CN109856823A - 一种波长扫描光源系统及其波长调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波长扫描光源系统及其波长调谐方法，其技术特点在于：包括利特罗式反射光栅、变形棱镜组合、平凹柱面透镜、高速电光偏转器、偏振片、保偏单模光纤、助推光学放大器和光电探测器。本发明能够在1550nm波长附近，实现超过80nm的宽谱调谐范围，并能够极大减小光束输出功率和波长线宽的浮动，且能够实现稳定的高功率输出，输出功率高达100mW。

Description

一种波长扫描光源系统及其波长调谐方法

技术领域

本发明属于波长扫描光源技术领域，尤其是一种波长扫描光源系统及其波长调谐方法。

背景技术

紧凑、灵活、高功率的波长扫描光源是通信、光学相干层析成像、显示、遥感等领域的关键器件。目前，在相对较宽的光谱范围内，实现高功率和高速连续激光调谐(要求激光功率和波长波动较小)存在技术挑战。虽然，具有波长选择的外腔激光器能够提供一定调谐范围的激光输出，但是，这些激光器大多采用速度慢，波长选择精度低的机械扫描方法，并且输出的光束功率和波长线宽波动幅度较大。

电光元件的诞生使得高速波长扫描器得以实现。电光元件通过改变光的偏振、强度或相位，能够实现快速、精确地控制光的状态，因此在光通信、激光和传感等领域有着广泛的应用。另外，在施加电压或者电场的情况下，电光元件能够产生折射率变化，这一现象被称为电光效应。在电光元件的应用中，该效应用于使光束发生偏转，从而改变光束的传播方向。人们利用这一特性，制成了具有快速时间响应的电光晶体光束偏转器。虽然，利用电光晶体做成的光束偏转器具有快速的时间响应，但它们仅能够将光束偏转至一个很有限的小角度即可调谐的范围太小。近年来，钽铌酸钾晶体已被研究出许多潜在的应用，包括能制成高速偏转器，电光调制器，光折变光针，和能进行无尺度光学和无衍射光波传输。由于在相变点附近具有巨大的电光系数，钽铌酸钾晶体在低的驱动电压下能够使光束偏转至一个较大的角度。这是非常有用的光谱调谐和波长选择的应用。2016年，YuzoSasaki等人在波长1300nm处展示了一种结合电光KTN晶体的新扫描光源，用于光学相干断层的扫描。该新扫描光源重复扫描速率为200kHz，但其输出功率仅约20mW。综上所述，现有光源的缺陷在于光束的输出功率和波长线宽浮动大，波长调谐范围小和光源的输出功率低等。因此，如何减小调谐后光束的功率和波长线宽的浮动，提高波长的调谐范围以及实现高功率输出是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、输出功率和波长线宽浮动小、宽调谐范围、高功率输出的波长扫描光源系统及其波长调谐方法。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种波长扫描光源系统，包括利特罗式反射光栅、变形棱镜组合、平凹柱面透镜、高速电光偏转器、偏振片、第一保偏单模光纤、第二保偏单模光纤、助推光学放大器和光电探测器；所述助推光学放大器两端分别与第一保偏单模光纤和第二保偏单模光纤相连接，该助推光学放大器产生激光光束后依次经过第一保偏单模光纤和偏振片后，入射到高速电光偏转器，从高速电光偏转器出来后的光束再经过平凹柱面透镜后进入变形棱镜组合，之后光束入射到利特罗式反射光栅；

由利特罗式反射光栅反射回来的光束依次通过变形棱镜组合、平凹柱面透镜、高速电光偏转器、偏振片和第一保偏单模光纤重新入射到助推光学放大器，该光束经过第二保偏单模光纤后，入射到光电探测器，由光电探测器记录光束的功率、波长等信息。

而且，所述高速电光偏转器包括两侧涂有电极的钽铌酸钾晶体和安置在其下方的制冷片。

一种波长扫描光源系统及其波长调谐方法，包括以下步骤：

步骤1、记录初始的激光波长λ0和初始加在安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的高速电光偏转器两端的初始电压值V0；

步骤2、增加加在安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的高速电光偏转器两端的电压值，记录光电探测器探测出的波长信息；

步骤3、多次重复步骤2后，发现光电探测器探测到的波长不再随电压的变化而变化时，则一次完整的调谐结束；

步骤4、多次重复步骤1至步骤3，看是否能得到相同的结果，最后将记录的电压值和波长值绘在一个坐标里即可得到输出波长与施加电压的调谐关系曲线图。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明能够在1550nm波长附近，实现超过80nm的宽谱调谐范围。

