CN112134136B - 一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统，包含有超窄线宽光纤激光器、声光调制器、相位调制器、正交解调装置以及反馈控制装置。其特征是：由超窄线宽光纤激光器输出的激光依次经过声光调制器、相位调制器调制。经环形器输入进光纤光栅法布里‑泊罗干涉腔后，经正交解调回路解调。慢速PID控制器用以调节光源波长，补偿低频信号；快速PID控制器用以调节声光调制器，补偿高频信号。该方案能够克服光纤激光器调频响应以及调频带宽的限制，实现光纤激光器输出波长与参考谐振腔之间的稳定跟踪。

Description

一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统
技术领域
本发明涉及一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统，属于激光稳频技术领域。
背景技术
激光器在干涉测量、激光雷达、引力波探测等领域有着重要的应用。相比与空间激光器，光纤激光器具有体积小、易集成、调谐范围宽等特性，在光纤传感与测量领域中得到广泛应用。为了满足光纤传感领域的极限测量，对光纤激光器的频率稳定度提出了挑战。因此，人们类比稳频技术发展较为成熟的空间激光器，提出了许多光纤激光器稳频方案，例如偏振光谱法、Sagnac干涉法、PDH稳频技术等在参考标准频率处获取误差信号，对光纤激光器进行反馈稳频控制。其中，PDH稳频技术的系统鲁棒性高、稳定性强、响应速度快等优点，成为目前应用普遍的激光稳频方法。
PDH稳频技术属于主动稳频技术，利用其对光纤激光器进行频率稳定时，多采用单反馈回路，以外部标准谐振腔的谐振频率作为基准频率，根据获取的误差信号反馈至激光器进行频率锁定。激光器的调谐响应往往较慢，限制着频率稳定的效果。在专利CN106159667B中，提出一种双干涉仪的激光稳频系统，利用两台不同时延光纤干涉仪作为激光频率的参考，以及单反馈回路完成光纤激光器的稳频，此方案光纤光路结构复杂，单反馈回路受光源调谐响应的限制。
本发明提供了一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频方案。其设计思想是：基于正交解调技术及PDH技术，以两个反馈控制回路，分别对参考腔的低频变化和高频变化做出响应，通过慢速PID控制光纤激光器，快速PID控制声光调制器，实现更高稳定性的光纤激光输出。装置的特征包含快慢速PID反馈控制模块以及误差信号的正交解调模块，克服光纤激光器调频响应以及调频带宽的限制。此方案实现的成本较低，集成度较高，可实现光纤激光器输出波长与参考谐振腔之间的稳定跟踪。
发明内容
本发明的目的是为了实现高稳定性的光纤激光输出提供一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统。
本发明的目的是这样实现的：包括超窄线宽光源与调制模块1、基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔2、正交解调模块3、反馈控制模块4，超窄线宽光源与调制模块1的调制光输出与后端的保偏光纤环形器001直接连接；基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔2通过保偏光纤201与保偏光纤环形器001连接；光电探测器003通过保偏光纤002与保偏光纤环形器001连接；正交解调模块3直接接收来自信号发生器004的正弦信号以及通过相位延时器005的-90°相移之后的余弦信号，与此同时，接收来自光电探测器003的信号进行解调，解调后信号送入反馈控制模块4；压控振荡器006接受来自反馈控制模块4中高频反馈电压信号，对超窄线宽光源与调制模块1提供高频振荡信号。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.超窄线宽光源与调制模块1包括依次通过保偏光纤连接的超窄线宽光纤激光器101、保偏光纤隔离器103、声光调制器105、相位调制器107，声光调制器105对入射激光进行强度调制；相位调制器107对入射激光进行相位调制。
2.基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔2包括保偏光纤201与基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔；基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔202是由保偏光纤刻写，其对外界环境有相应的响应，产生红移或者蓝移。
3.所述正交解调模块3包括两个乘法器301、302、两个低通滤波器303、304、A/D305；由平衡光电探测器003转换后，光信号转换为电信号，信号Pin满足下式：
Figure BDA0002692400080000021
式中，PDC为输入信号的直流项，P0为增益强度，与输入激光强度有关，F(ω)为谐振腔的反射函数，ΩM为相位调制频率；
由信号发生器004发出的参考信号，经过相位延时器005的-90°相位延迟后，与原参考信号同时输入信号解调模块当中，并与经光电探测器003转换后的信号相乘；
两个乘法器301、302同时同步工作，输出的信号经由两个相同的低通滤波器303、304进行滤波，得到两路误差信号；
经过滤波器后的信号输入至A/D305，送入反馈控制模块4中的采集卡DAQ401进行后续处理。
