括：
功率控制模块，设置在两调制器之间和/或第二调制器后，用于控制所述第二激光和/或第三激光的功率。
5.根据权利要求4所述的可调谐多普勒频移装置，其特征在于，所述功率控制模块包括光放大器和/或可调光衰减器。
6.一种可调谐多普勒频移方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用第一调制器利用第一微波信号将角频率为ω1的第一激光调制为角频率为ω2的第二激光并输出；
滤除角频率为ω2的第二激光以外的其他分量；
采用第二调制器利用第二微波信号将角频率为ω2的第二激光调制为角频率为ω3的第三激光并输出；
滤除角频率为ω3的第三激光以外的其他分量，
其中，所述第一微波信号角频率为ω0，所述第二激光角频率ω2＝ω1+ω0，以及所述第二微波信号角频率为ω0±ωm，所述第三激光角频率ω3＝ω1±ωm。
7.根据权利要求6所述的可调谐多普勒频移方法，其特征在于：在至少一滤波步骤之后，调整滤波后激光功率。
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