CN111504456A - 一种精细光谱探测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精细光谱探测装置及方法，该装置包含一DFB激光器，两光纤耦合器、两相位调制器、两高频信号源、一光纤环形器、一光纤光栅、一高速光电探测器及一频谱分析仪；该方法是先采用DFB激光器输出单频激光，经一光纤耦合器分为两束，一束通过较高频率的相位调制后进行窄带滤波，获得与DFB光源存在一定波长偏移的激光；另一束受到较低频率的相位调制；然后通过另一光纤耦合器将两束激光合束形成拍频信号并传递到高速光电探测器，通过高速光电探测器将光信号转换为电信号，最后再传输到频谱分析仪，通过频谱分析仪可观察到与光谱对应的频谱。本发明优点是：避免了不同DFB激光器间频率抖动带来的影响，能形成稳定拍频信号，实现精细光谱探测。

Description

一种精细光谱探测装置及方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体的说是涉及一种精细光谱探测装置及方法。
背景技术
光谱是描述光能量在频域分布的参数，在光学应用里有着重要意义。对于宽带光谱，通常采用光谱分析仪进行检测，常用的光谱分析仪其分辨率通常大于0.02nm，对于小于分辨率的光谱无法实现精细测量。对于窄带光谱，通常采用法布里-珀罗干涉滤波器来检测，法布里-珀罗干涉滤波器其波长分辨率可达pm量级，但高的分辨率依赖于法布里-珀罗腔的校准精度。利用自外差拍频，也可实现高的分辨率，通过将信号光与相位延迟后的信号光拍频，实现光带宽向电域转换，然后通过频谱分析仪检测，但该方法依赖于调制信号的稳定和窄线宽。另外，还有利用受激布里渊散射来进行精细光谱检测，虽然该方法具有很高的分辨率，但需要动态扫描波长，且需要较高的激光功率，或长的传输光纤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精细光谱探测装置及方法，用以解决背景技术中现有光谱探测技术所存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种精细光谱探测装置，包含DFB激光器、1x2光纤耦合器A、2x1光纤耦合器、相位调制器A、相位调制器B、高频信号源A、高频信号源B、光纤环形器、光纤光栅、高速光电探测器及频谱分析仪；所述DFB激光器与所述1x2光纤耦合器连接，所述1x2光纤耦合器分别与所述相位调制器A和相位调制器B连接，所述相位调制器A分别与所述高频信号源A及光纤环形器连接，所述相位调制器B分别与所述高频信号源B及2x1光纤耦合器连接，所述光纤环形器分别与光纤光栅及2x1光纤耦合器连接，所述2x1光纤耦合器还与所述高速光电探测器连接，所述高速光电探测器还与所述频谱分析仪连接；
使用时，先由所述DFB激光器输出单频激光到1x2光纤耦合器，经1x2光纤耦合器分为两束，其中一束经过相位调制器A，受高频信号源A输出的高频信号f1调制后，输入到光纤环形器的端口A，再从光纤环形器端口B输出到光纤光栅，经光纤光栅反射后回到光纤环形器端口B，最后从光纤环形器的端口C输出到2x1光纤耦合器；另一束经过相位调制器B，受高频信号源B输出的高频信号f2调制后，输出到2x1光纤耦合器；然后通过2x1光纤耦合器将两束激光合束后，形成拍频，并注入到高速光电探测器，经高速光电探测器将两束激光合束后的拍频光信号转换为电信号，并传输到频谱分析仪中进行分析，最后在频谱分析仪即可观测与拍频光谱所对应的频谱。
上述技术方案中，所述1x2光纤耦合器的分束比为50:50～20:80。
上述技术方案中，所述2x1光纤耦合器的分束比为50:50～20:80。
上述技术方案中，所述相位调制器A为铌酸锂波导相位调制器。
上述技术方案中，所述相位调制器B为铌酸锂波导相位调制器。
上述技术方案中，所述光纤光栅为窄带光纤光栅，且其反射带宽小于高频信号源A输出的高频信号f1，其反射谱覆盖高频信号f1调制下的激光一阶边带左侧或右侧。
上述技术方案中，所述高频信号源A输出功率大于20dBm。
上述技术方案中，所述高频信号源A输出的高频信号f1的频率比高频信号源B输出的高频信号f2的频率高，且高频信号f1的频率＞2*高频信号f2的频率。
上述技术方案中，所述高速光电探测器响应带宽大于高频信号源A输出的高频信号f1。