4.所述反馈控制模块4包括采集卡DAQ401、慢速PID控制器1402、快速PID控制器2403、控制计算机404，采集卡DAQ401与控制计算机404进行交互，采集正交解调模块3中输出的误差信号，并对其进行处理，提取高频部分与低频部分；慢速PID控制器1402对误差信号的低频部分作出响应，产生调制电压输入至超窄线宽光纤激光器101中，实现慢速锁定功能；快速PID控制器2403对误差信号的高频部分作出响应，产生调制电压输入至压控振荡器006中，产生高频振荡信号，输入声光调制器105中，对光源进行快速的调制，实现快速锁定功能。
5.光电探测器003是带平滑滤波的抗混叠平衡光电探测器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频方案，由光纤器件和射频板卡等体积小的模块组成，结构简单，集成度高；利用声光调制器实现激光的频移，突破激光器本身的调制带宽的限制，实现较大范围的窄线宽激光输出；使用特种保偏光纤光栅——基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔作为参考腔，具有窄线宽的特性，提高稳频精度；使用正交解调技术，抑制相位噪声，精确解调误差信号；采用双反馈控制回路，克服光源自身调制响应慢的限制，引入响应快速的声光调制器，并分别完成光源反馈回路及声光调制器反馈回路，完成快慢速锁定，实现高稳定的光纤激光输出；正交解调及反馈控制等功能可由模拟硬件实现，也可以使用FPGA完成算法，设计灵活。
附图说明
图1为本发明提供的一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频方案系统示意图。
图2为本发明经调制过后的信号示意图。
图3为本发明中采集卡的算法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例一:本发明提出的一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频方案，包括超窄线宽光源与调制模块1、基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔2、正交解调模块3、反馈控制模块4，
1)超窄线宽光源与调制模块1的调制光输出与后端的保偏光纤环形器001直接连接；
2)基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔2通过保偏光纤201与保偏光纤环形器001连接；
3)光电探测器003通过保偏光纤002与保偏光纤环形器001连接；
4)光电探测器003是平滑滤波的抗混叠平衡光电探测器；
5)正交解调模块3直接接收来自信号发生器004的正弦信号以及通过相位延时器005的-90°相移之后的余弦信号。与此同时，接收来自光电探测器003的信号进行解调，解调后信号送入反馈控制模块4；
6)压控振荡器006接受来自反馈控制模块4中高频反馈电压信号，对超窄线宽光源与调制模块1提供高频振荡信号。
所述的超窄线宽光源与调制模块1具体为：
1)超窄线宽光源与调制模块1由超窄线宽光纤激光器101，保偏光纤隔离器103，声光调制器105，相位调制器107与连接用保偏光纤102，104，106，108组成；
2)声光调制器105对入射激光进行强度调制；
3)相位调制器107对入射激光进行相位调制。
所述的基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔2由保偏光纤201与基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔202组成；基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔202是由保偏光纤刻写，其对外界环境有相应的响应，产生红移或者蓝移。
所述的正交解调模块3为：
1)由平衡光电探测器003转换后，光信号转换为电信号，信号Pin满足下式：
Figure BDA0002692400080000041
公式中，PDC为输入信号的直流项，P0为增益强度，与输入激光强度有关，F(ω)为谐振腔的反射函数，ΩM为相位调制频率；
2)由信号发生器004发出的参考信号，经过相位延时器005的-90°相位延迟后，与原参考信号同时输入信号解调模块当中，并与经光电探测器003转换后的信号相乘；
3)两个乘法器301、302同时同步工作，输出的信号经由两个相同的低通滤波器303、304进行滤波，得到两路误差信号；
4)经过滤波器后的信号输入至A/D 305，送入反馈控制模块4中的采集卡DAQ 401进行后续处理。
所述的反馈控制模块4为：
1)采集卡DAQ 401与控制计算机404进行交互，采集正交解调模块3中输出的误差信号，并对其进行处理，提取高频部分与低频部分；
2)慢速PID控制器1(402)对误差信号的低频部分作出响应，产生调制电压输入至超窄线宽激光器101中，实现慢速锁定功能；
3)快速PID控制器2(403)对误差信号的高频部分作出响应，产生调制电压输入至压控振荡器006中，产生高频振荡信号，输入声光调制器105中，对光源进行快速的调制，实现快速锁定功能。
实施例二：
为清楚地说明本发明一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频方案，结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明是激光稳频技术的一种改进，解决了光纤激光器的高稳频激光输出问题。采用的基本原理即利用两个PID控制器分别对参考光纤谐振腔的低频信号和高频信号进行反馈控制，实现光纤激光器的稳频输出。如图1所示，本发明提出的一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频方案，包括超窄线宽光源与调制模块1、基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔2、正交解调模块3、反馈控制模块4。