2、本发明能够极大减小光束输出功率和波长线宽的浮动。

3、本发明能够实现稳定的高功率输出，输出功率高达100mW。

附图说明

图1为本发明的高功率波长扫描放大自发辐射光源系统的原理图；

图2为本发明的输出波长与施加电压的调谐关系曲线图；

图3(a)为本发明的不同的电流下，输出功率、波长线宽与输出波长的关系曲线图(没有变形棱镜组合时，光束的输出功率)；

图3(b)为本发明的不同的电流下，输出功率、波长线宽与输出波长的关系曲线图(有变形棱镜组合时，光束的输出功率)；

图3(c)为本发明的不同的电流下，输出功率、波长线宽与输出波长的关系曲线图(没有变形棱镜组合时，光谱的线宽)；

图3(d)为本发明的不同的电流下，输出功率、波长线宽与输出波长的关系曲线图(有变形棱镜组合时，光谱的线宽)；

图4为本发明的电流为500mA下，光束的输出波长和对应输出功率的关系曲线图；

图5为本发明的扫频波长范围与施加交流电压(方波和锯齿波)的依赖关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种基于光学放大器和快速电光波长选择单元的外腔波长扫描放大自发辐射光源系统，如图1所示，包括利特罗式反射光栅A、变形棱镜组合B、平凹柱面透镜C、高速电光偏转器D、偏振片E、第一保偏单模光纤F1和第二保偏单模光纤F2(F1和F2仅有长度区别)、助推光学放大器G和光电探测器H；助推光学放大器G的两端各连有一根保偏单模光纤(即图1中的F1和F2且F1—G—F2是一体的)。

其工作流程如下：首先，助推光学放大器产生1550nm的激光光束(沿X轴偏振)，之后该光束进入保偏单模光纤(即图1中的F1)，然后，由保偏单模光纤传出的光束，经过偏振片后，入射到高速电光偏转器，从高速电光偏转器出来后的光束再经过平凹柱面透镜后进入变形棱镜组合，之后光束入射到利特罗式反射光栅；

由利特罗式反射光栅反射回来的光束依次通过变形棱镜组合、平凹柱面透镜、高速电光偏转器、偏振片和保偏单模光纤(即图1中的F1)重新入射到助推光学放大器，最后，该光束经过保偏单模光纤(即图1中的F2)后，入射到光电探测器，由光电探测器记录光束的功率、波长等信息。

在本实施例中，所述高速电光偏转器D包括两侧涂有电极的钽铌酸钾晶体和安置在其下方的制冷片。

一种波长扫描光源系统及其波长调谐方法，包括以下步骤：

步骤1、记录初始的激光波长λ₀和初始加在安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的高速电光偏转器D两端的初始电压值V₀；

步骤2、增加加在安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的高速电光偏转器D两端的电压值，记录光电探测器H探测出的波长信息；

步骤3、多次重复步骤2后，发现光电探测器H探测到的波长不再随电压的变化而变化时，则一次完整的调谐结束；

步骤4、多次重复步骤1至步骤3，看是否能得到相同的结果，最后将记录的电压值和波长值绘在一个坐标里即可得到输出波长与施加电压的调谐关系曲线图。

下面对本发明的波长扫描光源系统的各个组件的功能作进一步说明：

A、利特罗式反射光栅(600/mm,1600nmblaze,GR13-0616,Thorlabs)，用于反射沿入射方向的光束；

B、变形棱镜组合(Thorlabs,PS872-C)，用于减少光束的输出功率和波长线宽的波动；

C、平凹柱面透镜，用于控制光束的某个特定方向上的尺寸；

D、安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的高速电光偏转器，在施加电压情况下，能使光束发生偏转；

E、偏振片，对光束具有遮蔽和透过的功能；

F、配有格林透镜的保偏单模光纤，即F1和F2，，能够保持光束的偏振态；

G、带有快速电光波长选择单元的助推光学放大器(BOA-6323,Covega)，用于激光的发射和光束的保偏放大；

H、高精度的光电探测器，用于探测光束的强度，功率，波长等信息。

本发明的波长扫描放大自发辐射光源运作过程为：

首先，由助推光学放大器G产生1550nm的激光光束(沿X轴偏振，该激光作为初始波长λ₀)，该光束进入至保偏单模光纤F1，其次，由保偏单模光纤F1传出的光束再经过偏振片E后，入射到基于钽铌酸钾晶体的高速电光偏转器D；(D中的钽铌酸钾(KTN)晶体事先需要220V的直流电压和100kHZ的锯齿波共同作用2小时，用于往KTN晶体里提前注入电子)，此时加在D两端的电压值为160V(即初始电压V₀)；