一种精细光谱探测方法，是基于上述精细光谱探测装置实现的，包含如下步骤：
步骤1、利用DFB激光器输出单频激光，经1x2光纤耦合器分为两束；其中一束激光经过相位调制器A，受到高频信号源A输出的高频信号f1调制，出现光谱展宽，随后注入到光纤环形器的端口A，再从光纤环形器的端口B输出到光纤光栅，经光纤光栅滤波，保留下信号光左侧或右侧的一阶边带后再反射到光纤环形器的端口B，最后再从光纤环形器的端口C输出到2x1光纤耦合器；另一束激光经过相位调制器B，受到高频信号源B输出的高频信号f2调制，形成窄带光谱展宽，随后输出到2x1光纤耦合器；
步骤2、利用2x1光纤耦合器将步骤1中的两束激光合束，形成拍频信号，随后再递到高速光电探测器中；
步骤3、利用高速光电探测器将两束激光合束后的光信号转换为电信号，随后再传输到频谱分析仪中；
步骤4、利用频谱分析仪对步骤3中由高速光电探测器传递过来的电信号进行分析，获取拍频信号所对应的频谱图；该频谱图可对应于步骤1中由DFB激光器输出的单频激光经相位调制器B调制后的光谱，即获取到步骤1中由DFB激光器输出的单频激光经高频信号f2相位调制后的精细光谱，也即实现了光谱精细探测。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
(1)采用来自同一个DFB激光源的激光进行拍频，避免了不同DFB激光器间频率抖动带来的影响，两路激光合束后可形成稳定的拍频信号，可以实现精细光谱的探测；
(2)结合相位调制器和窄带光纤光栅实现激光波长的转换，为拍频的顺利实现奠定了基础。
本发明的主要创新点在于：采用同一个DFB激光光源输出单频激光，经一个1x2光纤耦合器分为两束，其中一束通过较高频率的相位调制后进行窄带滤波，获得与DFB光源存在一定波长偏移的激光；另一束激光受到较低频率的相位调制后，形成窄带光谱展宽；随后通过另一个1x2光纤耦合器将两路激光合束，形成拍频信号，并传递到高速光电探测器，最后由高速光电探测器将光信号转换为电信号，传输到频谱分析仪进行，我们通过频谱分析仪可观察到与光谱对应的精细频谱。
附图说明
图1为本发明的精细光谱探测装置的工作原理示意图；
图2为仿真出的高频信号f1调制下的光谱展宽及光纤光栅反射谱图；
图3为仿真的高频信号f2调制下的光谱展宽图；
图4为仿真的两路激光合束后探测到的拍频信号的频谱分析图；
附图标记说明：1、DFB激光器；2、1x2光纤耦合器；3、2x1光纤耦合器；4、相位调制器A；5、相位调制器B；6、高频信号源A；7、高频信号源B；8、光纤环形器；9、光纤光栅；10、高速光电探测器；11、频谱分析仪。
具体实施方式
为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，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明是如何实施的。
参阅图1所示，本发明提供的一种精细光谱探测装置，包含DFB激光器1、1x2光纤耦合器2、2x1光纤耦合器3、相位调制器A4、相位调制器B5、高频信号源A6、高频信号源B7、光纤环形器8、光纤光栅9、高速光电探测器10及频谱分析仪11；其中，DFB激光器1与1x2光纤耦合器2连接，1x2光纤耦合器2分别与相位调制器A4和相位调制器B5连接，相位调制器A4分别与高频信号源A6及光纤环形器8连接，相位调制器B5分别与高频信号源B7及2x1光纤耦合器3连接，光纤环形器8还分别与光纤光栅9及2x1光纤耦合器3连接，2x1光纤耦合器3还与高速光电探测器10连接，高速光电探测器10还与频谱分析仪11连接；使用时，先由DFB激光器1输出单频激光到1x2光纤耦合器2，经1x2光纤耦合器2分为两束，其中一束经过相位调制器A4，受高频信号源A6输出的高频信号f1调制后，输入到光纤环形器8的端口A，再从光纤环形器8端口B输出到光纤光栅9，经光纤光栅9反射后回到光纤环形器8端口B，最后从光纤环形器8的端口C输出到2x1光纤耦合器3；另一束经过相位调制器B5，受高频信号源B7输出的高频信号f2调制后，输出到2x1光纤耦合器3；然后通过2x1光纤耦合器3将两束激光合束后，形成拍频信号，并注入到高速光电探测器10，经高速光电探测器10将两束激光合束后的拍频光信号转换为电信号，并传输到频谱分析仪11中进行分析，最后在频谱分析仪11中即可观测到与拍频光谱所对应的频谱。
