CN111509536A - 基于周期噪声相位调制的窄线宽光纤激光光谱展宽装置 - Google Patents

基于周期噪声相位调制的窄线宽光纤激光光谱展宽装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于周期噪声相位调制的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，包括单频种子激光器、相位调制器、可编程信号发生器、射频放大器、光纤预放大器、光纤耦合器、光纤放大器、第一光功率计、第二光功率计、信号与数据处理系统。本发明中，基于周期噪声信号对单频种子激光进行相位调制展宽，可通过优化噪声信号的波形和/或周期来控制调制后的光谱精细结构特性；针对不同的光纤放大器，通过优化噪声信号的波形和/或周期，可在线宽尽可能小的情况下有效的提升SBS阈值，同时还可避免随机自脉冲的产生。

Description

基于周期噪声相位调制的窄线宽光纤激光光谱展宽装置
技术领域
本发明涉及激光光谱展宽技术领域，具体地涉及一种基于周期噪声相位调制的窄线宽光纤激光光谱展宽装置。
背景技术
受非线性、模式不稳定、热透镜效应等物理因素的限制，单路光纤激光输出功率有限，采用多路光纤激光进行光谱合成或相干合成可以在大幅提升激光功率的同时保持良好的光束质量。但光谱合成及相干合成都要求参与合成的光纤激光子束的线宽控制在一定范围内，即要求参与合成的子束为窄线宽光纤激光。实现高功率窄线宽光纤激光一般采用窄线宽种子源功率放大结构。目前，常用的窄线宽种子源包括单频激光种子源，单频相位调制种子源，光纤振荡种子源、超荧光种子源、随机窄线宽光纤激光种子源等。和其他几种种子源相比，基于单频相位调制的种子源是目前主流的窄线宽种子源，基于单频相位调制的种子源的窄线宽光纤放大器具有受激布里渊散射(SBS)及受激拉曼散射(SRS)阈值高，线宽在放大过程中保持不变等优点。
目前用于展宽单频激光光谱的相位调制信号或者为正弦信号；或者为伪随机二进制信号；或者为白噪声信号。然而，发明人认识到，这几种信号调制都有各自的缺点。正弦信号频率单一，单级正弦调制后的谱线数目由调制深度决定，所以要获得较好的SBS抑制效果，单级正弦调制要很高的调制深度，而全光纤相位调制器的最大承受的射频功率一般不超过30dBm，调制深度受限。所以往往需要通过多个正弦信号级联调制来填充单级信号调制的谱线间隙、增加谱线数目及光谱宽度，但这会导致调制系统变得复杂。伪随机二进制信号调制后线宽约等于调制频率,如果需要展宽较宽的光谱，必须高频的伪随机二进制信号源及射频放大器，这必然会导致其调制成本及难度大幅增加。而且伪随机二进制信号的位数N要匹配调制频率及放大器的光纤长度、调制深度必须匹配在π附近，过大或过小都会极大的影响SBS阈值。白噪声信号是一种随机的噪声信号，所以白噪声信号调制后的谱形具有随机性，由于实际的白噪声信号不是理想的噪声信号，不同时间产生的噪声调制谱特性差异很大，会存在随机光谱尖峰。近年来，科研人员发现白噪声信号调制后产生的随机光谱尖峰会导致连续波窄线宽光纤放大器系统产生随机自脉冲现象，极大的降低光纤放大器系统中的输出功率，见参考文献1。
主要参考文献
1、C.Zha,et al.Self-pulsing in kilowatt level narrow-linewidth fiberamplifier with WNS phase modulation[J].Optics Express,2017，25(17):19740-19751.