其次，从D出来后的光束经过平凹柱面透镜C(用于控制光束打在B上的光斑大小)后的光束进入变形棱镜组合B(用于拉长和整形光束)，之后光束入射到利特罗式反射光栅A；

其次，利特罗式反射光栅A具有反射功能，基于光栅衍射原理，当多个波长的准直光束入射到利特罗式反射光栅时，特定波长的光束经过该光栅后能够沿着入射方向返回，该反射回来的光束波长会因入射角度的不同而发生变化，反射回来的光束波长与光束入射到光栅时的角度满足方程(1)。

最后，由利特罗式反射光栅A反射回来的光束依次通过变形棱镜组合B、平凹柱面透镜C、高速电光偏转器D、偏振片E和保偏单模光纤F1重新入射到助推光学放大器G，该光学放大器能够以很大的增益放大反射回来的光束，再由光电探测器H记录放大后的光束信息。

在这些设置中使用的都是变形棱镜(索雷博，PS872-C)。

一种波长扫描光源系统及其波长调谐方法，包括以下步骤：

步骤1、记录初始的激光波长λ₀和初始加在安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的高速电光偏转器D两端的初始电压值V₀；

步骤2、增加加在安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的高速电光偏转器D两端的电压值(每次增加2V)，记录光电探测器H探测出的波长信息；

步骤3、多次重复步骤2后，发现光电探测器H探测到的波长不再随电压的变化而变化时(波长调谐达到饱和)，则一次完整的调谐结束；

步骤4、多次重复步骤1至步骤3，看是否能得到相同的结果，最后将记录的电压值和波长值绘在一个坐标里即可得到输出波长与施加电压的调谐关系曲线图，如图2所示。

图2为输出波长与施加电压的调谐关系曲线。多次实验测量也得到了一致的结果。我们通过施加不同的偏压值来研究波长调谐性能。实验前，我们用直流偏压和锯齿波共同作用KTN晶体，即提前往KTN晶体内部注入电子，并且该电子注入过程最终达到饱和与稳定。在这阶段，电荷密度eN(也就是注入电子)不再发生变化。由图2可以看出，输出波长与施加的电压成比例。初始波长设置在1550nm对应的初始电压压为160V。随着施加在D上的电压增大，输出的波长也在逐步增加。当电压达到250V时，输出波长为1600nm，对应于入射到光栅的偏转角度为28.7°。我们还给出了施加电压与输出波长的拟合直线关系：λ(V)＝1456+0.58×V，和方程(4)符合良好。我们多次实验也得到了一致的结果。

图3为不同的电流下，输出功率、波长线宽与输出波长的关系曲线。(a)没有变形棱镜组合时，光束的输出功率；(b)有变形棱镜组合时，光束的输出功率；(c)没有变形棱镜组合时，光谱的线宽；(d)有变形棱镜组合时，光谱的线宽；图3(a)和图3(b)是随着助推光学放大器工作电流的增加，光束输出功率增大。当电流增加到500mA时，输出光束功率可以超过100mW(即20dBm)。我们利用三个棱镜组合来拉长光束照射在光栅的凹槽的区域，由于这种设置，输出功率更加稳定，因为这组棱镜能提高光谱分辨率和增加放大光束的稳定性。由图3(b)可以看出：在波长从1540nm增加到1610nm过程中，输出功率的波动小于2.5dBm。另一方面，这个变形棱镜组合结构能够实现极大的稳定并且能够减少线宽。图3(d)可以看出：当电流从300mA增加到500mA过程中，线宽均小于0.5nm，更重要的是：线宽的浮动小于0.1nm。相比之下，移除三棱镜结构后，线宽浮动约为0.5nm如图3(c)。此外，我们的光源能够以相对低的噪声提供高质量的光束输出。

图4为电流为500mA下，光束的输出波长和对应输出功率的关系曲线。我们通过施加高频率电场，进一步研究了波长扫描放大自发辐射光源的波长扫描速度。瞬时的调谐速度v的表达式为v＝(λ_m-λ_m-1)/(t_m-t_m-1)，其中λ_m-λ_m-1表示局部波长间隔，为这测量两点的时间间隔。在实验中，我们利用220V直流电压和100KHZ的方波共同作用于KTN晶体上，目的是提前把电荷注入到KTN晶体内。若单纯施加直流电压，则电子无法在短时间内进入到KTN晶体里。实验中，我们在时间为t₀，选取的波长为1560.9nm的λ_m和在下一个时间为t₀+1.43得到了波长为1575.7nm的λ_m-1。因此，瞬时的调谐速度为v≈10⁷nm/s.。以上的时间间隔和波长间隔都能通过光电探测器精确获得。