具体的说，在本发明中，参阅图1所示，DFB激光器1的输出端与1x2光纤耦合器2的输入端连接，1x2光纤耦合器2的两个输出端分别与相位调制器A4和相位调制器B5的输入端连接，相位调制器A4的输出端与光纤环形器8的端口A连接，光纤环形器8的端口B与光纤光栅9连接，光纤环形器8的端口C与2x1光纤耦合器3的一个输入端连接，相位调制器B5的输出端与2x1光纤耦合器3的另一个输入端连接，2x1光纤耦合器3的输出端与高速光电探测器10的输入端连接，高速光电探测器10的输出端与频谱分析仪11连接；高频信号源A6输出高频信号f1到相位调制器A4的控制电压端中，高频信号源B7输出高频信号f2到相位调制器B5的控制电压端中。
具体的说，在本发明中，1x2光纤耦合器2的分束比为50:50～20:80，优选为30:70。
具体的说，在本发明中，2x1光纤耦合器3的分束比为50:50～20:80，优选为30:70。
具体的说，在本发明中，相位调制器A4优选为铌酸锂波导相位调制器。
具体的说，在本发明中，相位调制器B5优选为铌酸锂波导相位调制器。
具体的说，在本发明中，光纤光栅9为窄带光纤光栅，且其反射带宽小于高频信号源A6输出的高频信号f1，其反射谱覆盖高频信号f1调制下的激光一阶边带左侧或右侧。
具体的说，在本发明中，高频信号源A6输出频率大于20dBm。
具体的说，在本发明中，高频信号源A6输出的高频信号f1的频率比高频信号源B7输出的高频信号f2的频率高，且高频信号f1的功率＞2*高频信号f2的频率。
具体的说，在本发明中，高速光电探测器10响应带宽大于高频信号源A6输出的高频信号f1。
作为本发明的一种优选例：当1x2光纤耦合器2的分束比为30:70时，其中光束占比大的一输出臂连接到相位调制器A4，光束占比小的一输出臂连接到相位调制器B5；当2x1光纤耦合器3的分束比为30:70时，其中光束占比大的一输入臂连接到光纤环形器8的端口C，光束占比小的一输入臂连接到相位调制器B5。
本发明提供的一种精细光谱探测方法，是基于上述精细光谱探测装置实现的，包含如下步骤：
步骤1、利用DFB激光器1输出单频激光，经1x2光纤耦合器2分为两束；其中一束激光经过相位调制器A4，受到高频信号源A6输出的高频信号f1调制，出现光谱展宽，随后注入到光纤环形器8的端口A，再从光纤环形器8的端口B输出到光纤光栅9，经光纤光栅9滤波，保留下信号光左侧或右侧的一阶边带后再反射到光纤环形器8的端口B，最后再从光纤环形器8的端口C输出到2x1光纤耦合器3；另一束激光经过相位调制器B4，受到高频信号源B7输出的高频信号f2调制，形成窄带光谱展宽，随后输出到2x1光纤耦合器3；
步骤2、利用2x1光纤耦合器3将步骤1中的两束激光合束，形成拍频信号，随后再递到高速光电探测器10中；
步骤3、利用高速光电探测器10将两束激光合束后的光信号转换为电信号，随后再传输到频谱分析仪11中；
步骤4、利用频谱分析仪11对步骤3中由高速光电探测器10传递过来的电信号进行分析，获取拍频信号所对应的频谱图，该频谱图可对应于步骤1中由DFB激光器1输出的单频激光经相位调制器B4调制后的光谱，即获取到步骤1中由DFB激光器1输出的单频激光经高频信号f2相位调制后的精细光谱，也即实现了光谱精细探测。
图2所示，为基于本发明提供的精细光谱探测装置，仿真出的在高频信号源A6输出的高频信号f1为16GHz调制下的光谱展宽度与光纤光栅8的反射谱图；图2中，横坐标表示波长，单位为nm；纵坐标表示光谱强度；虚线所示的曲线表示光纤光栅8的反射谱；其余表示光谱展宽度。
图3所示，为基于本发明提供的精细光谱探测装置，仿真出的在高频信号源B7输出的高频信号f2为1GHz调制下的光谱展宽度图；图3中，横坐标表示波长，单位为nm；纵坐标表示光谱强度。
图4所示，为基于本发明提供的精细光谱探测装置，仿真出的在两路激光合束后通过频谱分析仪11探测到的拍频信号的频谱图；图4中，横坐标表示波频率，单位为Hz；纵坐标表示频谱强度。
