CN110401099A

CN110401099A - 一种基于光学滤波的光频梳平坦度控制方法

Info

Publication number: CN110401099A
Application number: CN201910620965.3A
Authority: CN
Inventors: 王超; 瞿鹏飞; 孙力军
Original assignee: CETC 24 Research Institute; CETC 44 Research Institute
Current assignee: CETC 24 Research Institute; CETC 44 Research Institute
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2019-11-01
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: CN110401099B

Abstract

本发明属于超快光学技术领域，具体为一种基于光学滤波的光频梳平坦度控制方法，包括采用分光器件将光频梳源进行分束；将其中一束光进行相位调制，产生正负频率边带，通过标准具滤波器后，产生与该具滤波器自由光谱范围相关的光信号，将光信号转化为射频信号；将另一束光按照光频梳的单根频率进行重复频率整数倍的相位调制，产生光频梳的高阶重频谐波信号；将高阶重频谐波信号作为参考信号，射频信号作为探测信号，通过PDH激光器稳频方法进行锁相，产生反馈误差信号进行调整，对光频梳与标准具滤波器的锁定；将剩余一束光通过标准具滤波器进行光谱形貌整型，优化光频梳齿的平坦度后直接输出。本发明能够有效输出高平坦度的高重频光频梳。

Description

一种基于光学滤波的光频梳平坦度控制方法

技术领域

本发明属于超快光学技术领域，具体涉及一种基于光学滤波的光频梳平坦度控制方法。

背景技术

飞秒光学频率梳具有超快的时间分辨率和超高的频率精度，为科学研究提供了更大的平台去研究和探索自然规律。同时，时-频域精密控制的飞秒光学频率梳中每一根光频“梳齿”均具有单纵模连续激光器的窄线宽特性，相当于拥有10⁵或10⁶个稳频连续激光器。经过十多年的发展，它已成为精密光谱测量、基础物理常数确定、天文测量以及量子光学操控等科学研究的理想光源，是当今光学领域前沿方向之一。

进一步，高重复频率光学频率梳具有宽的梳齿间隔(通过大于10GHz)和快的脉冲刷新速度，具有特殊的应用潜力，在天文光梳、信道化、光采样、无线光通讯以及任意波形产生领域有着广泛的应用前景，成为近年的研究热点。

由于重复频率过高，传统的光纤激光器、固体激光器等主被动锁模方式已经无法满足需求。因此，目前高重复频率光学频率梳的产生方式主要包括微腔、量子点锁模以及电级联调制等。几种方式各有优劣，微腔技术具有体积小和重复频率高的特性，但噪声较大，重复频率调谐范围有限；量子点锁模技术具有光谱宽和结构紧凑的优点，但重复频率调谐范围有限，与外参考光同步较困难；电级联调制技术具有重复频率调谐范围大，与外参考光同步方便的特性，但系统相对复杂。最重要的是，几种方式产生的高重复频率光学频率梳都具有对称的光谱曲线分布，但都存在平坦度较差这一特点，导致能利用的光谱成分有限，严重限制着高重复频率光学频率梳更广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于光学滤波的光学频率梳平坦度控制方法。该方法利用锁相环技术将光频梳梳齿与标准具滤波器进行锁定，同时利用标准具滤波特性形成光频梳谱曲线互补的传输曲线，有效实现光频梳平坦度的控制优化，该方法无需额外光源参考，结构简单，实时反馈标准具腔长，输出稳定、高平坦的高重频光频梳，可满足通讯、雷达、任意波信号产生、光AD采样和信道化等领域的应用。

本发明提出的一种基于光学滤波的光频梳平坦度控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

S1、采用分光器件将光频梳源进行分束，并分为三束光路；

S2、将其中一束光进行相位调制，产生正负频率边带，将其通过标准具滤波器后，产生与该具滤波器自由光谱范围相关的光信号，并将所述光信号转化为射频信号；

S3、将另一束光按照光频梳的单根频率进行重复频率整数倍的相位调制，产生光频梳的高阶重频谐波信号；

S4、将所述高阶重频谐波信号作为参考信号，将所述射频信号作为探测信号，通过PDH激光器稳频方法进行锁相，产生反馈误差信号进行调整，从而实现对光频梳与所述标准具滤波器的锁定；