发明内容
本发明的目的是提供一种基于周期噪声相位调制的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，可通过调制频率和调制深度控制调制后的谱线宽度，可通过优化噪声信号的波形和/或周期来控制调制后的光谱精细结构特性；针对不同的光纤放大器，可通过优化噪声信号的波形和/或周期，在线宽尽可能小的情况下有效地提升SBS阈值，同时还可避免随机自脉冲的产生。
为实现上述技术目的，本发明提出了一种基于周期噪声相位调制的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，包括：
可编程信号发生器，用于产生若干周期噪声信号；
相位调制器，用于响应输入的单频光信号和所述周期噪声信号，并输出展宽后的光信号；
光纤放大器，用于可控地调节所述展宽后的光信号的功率；
检测装置，用于检测所述光纤放大器前向的和后向的光信号功率；以及
信号与数据处理系统，用于采集和处理所述检测装置的输出数据以及所述周期噪声信号的波形和/或周期。
上述窄线宽光纤激光光谱展宽装置的使用方法具体包括以下步骤：
利用可编程信号发生器随机产生若干周期噪声信号，之后依次利用这些周期噪声信号驱动相位调制器对单频光信号进行光谱展宽；
展宽后的光信号注入光纤放大器进行功率放大；
检测所述光纤放大器前向的和后向的光信号功率，之后转换为电信号被信号与数据处理系统采集；
通过信号与数据处理系统分别记录每个周期噪声信号的波形和/或周期，计算并记录对应周期噪声相位调制下光纤放大器的SBS阈值，基于此来选择一个 SBS阈值最高的周期噪声信号的波形和/或周期。
进一步地，展宽后的光信号通过光纤预放大器进行预放大，之后经过光纤耦合器进行耦合后注入光纤放大器进行功率放大。
上述窄线宽光纤激光光谱展宽装置还包括设于所述相位调制器与所述光纤放大器之间并依次连接的光纤预放大器和光纤耦合器，所述光纤预放大器用于对所述展宽后的光信号进行功率预放大，所述光纤耦合器用于在注入所述光纤放大器之前对所述展宽后的光信号进行耦合。
进一步地，所述周期噪声信号经射频放大器放大后，驱动相位调制器对单频光信号进行光谱展宽。
上述窄线宽光纤激光光谱展宽装置还包括设于所述可编程信号发生器和所述相位调制器之间的射频放大器，用于对所述可编程信号发生器产生的周期噪声信号进行功率调节。
进一步地，所述周期噪声信号是电学信号，所述可编程信号发生器为可通过手动或电脑编程产生周期噪声信号的信号发生器；所述相位调制器通过电光效应进行相位调制，所述相位调制器为全光纤的铌酸锂相位调制器。
进一步地，所述检测装置包括第一光功率计和第二光功率计，分别用于测量所述光纤放大器的前向的和后向的光信号功率并将其转换为电信号。
进一步地，所述可编程信号发生器产生的周期噪声信号的数量在2～1000之间，可编程信号发生器的时域波形周期在1ns～1ms之间，频率带宽小于30GHz，经所述射频放大器调节后输出功率在20dBm～33dBm之间。
进一步地，所述相位调制器的半波电压在1V～6V之间。
进一步地，所述单频光信号为由单频种子激光器产生的单频种子激光，其中心波长取值范围为900nm～1700nm或1900nm～2100nm，频谱宽度小于100MHz，输出功率≯100mW。
由于采用了上述窄线宽光纤激光光谱展宽装置，能够取得如下技术效果：
1.通过优选周期噪声信号的波形和/或周期，可以获得稳定的频谱，相对于单频激光被白噪声信号调制后的随机频谱，采用周期噪声信号调制后频谱是确定的，消除了频谱的随机特性，可以有效地避免随机自脉冲效应；
2.通过优选周期噪声信号的波形和/或周期，可以有效地改善调制后的频谱特性，抑制光谱尖峰，有效地提升SBS阈值；
3.通过优化调节调制频率、射频放大器输出功率及相位调制器半波电压，可获得不同线宽的调制光谱；
4.具有结构简单，展宽后的光谱结构可控、线宽调控简单等优点，可大幅提升窄线宽光纤放大器的输出功率。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是一些实施例提供的一种基于周期噪声相位调制的窄线宽光纤激光光谱展宽装置的示意图；
图2是示例性实施例1中获得的调制光谱；