其中，超窄线宽光纤激光器101输出激光依次经过声光调制器105和相位调制器107的调制，经过保偏光纤环形器001的1号端口，由保偏光纤环形器001的2号端口输出至基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔202中反射，从保偏环形器001的3号端口输出至平衡光电探测器003完成光信号到电信号转换。光路结构中器件之间均采用保偏光纤002，102，104，106，108，201连接。
其中，声光调制器105的调制振荡信号由压控振荡器006提供，振荡信号满足：
G(t)＝cos(ΩSt) (2)
公式中，G(t)为强度调制函数，ΩS为强度调制频率，其值在100MHz～10GHz之间。在经过声光调制器105调制后，光源振幅变为：
Figure BDA0002692400080000051
显然，经过声光调制器105调制后光源振幅会产生边带信号，其关于主频对称，但是强度为主频强度的一半。
受声光调制器105调制后的信号进入相位调制器107，由信号发生器004生成低频振荡信号为相位调制器107提供调制信号。在经过相位调制器107调制后，光源振幅的相位受到调制，变为：
Figure BDA0002692400080000052
公式中，ΩM为相位调制频率，其值在1MHz～40MHz之间，β为调制深度。
受到调制的信号经过保偏光纤环形器001后入射至基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔202中，此谐振腔是在保偏光纤上相隔一定间距刻写两段参数一致的布拉格光栅，其效果体现为布拉格反射谱强度受到法布里珀罗干涉的调制，产生许多极窄线宽的透射峰。故当光源入射至谐振腔后，其反射信号可视为经法布里珀罗腔调制，振幅形式为：
Figure BDA0002692400080000053
公式中，F(ω)为法布里珀罗腔调制函数，r为腔的反射率，Δνfsr为腔的自由光谱范围。显然，经基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔202反射后的振幅受到腔的调制。之后，受到调制的激光入射至平衡光电探测器003中完成光信号到电信号的转换，电信号表现形式为公式(1)，输出至后续解调模块中。
正交解调模块3根据PDH技术解调出误差信号。其中，由信号发生器004生成与输入至相位调制器107同频同相的参考信号，以及经过相位延迟器005的-90°相位延迟后输入至乘法器301、302中，与经过平衡光电探测器003转换后的电信号相乘，经过低通滤波器之后，保留直流项，得到两路正交的信号：
Figure BDA0002692400080000061
信号输入后续A/D 305中完成平方求和以及开方运算，从而求解出信号幅值及相位信息：
Figure BDA0002692400080000062
经过前述各器件之后信号形式如图2所示。在频域上，激光主频信号501在经过声光调制器105调制过后会在两侧间隔ΩS处产生大小一样的边带信号502、503；接着经相位调制器107调制后，各信号会在其两侧间隔ΩM处产生中心对称的一阶边带，经过正交解调模块3后，生成时域信号504、505、506。误差信号被送至反馈控制模块4中的采集卡DAQ 401进行后续处理。
反馈控制模块4中控制计算机404与采集卡DAQ 401进行交互，实现采集卡中信号处理的算法，算法流程如图3所示。首先，通过信号识别与分割601从误差信号中分离出主频信号602与边带信号603；接着，使用低通滤波器604保留其因谐振腔202的改变产生的低频抖动，使用高通滤波器605保留其因谐振腔202的改变产生的高频抖动；最后，求出主频信号504的零点处斜率kω606、边带信号506的零点处斜率kM。
慢速PID控制器1——402根据主频信号的斜率kω对超窄线宽光纤激光器101进行调制，补偿谐振腔202的低频抖动，使得主频信号与边带信号都不发生长期漂移。
快速PID控制器2——403根据边带信号的斜率kM对压控振荡器006进行调制，控制其发出至声光调制器105的振荡频率，补偿谐振腔202的高频抖动，使得边带信号不发生高频抖动。
上述方案中：
1.使用的基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔具有窄线宽的特性；
2.使用的光纤器件均为保偏器件；
3.使用的激光器为保偏输出的窄线宽激光，可受内外波长调制。
从上述的技术按方案中可以看出，本发明提供了一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频方案，引入双反馈回路，克服光源自身调制响应的限制，实现通讯波段的光纤激光器的频率锁定。整个系统通过声光调制器将光源频移，再通过PDH技术模块，生成主频及边带两个误差信号，主频误差信号用于反馈至光源的低频补偿，边带误差信号用于反馈至声光调制器的高频补偿。本发明是原有PDH稳频技术的改进，在单反馈回路的基础上引入另一反馈回路，突破了光纤激光器的调频响应以及调频带宽的限制，为光纤传感、光纤精密测量领域提供了超高频率稳定度的光纤激光装置。