图5为扫频波长范围与施加交流电压(方波和锯齿波)的依赖关系曲线。当在D两端施加交流电压时，我们记录了光束波长的变化范围即扫频波长范围。如图5所示，电压的峰峰值在80V之前，波长的变化范围随电压的增大而增加；而在100V以后，波长的变化范围保持不变，这是因为KTN晶体扫描器的电光效应已达到饱和，因此波长的变化范围保持不变，而此时的波长的变化范围即为该光源系统的最大调谐范围(KTN晶体偏转器工作在交流电压的情况)。

本发明的工作原理为:

该波长扫描放大自发辐射光源系统是基于光栅衍射原理和空间电荷控制的电光效应的原理设计而成。在该光源系统中，具有横隔线的利特罗式反射光栅用于选出输出波长。光栅选出的波长与入射到光栅时的夹角之间满足以下表达式：

λ_l＝a sin(Δθ+θ₀)， (1)

其中，θ₀为初始入射角度；a为光栅的结构参数；当Δθ很小(约为2°)，λ₁和Δθ则趋于线性关系。

为得到无机械的、输出波长的高速调谐，我们利用基于纯的钽铌酸钾晶体制成高速电光偏转器调节入射到光栅角度的增量，基于空间电荷控制的电光效应，通过钽铌酸钾晶体产生的巨大的光束偏转角度可以表示为：

其中，n₀为KTN晶体的初始折射率；g₁₁为KTN晶体的二次电光系数；e为电子电荷；L为光束与KTN晶体相互作用的长度；x为KTN晶体内部某一点到阴极(电极的一端)的距离；d为夹在KTN晶体两端电极之间的距离；ε为KTN晶体的相对介电常数；V为施加在KTN晶体两端的电压值；N为提前注入并存储在KTN晶体内电子阱中的电子密度。

在相比于1足够小的情况下，方程(2)是个近似公式。这里，我们选取eN的绝对值，因为电荷的来源主要是注入电子，并且eN为负值。

当光束入射到晶体的中心，光束偏转角度的表达式变为：

因此，Δθ＝Δβ(d/2)；

结合方程(1)和方程(3)，波长扫描放大自发辐射(ASE)光源输出的输出波长为：

其中，c为常数；V₀是入射到光栅的角度为θ₀对应的电压。

下面对方程(1)、(2)、(3)、(4)中的各个参数的含义归纳如下：

方程(1)中：θ₀为初始入射角度，即当电压为V₀时光束入射到利特罗式反射光栅A时的角度；a为利特罗式反射光栅A的结构参数；Δθ为入射角度的增量(以θ₀为参考)；λ₁为光栅选出的波长，即光源系统的输出波长；

方程(2)、(3)、(4)中：n₀为KTN晶体的初始折射率；g₁₁为KTN晶体的二次电光系数；e为电子电荷；L为光束与KTN晶体相互作用的长度；x为KTN晶体内部某一点到阴极(电极的一端)的距离；d为夹在KTN晶体两端电极之间的距离；ε为KTN晶体的相对介电常数；V为施加在KTN晶体两端的电压值；N为提前注入并存储在KTN晶体内电子阱中的电子密度。β(x)为到阴极的距离为x的某点(在KTN晶体内部的一点)，当施加在KTN晶体两端的电压为V时的光束偏转角度；V₀为施加在KTN晶体两端的初始电压值；λ(V)为在KTN晶体中心(即到阴极的距离为d/2)时，施加在KTN晶体两端的电压为V时的光束输出波长，即光源系统的输出波长；c为与a有关的常数。

本发明能够在1550nm波长附近，实现超过80nm的宽谱调谐范围。为实现宽谱调谐，我们采用纯的钽铌酸钾晶体(该晶体左右两个面均涂有银胶作为导电电极)作为高速电光偏转器的核心材料(因纯的钽铌酸钾晶体是目前电光系数最大的晶体，这一特点使其在理论上能够达到最宽的调谐范围)。我们通过在高速电光偏转器的两端施加不同值电压的方式调整光束入射到利特罗式反射光栅的角度(即方程(3)中的β(d/2))，由于光束的输出波长λ与入射到利特罗式反射光栅的入射角θ₀以及入射角的变化量Δθ满足方程(1)，而Δθ的值就是β(d/2)的变化量。因此，我们利用施加不同的电压值来改变Δθ(而Δθ与光束的输出波长λ满足方程(1))，进而达到对波长λ的变化量的控制即方程(4)。光束的波长调谐与施加电压的关系如图2所示。当施加的电压范围从160V变化到260V时，波长能够从1550nm变化到1610nm，且施加的电压与输出的波长满足线性关系λ(V)＝1456+0.58×V。当电压继续增大时，波长可调谐的范围将超过80nm。