图3是示例性实施例2中获得的调制光谱。
附图标记说明：
1-单频种子激光器，2-相位调制器，3-射频放大器，4-可编程信号发生器， 5-光纤预放大器，6-光纤耦合器，7-光纤放大器，8-第一光功率计，9-第二光功率计，10-信号与数据处理系统。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提出了一种基于周期噪声相位调制的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，包括：
可编程信号发生器4，用于产生若干周期噪声信号；
相位调制器2，用于响应输入的单频光信号和所述周期噪声信号，并输出展宽后的光信号；
光纤放大器7，用于可控地调节展宽后的光信号的功率；
检测装置，用于检测光纤放大器7前向的和后向的光信号功率；以及
信号与数据处理系统10，用于采集和处理检测装置的输出数据以及周期噪声信号的波形和/或周期。
上述窄线宽光纤激光光谱展宽装置的使用方法具体包括以下步骤：
利用可编程信号发生器4随机产生若干周期噪声信号，之后依次利用这些周期噪声信号驱动相位调制器2对单频光信号进行光谱展宽；
展宽后的光信号注入光纤放大器7进行功率放大；
检测光纤放大器7前向的和后向的光信号功率，之后转换为电信号被信号与数据处理系统10采集；
通过信号与数据处理系统10分别记录每个周期噪声信号的波形和/或周期，计算并记录对应周期噪声相位调制下光纤放大器7的SBS阈值，基于此来选择一个SBS阈值最高的周期噪声信号的波形和/或周期。
在一些实施例中，展宽后的光信号通过光纤预放大器5进行预放大，之后经过光纤耦合器6进行耦合后注入光纤放大器7进行功率放大。上述放大或预放大可以是多级的。
上述窄线宽光纤激光光谱展宽装置还包括设于相位调制器2与光纤放大器7 之间并依次连接的光纤预放大器5和光纤耦合器6，光纤预放大器5用于对展宽后的光信号进行功率预放大，光纤耦合器6用于在注入光纤放大器7之前对展宽后的光信号进行耦合。
在一些实施例中，周期噪声信号经射频放大器3放大后，驱动相位调制器2 对单频光信号进行光谱展宽。
上述窄线宽光纤激光光谱展宽装置还包括设于可编程信号发生器4和相位调制器2之间的射频放大器3，用于对可编程信号发生器4产生的周期噪声信号进行功率调节。
在一些实施例中，周期噪声信号是电学信号，可编程信号发生器4为可通过手动或电脑编程产生周期噪声信号的信号发生器；相位调制器2通过电光效应进行相位调制，相位调制器2为全光纤的铌酸锂相位调制器。
受激布里渊散射(SBS)是由光纤中的光信号和声波之间相互作用所引起的非线性现象。受激布里渊散射表现为当光纤注入功率大于SBS阈值时，部分输入光功率被转换为后向斯托克斯波，即转化为后向散射光。在一些实施例中，检测装置包括第一光功率计8和第二光功率计9，分别用于测量光纤放大器7的前向的和后向的光信号功率并将其转换为电信号。当光纤放大器7为多级光纤放大器时，第一光功率计8和第二光功率计9分别用于测量同一级光纤放大器7的前向的和后向的光信号功率并将其转换为电信号。前向的光信号功率是指光纤放大器7 的输出功率，后向的光信号功率是指光纤放大器7的回光功率。虽然SBS阈值的定义在本领域内尚未有统一的标准，不同的研究人员会选择不同的标准来定义 SBS阈值，但具体如何定义SBS阈值不应当视为是对本发明保护范围的限制。
在一些实施例中，当光纤放大器7的回光功率与输出功率的比值达到1‰时，视为达到SBS阈值。还有一些实施例中，当光纤放大器7的回光功率与输出功率的比值达到0.1‰时，视为达到SBS阈值。在至少一个实施例中，回光功率等于第二光功率计9测得的功率值与光耦合器6的分光比的比值。
在一些实施例中，可编程信号发生器4产生的周期噪声信号的数量在2～1000 之间，可编程信号发生器4的时域波形周期在1ns～1ms之间，频率带宽小于 30GHz，经射频放大器3调节后输出功率在20dBm～33dBm之间。
在一些实施例中，相位调制器2的半波电压在1V～6V之间。
在一些实施例中，单频光信号为由单频种子激光器1产生的单频种子激光，其中心波长取值范围为900nm～1700nm或1900nm～2100nm，频谱宽度小于 100MHz，输出功率≯(不大于)100mW。