S5、将剩余一束光通过所述标准具滤波器进行光谱形貌整型，优化光频梳齿的平坦度后直接输出。

进一步的，所述分光器件为分束比可调的光纤分束器或分光镜。

进一步的，步骤S2中，在进行相位调制之前还包括将该束光进行光滤波，滤出的单频连续光对应光频梳源的中心梳齿，并与标准具滤波器的透射率最低点相对应；再将滤出的单频连续光进行功率提升。

进一步的，步骤S3中，高阶重频谐波信号的阶数通过光频梳的平坦度进行调整，其对应的频率与标准具滤波器的自由光谱范围一致。

进一步的，步骤S4中，光频梳与所述标准具滤波器的锁定过程包括将反馈误差信号通过压电陶瓷驱动器进行幅度调整，驱动压电陶瓷从而对光频梳与标准具滤波器进行锁定。

本发明的有益效果：

1、基于锁相环技术将光频梳梳齿与标准具滤波器进行锁定，同时利用标准具滤波特性形成光频梳谱曲线互补的传输曲线，有效实现光频梳平坦度的控制优化，可以直接拓展应用于光频梳控制技术，得到稳定高平坦度的光频梳；

2、采用FP标准具光滤波装置，结构简单，可以通过改变腔镜透、反射系数，实现FP标准具不同的透射谱曲线对比度，产生光频梳谱曲线的互补传输曲线，实现不同初始平坦度光频梳的有效控制。

3、采用的FP标准具腔长小且可调，可实现高重频光频梳平坦度的控制优化，满足光学频率度量学、光通讯等特殊领域的需求；

4、采用的FP标准具工作波长可变，适用于不同波段的高重频光学频率梳，能够满足不同领域的需求；

5、采用的锁相控制技术无需额外光源参考，结构简单，可集成化，具有高稳定性；

6、采用的重频谐波信号调制结构，结构简单，操作方便，重频可连续调谐，灵活性大，可满足不同重频的光频梳平坦度控制应用。

附图说明

图1为本发明实施例中的方法流程图；

图2为本发明实施例中对应的系统框图；

图3为本发明实施例中射频信号的生成流程图；

图4为本发明实施例中重频谐波信号的生成流程图；

图5为本发明实施例中锁相过程示意图；

图6为本发明实施例中采用的设备示意图；

图7为本发明另一实施例中射频信号的生成流程图；

图8为本发明另一实施例中重频谐波信号的生成流程图；

图9为本发明另一实施例中采用的设备示意图；

图中，光频梳源100、分束模块200、光纤分束器201、分束镜202，204；全反镜203，205；相位调制模块300、光纤窄带滤波器301、光纤放大器302、相位调制器303、全反镜304，306，307、透射光栅305；重频谐波探测模块400、高速光电探测器401、射频带通滤波器402、射频放大器403、射频功分器404；标准具滤波模块500、光纤耦合FP标准具501、压电陶瓷502；锁相控制模块600、锁相放大器601、压电陶瓷驱动器602；锁相探测模块700、高速光电探测器701、射频滤波器702。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在一种实施例中，如图1所示，一种全光纤结构的基于光学滤波的光频梳平坦度控制方法，所述方法可包括以下步骤：

S1、采用分光器件将光频梳源进行分束，并分为三束光路；

本实施例还提供了一种用于应用上述控制方法的控制装置，如图2所示，该控制装置包括光频梳源100、分束模块200、相位调制模块300、重频谐波探测模块400、标准具滤波模块500、锁相控制模块600以及锁相探测模块700，光频梳源100输出端连接分束模块200输入端，分束模块200输出端分为三路：