最后说明，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种精细光谱探测装置，其特征在于:包含DFB激光器(1)、1x2光纤耦合器(2)、2x1光纤耦合器(3)、相位调制器A(4)、相位调制器B(5)、高频信号源A(6)、高频信号源B(7)、光纤环形器(8)、光纤光栅(9)、高速光电探测器(10)及频谱分析仪(11)；所述DFB激光器(1)与所述1x2光纤耦合器(2)连接，所述1x2光纤耦合器(2)分别与所述相位调制器A(4)和相位调制器B(5)连接，所述相位调制器A(4)分别与所述高频信号源A(6)及光纤环形器(8)连接，所述相位调制器B(5)分别与所述高频信号源B(7)及2x1光纤耦合器(3)连接，所述光纤环形器(8)还分别与光纤光栅(9)及2x1光纤耦合器(3)连接，所述2x1光纤耦合器(3)还与所述高速光电探测器(10)连接，所述高速光电探测器(10)还与所述频谱分析仪(11)连接；
使用时，先由所述DFB激光器(1)输出单频激光到1x2光纤耦合器(2)，经1x2光纤耦合器(2)分为两束，其中一束经过相位调制器A(4)，受高频信号源A(6)输出的高频信号f1调制后，输入到光纤环形器(8)的端口A，再从光纤环形器(8)端口B输出到光纤光栅(9)，经光纤光栅(9)反射后回到光纤环形器(8)端口B，最后从光纤环形器(8)的端口C输出到2x1光纤耦合器(3)；另一束经过相位调制器B(5)，受高频信号源B(7)输出的高频信号f2调制后，输出到2x1光纤耦合器(3)；然后通过2x1光纤耦合器(3)将两束激光合束后，形成拍频信号，并注入到高速光电探测器(10)，经高速光电探测器(10)将两束激光合束后的拍频光信号转换为电信号，并传输到频谱分析仪(11)中进行分析，最后在频谱分析仪(11)即可得到与拍频光谱所对应的频谱。
2.根据权利要求1所述的精细光谱探测装置，其特征在于:所述1x2光纤耦合器(2)的分束比为50:50～20:80。
3.根据权利要求1所述的精细光谱探测装置，其特征在于:所述2x1光纤耦合器(3)的分束比为50:50～20:80。
4.根据权利要求1所述的精细光谱探测装置，其特征在于:所述相位调制器A(4)为铌酸锂波导相位调制器。
5.根据权利要求1所述的精细光谱探测装置，其特征在于:所述相位调制器B(5)为铌酸锂波导相位调制器。
6.根据权利要求1所述的精细光谱探测装置，其特征在于:所述光纤光栅(9)为窄带光纤光栅，且其反射带宽小于高频信号源A(6)输出的高频信号f1，其反射谱覆盖高频信号f1调制下的激光一阶边带左侧或右侧。
7.根据权利要求1所述的精细光谱探测装置，其特征在于:所述高频信号源A(6)输出功率大于20dBm。
8.根据权利要求7所述的精细光谱探测装置，其特征在于:所述高频信号源A(6)输出的高频信号f1的频率比高频信号源B(7)输出的高频信号f2的频率高，且高频信号f1的频率＞2*高频信号f2的频率。
9.根据权利要求8所述的精细光谱探测装置，其特征在于:所述高速光电探测器(10)响应带宽大于高频信号源A(6)输出的高频信号f1。
10.一种精细光谱探测方法，是基于权利要求1至9任一项所述精细光谱探测装置实现的，其特征在于:包含如下步骤：
步骤1、利用DFB激光器(1)输出单频激光，经1x2光纤耦合器(2)分为两束；其中一束激光经过相位调制器A(4)，受到高频信号源A(6)输出的高频信号f1调制，出现光谱展宽，随后注入到光纤环形器(8)的端口A，再从光纤环形器(8)的端口B输出到光纤光栅(9)，经光纤光栅(9)滤波，保留下信号光左侧或右侧的一阶边带后再反射到光纤环形器(8)的端口B，最后再从光纤环形器(8)的端口C输出到2x1光纤耦合器(3)；另一束激光经过相位调制器B(4)，受到高频信号源B(7)输出的高频信号f2调制，形成窄带光谱展宽，随后输出到2x1光纤耦合器(3)；
步骤2、利用2x1光纤耦合器(3)将步骤1中的两束激光合束，形成拍频信号，随后再递到高速光电探测器(10)中；
步骤3、利用高速光电探测器(10)将两束激光合束后的光信号转换为电信号，随后再传输到频谱分析仪(11)中；
步骤4、利用频谱分析仪(11)对步骤3中由高速光电探测器(10)传递过来的电信号进行分析，获取拍频信号所对应的频谱图，该频谱图可对应于步骤1中由DFB激光器(1)输出的单频激光经相位调制器B(4)调制后的光谱，即获取到步骤1中由DFB激光器(1)输出的单频激光经高频信号f2相位调制后的精细光谱，也即实现了光谱精细探测。
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