现结合附图提供至少一个示例性实施例，附图中提供的示例性实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，仅仅表示本发明中提供的示例性实施例而已。
示例性实施例1
一种基于周期噪声相位调制的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，包括单频种子激光器1、相位调制器2、可编程信号发生器4、射频放大器3、光纤预放大器5、光纤耦合器6、光纤放大器7、第一光功率计8、第二光功率计9、信号与数据处理系统10。
单频种子激光器1的中心波长位于1064.45nm，单频种子激光的频谱宽度为10kHz，单频种子激光连续输出，其输出功率为20mW。
相位调制器2为全光纤的铌酸锂相位调制器，其半波电压为4V。
可编程信号发生器4产生的周期噪声信号的样本数量为10，周期噪声信号发生器4的时域波形周期为70ns，频率范围为10MHz～2.5GHz，频率带宽约为 2.5GHz。
可编程信号发生器4经过射频放大器3后输出功率为27dBm。
单频种子激光器1和相位调制器2通过光纤法兰连接。
可编程信号发生器4、射频放大器3和相位调制器2之间通过高频电缆线进行连接。
本实施方式主要由如下步骤实现：
步骤1：利用可编程信号发生器4随机产生10个样本数量的周期噪声信号，之后依次利用这些周期噪声信号经射频放大器3放大后驱动相位调制器2来对单频种子激光进行光谱展宽；
步骤2：展宽后的信号通过光纤预放大器5进行预放大，之后经过光纤耦合器6后注入光纤放大器7进行高功率放大；
步骤3：放大后的激光利用第一光功率计8进行功率检测，之后转换为电信号被信号被数据处理系统10采集；
步骤4：光纤耦合器6检测到的光纤放大器7的回光功率注入第二光功率计9，之转换后的电信号被信号与数据处理系统10采集；
步骤5：通过信号与数据处理系统10分别记录每个周期噪声信号的波形和周期、对应周期噪声相位调制下光纤放大器7的SBS阈值，基于此来选择一个SBS阈值最高的周期噪声信号波形和周期。
如图2所示，本实施例中，最终利用优化后的周期噪声信号将单频种子激光的线宽展宽至0.048nm。
示例性实施例2
一种基于周期噪声相位调制的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，包括单频种子激光器1、相位调制器2、可编程信号发生器4、射频放大器3、光纤预放大器5、光纤耦合器6、光纤放大器7、第一光功率计8、第二光功率计9、信号与数据处理系统10。
单频种子激光器1的中心波长位于1064nm，单频种子激光的频谱宽度为 70kHz，单频种子激光连续输出，其输出功率为10mW。
相位调制器2为全光纤的铌酸锂相位调制器，其半波电压为2V。
可编程信号发生器4产生的周期噪声信号的样本数量为100，周期噪声信号发生器4的时域波形周期为100ns，频率范围为2GHz～9GHz，频率带宽约为 7GHz。
可编程信号发生器4经过射频放大器3后输出功率为25dBm。
单频种子激光器1和相位调制器2通过光纤法兰连接。
可编程信号发生器4、射频放大器3和相位调制器2之间通过高频电缆线进行连接。
本实施方式主要由如下步骤实现：
步骤1：利用可编程信号发生器4随机产生100个样本数量的周期噪声信号，之后依次利用这些周期噪声信号经射频放大器3放大后驱动相位调制器2 来对单频种子激光进行光谱展宽；
步骤2：展宽后的信号通过光纤预放大器5进行预放大，之后经过光纤耦合器6后注入光纤放大器7进行高功率放大；
步骤3：放大后的激光利用第一光功率计8进行功率检测，之后转换为电信号被信号被数据处理系统10采集；
步骤4：光纤耦合器6检测到的光纤放大器7的回光功率注入第二光功率计9，之转换后的电信号被信号与数据处理系统10采集；
步骤5：通过信号与数据处理系统10分别记录每个周期噪声信号的波形和周期、对应周期噪声相位调制下光纤放大器7的SBS阈值，基于此来选择一个SBS阈值最高的周期噪声信号波形和周期。