第一路经过标准具滤波模块500直接输出；

第二路通过相位调制模块300和标准具滤波模块500后连接锁相探测模块700的输入端；

第三路经过重频谐波探测模块400后分别连接相位调制模块300和锁相控制模块600的射频输入端。

同时，锁相探测模块700输出端经锁相控制模块600后连接标准具滤波模块500的射频输入端，构成反馈闭环。

在一种实施例中，如图3所示，射频信号的生成流程图可采用如下过程：

S21、通过光纤窄带滤波器进行光滤波，滤出的单频连续光对应光频梳源的中心梳齿，与FP标准具的透射率最低点相对应；

S22、通过光纤放大器进行功率提升，再通过相位调制器作用产生正负频率边带；

S23、最后注入光纤耦合FP标准具后产生加载有正负频率边带和光纤耦合FP标准具自由光谱范围相关的光信号；

S24、通过高速光电探测器将该光信号转化为相应的射频信号。

在一种实施例中，如图4所示，重频谐波信号的生成过程可参考如下：

S31、通过高速光电探测器和射频带通滤波器产生光频梳的高阶重频谐波信号；

S32、通过射频放大器和射频功分器进行功率放大和分束；

S33、分别输出驱动相位调制器和连接锁相放大器。

在一种实施例中，如图5所示，锁相过程可参考如下：

S41、连接锁相放大器以重频谐波信号为参考信号；

S42、高速光电探测器输出的射频信号经射频滤波器滤波处理后作为探测信号输入锁相放大器；

S43、通过PDH的技术进行锁相处理，产生反馈误差信号并通过压电陶瓷驱动器进行幅度调整；

S44、驱动压电陶瓷实现光频梳与FP标准具的锁定。

在一个实施例中，用于应用上述控制方法的控制装置可参考如图6所示，在该控制装置中：

光频梳源100输出具有锁定绝对频率和稳定光谱曲线的多纵模激光，中心工作波段任意；

分束模块200为光纤分束器201；

相位调制模块300包括依次设置的光纤窄带滤波器301、光纤放大器302、相位调制器303；

重频谐波探测模块400包括依次设置的高速光电探测器401、射频带通滤波器402、射频放大器403、射频功分器404；

标准具滤波模块500包括依次设置的光纤耦合FP标准具501、压电陶瓷502；

锁相控制模块600包括依次设置的锁相放大器601、压电陶瓷驱动器602；

锁相探测模块700包括依次设置的高速光电探测器701、射频滤波器702。具体的连接关系是，光纤分束器201的输入端连接光频梳源100，输出分为三路：

第一路经过光纤耦合FP标准具501后直接输出；

第二路经过光纤窄带滤波器301、光纤放大器302、相位调制器303和光纤耦合FP标准具501后连接高速光电探测器701；

第三路连接高速光电探测器401输入端，高速光电探测器401的输出依次连接射频带通滤波器402、射频放大器403和射频功分器404后分为两路，分别连接相位调制器303和锁相放大器601；最后，高速光电探测器701的输出经过射频滤波器702后连接锁相放大器601，锁相放大器601的输出经过压电陶瓷驱动器602后连接压电陶瓷502。

可选的，光纤分束器201可以将激光分束，工作带宽较大，能保证所有光谱成份通过，同时分束比可调；

可选的，光纤窄带滤波器301可以滤取光频梳源的中心单频光；相位调制器303的工作带宽满足重频谐波的相位调制；射频带通滤波器402的中心频率对应重频高阶谐波并且阶数可调，优选10阶，当然本发明可以不限于10阶，可以为8阶、9阶、11阶等等。

可选的，压电陶瓷502粘贴在光纤耦合FP标准具501上，可以改变FP标准具的间距；光纤耦合FP标准具501可以调整精细度，产生与光频梳光谱曲线互补的传输曲线；锁相放大器601基于PDH的技术产生相应的误差信号。