本发明能够极大减小光束输出功率和波长线宽的浮动。在本光源系统中，我们采用变形棱镜组合来放大和拉长光束照射在光栅的凹槽的区域，由于这种设置，光束也能得到很好的整形缓冲和平稳的输出功率和平稳输出，因为这组棱镜能提高光谱分辨率和增加放大光束的稳定性。通过该变形棱镜组合，我们能够减小对光束输出功率和波长线宽的波动。图3为不同的电流下的光束输出特性。(a)没有变形棱镜组合时，光束的输出功率；(b)有变形棱镜组合时，光束的输出功率；(c)没有变形棱镜组合时，光谱的线宽；(d)有变形棱镜组合时，光谱的线宽；由图3(b)可以看出：在波长从1540nm增加到1610nm过程中，输出功率的波动小于2.5dBm。另一方面，这个变形棱镜组合结构能够实现极大的稳定并且能够减少线宽。图3(d)可以看出：当电流从300mA增加到500mA过程中，线宽均小于0.5nm，更重要的是：线宽的浮动小于0.1nm。相比之下，移除三棱镜结构后，线宽浮动约为0.5nm如图3(c)所示。

本发明能够实现稳定的高功率输出，输出功率高达100mW。该光源系统的输出功率远高于目前所报道的最高输出功率(20mW)。在该光源系统中，我们采用助推光学放大器(BOA)用于激光的发射和光束的保偏放大。BOA的增益、噪声(如图4)、频宽和饱和功率规格均优于半导体光学放大器，并且BOA的工作电压可调，使其工作电流在一个范围内可调，加上高速偏转器和利特罗式反射光栅的辅助，这使得整个光源系统的输出功率可调至一个较高的值。光源系统的输出功率与波长的关系如图3(a)、(b)所示。在测试的所有波长范围内，输出功率均能达到100mW(电流为500mA情况下)。图3(a)和图3(b)是随着BOA工作电流的增加，光束输出功率增大。当电流增加到500mA时，输出光束功率可以达到100mW(即20dBm,如图4)，另外，变形棱镜组合的使用使得输出的功率波动在一个很小的范围内(小于0.1nm)，进而真正实现稳定的高功率输出。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种波长扫描光源系统，其特征在于：包括利特罗式反射光栅、变形棱镜组合、平凹柱面透镜、高速电光偏转器、偏振片、第一保偏单模光纤、第二保偏单模光纤、助推光学放大器和光电探测器；所述助推光学放大器两端分别与第一保偏单模光纤和第二保偏单模光纤相连接，该助推光学放大器产生激光光束后依次经过第一保偏单模光纤和偏振片后，入射到高速电光偏转器，从高速电光偏转器出来后的光束再经过平凹柱面透镜后进入变形棱镜组合，之后光束入射到利特罗式反射光栅；

由利特罗式反射光栅反射回来的光束依次通过变形棱镜组合、平凹柱面透镜、高速电光偏转器、偏振片和第一保偏单模光纤重新入射到助推光学放大器，该光束经过第二保偏单模光纤后，入射到光电探测器，由光电探测器记录光束的功率、波长等信息。

2.根据权利要求1所述的一种波长扫描光源系统，其特征在于：所述高速电光偏转器包括两侧涂有电极的钽铌酸钾晶体和安置在其下方的制冷片。

3.如权利要求1或2所述的一种波长扫描光源系统的波长调谐方法，其特征在于：一种波长扫描光源系统及其波长调谐方法，包括以下步骤：

步骤1、记录初始的激光波长λ₀和初始加在安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的高速电光偏转器两端的初始电压值V₀；

步骤2、增加加在安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的高速电光偏转器两端的电压值，记录光电探测器探测出的波长信息；

步骤3、多次重复步骤2后，发现光电探测器探测到的波长不再随电压的变化而变化时，则一次完整的调谐结束；

步骤4、多次重复步骤1至步骤3，看是否能得到相同的结果，最后将记录的电压值和波长值绘在一个坐标里即可得到输出波长与施加电压的调谐关系曲线图。