如图3所示，本实施例中，最终利用优化后的周期噪声信号将单频种子激光的线宽展宽至0.011nm。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种基于周期噪声相位调制的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，包括：
可编程信号发生器，用于产生若干周期噪声信号；
相位调制器，用于响应输入的单频光信号和所述周期噪声信号，并输出展宽后的光信号；
光纤放大器，用于可控地调节所述展宽后的光信号的功率；
检测装置，用于检测所述光纤放大器前向的和后向的光信号功率；以及
信号与数据处理系统，用于采集和处理所述检测装置的输出数据以及所述周期噪声信号的波形和/或周期。
2.根据权利要求1所述的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，其特征在于：还包括设于所述相位调制器与所述光纤放大器之间并依次连接的光纤预放大器和光纤耦合器，所述光纤预放大器用于对所述展宽后的光信号进行功率预放大，所述光纤耦合器用于在注入所述光纤放大器之前对所述展宽后的光信号进行耦合。
3.根据权利要求2所述的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，其特征在于：还包括设于所述可编程信号发生器和所述相位调制器之间的射频放大器，用于对所述可编程信号发生器产生的周期噪声信号进行功率调节。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，其特征在于：所述周期噪声信号是电学信号，所述可编程信号发生器为可通过手动或电脑编程产生周期噪声信号的信号发生器；所述相位调制器通过电光效应进行相位调制，所述相位调制器为全光纤的铌酸锂相位调制器。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，其特征在于：所述检测装置包括第一光功率计和第二光功率计，分别用于测量所述光纤放大器的前向的和后向的光信号功率并将其转换为电信号。
6.根据权利要求3所述的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，其特征在于：所述可编程信号发生器产生的周期噪声信号的数量在2～1000之间；可编程信号发生器的时域波形周期在1ns～1ms之间，频率带宽小于30GHz，经所述射频放大器调节后输出功率在20dBm～33dBm之间。
7.根据权利要求3所述的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，其特征在于：所述相位调制器的半波电压在1V～6V之间。
8.根据权利要求3所述的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，其特征在于：所述单频光信号为由单频种子激光器产生的单频种子激光，其中心波长取值范围为900nm～1700nm或1900nm～2100nm，频谱宽度小于100MHz，输出功率≯100mW。
9.根据权利要求3所述的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，其特征在于：其使用方法具体包括以下步骤：
利用可编程信号发生器随机产生若干周期噪声信号，之后依次利用这些周期噪声信号驱动相位调制器对单频光信号进行光谱展宽；
展宽后的光信号注入光纤放大器进行功率放大；
检测所述光纤放大器前向的和后向的光信号功率，之后转换为电信号被信号与数据处理系统采集；
通过信号与数据处理系统分别记录每个周期噪声信号的波形和/或周期，计算并记录对应周期噪声相位调制下光纤放大器的SBS阈值，基于此来选择一个SBS阈值最高的周期噪声信号的波形和/或周期。
10.根据权利要求9所述的窄线宽光纤激光光谱展宽装置，其特征在于：所述周期噪声信号经射频放大器放大后，驱动相位调制器对单频光信号进行光谱展宽；展宽后的光信号通过光纤预放大器进行预放大，之后经过光纤耦合器进行耦合后注入光纤放大器进行功率放大。
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