光频梳源100输出多纵模激光进入光纤分束器201进行分束，第二路首先通过光纤窄带滤波器301进行光滤波，滤出的单频连续光对应光频梳源的中心梳齿，与FP标准具的透射率最低点相对应；然后通过光纤放大器302进行功率提升，再通过相位调制器303作用产生正负频率边带，最后注入光纤耦合FP标准具501后产生加载有正负频率边带和光纤耦合FP标准具501自由光谱范围相关的光信号，并通过高速光电探测器701转化为相应的射频信号。

第三路通过高速光电探测器401和射频带通滤波器402产生光频梳的高阶重频谐波信号(10阶)，重频谐波信号可根据光频梳平坦度调整阶数，但对应的频率与所述FP标准具的自由光谱范围一样；然后通过射频放大器403和射频功分器404进行功率放大和分束，最后分别输出驱动相位调制器303和连接锁相放大器601。

连接锁相放大器601以重频谐波信号(10阶)为参考信号，高速光电探测器701输出的射频信号经射频滤波器702滤波处理后作为探测信号输入锁相放大器601，通过PDH的技术进行锁相处理，产生反馈误差信号并通过压电陶瓷驱动器602进行幅度调整，最后驱动压电陶瓷502实现光频梳与FP标准具的锁定。

在以上的基础上，第一路连接光纤耦合FP标准具501进行光谱形貌整型，优化梳齿平坦度后直接输出，从而得到稳定高平坦的光频梳。

在另一种实施例中，如图7所示，射频信号的生成流程图可采用如下过程：

S210、分束镜透射出的第二路经过全反镜后进入透射光栅与全反镜组合成的可调滤波器进行光滤波；

S220、通过光纤放大器进行功率提升，再通过相位调制器作用产生正负频率边带；

S230、最后注入光纤耦合FP标准具后产生加载有正负频率边带和光纤耦合FP标准具自由光谱范围相关的光信号；

S240、通过高速光电探测器将该光信号转化为相应的射频信号。

在另一种实施例中，如图8所示，重频滤波信号的生成可采用如下过程：

S310、分束镜反射输出的第三路经过全反镜后进入高速光电探测器，并通过射频带通滤波器产生光频梳的高阶重频谐波信号；

S320、通过射频放大器和射频功分器进行功率放大和分束；

S330、分别输出驱动相位调制器和连接锁相放大器。

在另一个实施例中，用于实现上述控制方法的控制装置可参考如图9所示，在该控制装置中：

可选的，光频梳源100输出具有锁定绝对频率和稳定光谱曲线的多纵模激光，中心工作波段任意；

可选的，分束模块200包括依次设置的分束镜202，204、全反镜203，205；

可选的，相位调制模块300包括依次设置的全反镜304，306，307、透射光栅305、光纤放大器302、相位调制器303；

可选的，重频谐波探测模块400包括依次设置的高速光电探测器401、射频带通滤波器402、射频放大器403、射频功分器404；

可选的，标准具滤波模块500包括依次设置的光纤耦合FP标准具501、压电陶瓷502；

可选的，锁相控制模块600包括依次设置的锁相放大器601、压电陶瓷驱动器602；锁相探测模块700包括依次设置的高速光电探测器701、射频滤波器702。

其具体的连接关系可以是，分束镜202将空间输入的光频梳源100分成两路：反射部分进入高速光电探测器401，透射部分经过分束镜204再分为两路。其中，反射部分经过全反镜205、光纤耦合FP标准具501后直接输出；透射部分通过全反镜304进入透射光栅305与全反镜306构成的窄带滤波组合，再经过全反镜307、光纤放大器302、相位调制器303和光纤耦合FP标准具501后连接高速光电探测器701；高速光电探测器401的输出依次连接射频带通滤波器402、射频放大器403和射频功分器404后分为两路，分别连接相位调制器303和锁相放大器601。最后，高速光电探测器701的输出经过射频滤波器702后连接锁相放大器601，锁相放大器601的输出经过压电陶瓷驱动器602后连接压电陶瓷502。