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，所应理解的是，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。
综上，本发明提供了一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频方案。方案包含有超窄线宽光纤激光器、声光调制器、相位调制器、正交解调装置以及反馈控制装置。其特征是：由超窄线宽光纤激光器输出的激光依次经过声光调制器、相位调制器调制。经环形器输入进光纤光栅法布里-泊罗干涉腔后，经正交解调回路解调。慢速PID控制器用以调节光源波长，补偿低频信号；快速PID控制器用以调节声光调制器，补偿高频信号。该方案能够克服光纤激光器调频响应以及调频带宽的限制，实现光纤激光器输出波长与参考谐振腔之间的稳定跟踪。

Claims (7)

1.一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统，其特征在于：包括超窄线宽光源与调制模块(1)、基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔(2)、正交解调模块(3)、反馈控制模块(4)，超窄线宽光源与调制模块(1)的调制光输出与后端的保偏光纤环形器(001)直接连接；基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔(2)通过保偏光纤(201)与保偏光纤环形器(001)连接；光电探测器(003)通过保偏光纤(002)与保偏光纤环形器(001)连接；正交解调模块(3)直接接收来自信号发生器(004)的正弦信号以及通过相位延时器(005)的-90°相移之后的余弦信号，与此同时，接收来自光电探测器(003)的信号进行解调，解调后信号送入反馈控制模块(4)；压控振荡器(006)接受来自反馈控制模块(4)中高频反馈电压信号，对超窄线宽光源与调制模块(1)提供高频振荡信号；超窄线宽光源与调制模块(1)包括依次通过保偏光纤连接的超窄线宽光纤激光器(101)、保偏光纤隔离器(103)、声光调制器(105)、相位调制器(107)，声光调制器(105)对入射激光进行强度调制；相位调制器(107)对入射激光进行相位调制。
2.根据权利要求1所述的一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统，其特征在于：基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔(2)包括保偏光纤(201)与基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔；基于光纤布拉格光栅的法布里珀罗谐振腔(2)是由保偏光纤刻写，其对外界环境有相应的响应，产生红移或者蓝移。
3.根据权利要求2所述的一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统，其特征在于：所述正交解调模块(3)包括两个乘法器(301、302)、两个低通滤波器(303、304)、A/D(305)；由光电探测器(003)转换后，光信号转换为电信号，信号Pin满足下式：
Figure FDA0003401978410000011
式中，PDC为输入信号的直流项，P0为增益强度，与输入激光强度有关，F(ω)为谐振腔的反射函数，ΩM为相位调制频率；β为加载到相位调制器上射频信号的幅值，即电压调制深度；t是时间；
由信号发生器(004)发出的参考信号，经过相位延时器(005)的-90°相位延迟后，与原参考信号同时输入信号解调模块当中，并与经光电探测器(003)转换后的信号相乘；
两个乘法器(301、302)同时同步工作，输出的信号经由两个相同的低通滤波器(303、304)进行滤波，得到两路误差信号；
经过滤波器后的信号输入至A/D(305)，送入反馈控制模块(4)中的采集卡DAQ(401)进行后续处理。
4.根据权利要求1或3所述的一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统，其特征在于：所述反馈控制模块(4)包括采集卡DAQ(401)、慢速PID控制器1(402)、快速PID控制器2(403)、控制计算机(404)，采集卡DAQ(401)与控制计算机(404)进行交互，采集正交解调模块(3)中输出的误差信号，并对其进行处理，提取高频部分与低频部分；慢速PID控制器1(402)对误差信号的低频部分作出响应，产生调制电压输入至超窄线宽光纤激光器(101)中，实现慢速锁定功能；快速PID控制器2(403)对误差信号的高频部分作出响应，产生调制电压输入至压控振荡器(006)中，产生高频振荡信号，输入声光调制器(105)中，对光源进行快速的调制，实现快速锁定功能。
5.根据权利要求1或2所述的一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统，其特征在于：光电探测器(003)是带平滑滤波的抗混叠平衡光电探测器。
6.根据权利要求3所述的一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统，其特征在于：光电探测器(003)是带平滑滤波的抗混叠平衡光电探测器。
7.根据权利要求4所述的一种使用快慢速锁定的光纤激光器稳频系统，其特征在于：光电探测器(003)是带平滑滤波的抗混叠平衡光电探测器。
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