分束器202、204可以将激光分束，工作带宽较大，能保证所有光谱成份通过，同时分束比均可调；全反镜203、205、304、306和307工作带宽大，反射率高(≥99％)，可以保证所有光谱成份通过；透射光栅305与全反镜306的间距可调，全反镜306的倾斜角度可变，该组合可以滤取光频梳源的中心单频光；相位调制器303的工作带宽满足重频谐波的相位调制；射频带通滤波器402的中心频率对应重频高阶谐波并阶数可调，优选10阶；压电陶瓷502粘贴在光纤耦合FP标准具501上，可以改变FP标准具的间距；光纤耦合FP标准具501可以调整精细度，产生与光频梳光谱曲线互补的传输曲线；锁相放大器601基于PDH的技术产生相应的误差信号。

光频梳源100输出多纵模激光进入分束镜202、204进行分束，分束镜204透射出的第二路首先经过全反镜304后进入透射光栅305与全反镜306组合成的可调滤波器进行光滤波，滤出的单频连续光对应光频梳源的中心梳齿，并与FP标准具的透射率最低点相对应；然后通过光纤放大器302进行功率提升，再通过相位调制器303作用产生正负频率边带，最后注入光纤耦合FP标准具501后产生加载有正负频率边带和光纤耦合FP标准具501自由光谱范围相关的光信号，并通过高速光电探测器701转化为相应的射频信号。

分束镜202反射输出的第三路经过全反镜203后进入高速光电探测器401，并通过射频带通滤波器402产生光频梳的高阶重频谐波信号(10阶)，重频谐波信号可根据光频梳平坦度调整阶数，但对应的频率与所述FP标准具的自由光谱范围一样；然后通过射频放大器403和射频功分器404进行功率放大和分束，最后分别输出驱动相位调制器303和连接锁相放大器601。

连接锁相放大器601以步骤2中的重频谐波信号(10阶)为参考信号，高速光电探测器701输出的射频信号经射频滤波器702滤波处理后作为探测信号输入锁相放大器601，通过PDH的技术进行锁相处理，产生反馈误差信号并通过压电陶瓷驱动器602进行幅度调整，最后驱动压电陶瓷502实现光频梳与FP标准具的锁定。

基于上述过程，第一路连接光纤耦合FP标准具501进行光谱形貌整型，优化梳齿平坦度后直接输出，从而得到稳定高平坦的光频梳。

本发明利用锁相环技术将光频梳梳齿与标准具滤波器进行锁定，同时利用标准具滤波特性形成光频梳谱曲线互补的传输曲线，有效实现光频梳平坦度的控制优化，该方法无需额外光源参考，结构简单，实时反馈技术成熟，同时采用的FP标准具光滤波装置具有结构简单，参数调节灵活等优点，可实现不同初始平坦度，不同重复频率光频梳的有效控制，可满足通讯、雷达、任意波信号产生、光AD采样和信道化等领域的应用。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于光学滤波的光频梳平坦度控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

S1、采用分光器件将光频梳源进行分束，并分为三束光路；

2.根据权利要求1所述的一种基于光学滤波的光频梳平坦度控制方法，其特征在于，所述分光器件为分束比可调的光纤分束器或分束镜。

3.根据权利要求1所述的一种基于光学滤波的光频梳平坦度控制方法，其特征在于，步骤S2中，在进行相位调制之前还包括将该束光进行光滤波，滤出的单频连续光对应光频梳源的中心梳齿，并与标准具滤波器的透射率最低点相对应；再将滤出的单频连续光进行功率提升。

4.根据权利要求1所述的一种基于光学滤波的光频梳平坦度控制方法，其特征在于，步骤S3中，高阶重频谐波信号的阶数通过光频梳的平坦度进行调整，其对应的频率与标准具滤波器的自由光谱范围一致。

5.根据权利要求1所述的一种基于光学滤波的光频梳平坦度控制方法，其特征在于，步骤S4中，光频梳与所述标准具滤波器的锁定过程包括将反馈误差信号通过压电陶瓷驱动器进行幅度调整，驱动压电陶瓷从而对光频梳与标准具滤波器进行锁定。