CN112511235A - 一种高性能宽谱光源的产生方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能宽谱光源的产生方法及装置，首先利用波分复用器将多个中心波长相近的激光器的出射光合为单一光束，然后将光束输入至电光相位调制器的光学输入端口，同时高斯白噪声发生器生成的信号经放大后输入至电光相位调制器的电学端口施加驱动效果，光束中不同波长成分的激光光谱通过外部相位调制被独立展宽，通过彼此相互叠加得到等效的大功率宽光谱光源，最后从电光相位调制器的光学输出端口输出。装置包括激光光源组、波分复用器、电光相位调制器、高斯白噪声发生器、信号放大模块。本发明所产生的光源兼具激光和传统宽谱光源的特点，具有大功率、宽光谱、高波长稳定性等优点，且结构简单，成本可控，对研究及其应用具有重要意义。

Description

一种高性能宽谱光源的产生方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤传感与激光技术领域，尤其是一种高性能宽谱光源的产生方法及装置。

背景技术

光纤传感器具有高灵敏度、抗电磁干扰、柔韧性好、频带宽、动态范围大、可植入性强等优点，广泛应用于航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器、国防等领域。光纤传感器以光学量的转换为基础，通过检测外界因素对光信号的改变来获得被测参数。作为光纤传感器的信号源，光源对于光纤传感器的性能起到决定性作用。光纤传感器常用光源按照相干性可分为相干光源和低相干光源两类。低相干光源广泛应用于光纤陀螺等传感器中，以抑制背向散射、Kerr效应及偏振耦合带来的漂移和噪声。传统的低相干光源主要包括超辐射发光二极管和超荧光光纤光源等。超辐射发光二极管光束发散角大，不利于耦合进单模光纤中，输出功率低，限制了系统的信噪比；使用寿命短，波长稳定性差，影响对外部参数的精确测量。掺铒超荧光光纤光源相较于超辐射发光二极管有一定的提升，但是中心波长稳定性仍然不足以满足高精度场景下的应用。

作为近年来研究方向的前沿，半导体激光器依靠各类关联技术及材料与工艺等方面的突破性进步取得了显著发展，具有体积小、效率高、寿命长、结构简单、成本可控、中心波长稳定等优点。目前市场上的半导体激光线宽仅为几KHz到几十MHz，远远无法满足宽谱光纤传感的需求。以抑制高功率激光系统中的受激布里渊散射和光纤陀螺为例，要求激光光谱的线宽达GHz量级。展宽激光光谱的主要方案是对激光器进行调制，直接调制会存在劣化波长稳定性的弊端。相较而言，基于电光相位调制器的外部相位调制方案更具优势且已得到广泛验证。

对于调制器，常用的驱动信号包括三种。

一是采用正弦信号，通过特定的调制波长和调制振幅使激光器的调制光谱等效于在初始载波两侧以调制波长为间隔产生若干边带，且每个边带都是对固有谱线的复制。一般情况下，各边带与载波之间的距离远大于激光自身线宽，因此彼此之间有较好的去相干性。然而原始窄带激光载波在很大程度上被保留下来，且由于未充分利用电光相位调制器的有效带宽范围，调制效率低，效果差。

二是采用伪随机二进制信号。尽管光谱展宽的效果优于正弦信号，但是调制产生大量周期性的次峰，即二阶次相干峰，会在系统中引入噪声；调制后的线宽与系统中的电子器件带宽相等，在需要更高展宽效果时成本会大幅增加。

三是采用噪声信号。相位噪声是造成半导体激光器存在一定线宽的主要原因，通过在光场中引入噪声可以对光谱进行有效展宽。只有当相位噪声功率同其频率相比足够大时才能影响到光谱的线宽，否则会因调制速度过快而只能改变光谱边翼。实际应用中，噪声发生器产生的信号带宽窄、功率低，尤其是在高频部分，对激光线宽的提升有限。

在面向大功率宽光谱光源的应用场景时，由于驱动信号功率和电子器件带宽有限，仅展宽单个半导体激光器难以满足要求。一种解决方法是同时展宽多个激光后进行合束，以此来提高光源的谱宽和输出功率。但是对各路激光进行独立调制需要等量的电光相位调制器和驱动信号源，这无疑会使系统结构复杂、功耗提升、成本高昂。

为了提高宽谱光纤传感器的性能，光源需要同时满足大功率、宽光谱、高波长稳定性的特点。本发明以波长稳定性优良的半导体激光光源组为基础，以高斯白噪声驱动单个电光相位调制器同步调制多路激光的合束光，得到其互相叠加的等效光谱。本装置成本可控、结构简单，能够实现高性能宽谱光的输出。所产生的光源兼具激光和传统宽谱光源的优点，可以很好地满足相关光纤传感器的应用需求。

发明内容

本发明针对传统宽谱光源的局限性，提出了一种高性能宽谱光源的产生方法及装置，通过以高斯白噪声驱动电光相位调制器同步调制多路激光的合束光，得到大功率、宽光谱、高波长稳定性的激光光源。

一种高性能宽谱光源的产生方法，首先利用波分复用器将多个中心波长相近的激光器的出射光合为单一光束，然后将光束输入至电光相位调制器的光学输入端口，同时高斯白噪声发生器生成的信号经放大后输入至电光相位调制器的电学端口施加驱动效果，光束中不同波长成分的激光光谱通过外部相位调制被独立展宽，通过彼此相互叠加得到等效的大功率宽光谱光源，最后从电光相位调制器的光学输出端口输出。

所述的中心波长相近的激光器的中心波长差≥0.1nm且≤0.5nm。

所述的高斯白噪声发生器生成的信号经多级放大后输入至电光相位调制器的电学端口施加驱动效果。

所述的方法，采用N个激光器，N≥2，其中第i个激光器经调制后输出光场为

式(1)中，E_i为激光器输出激光振幅，v_i为激光器输出激光中心波长，

为激光器输出激光的相位噪声，

为在高斯白噪声驱动下电光相位调制器对激光施加的相位调制；调制相位噪声的功率谱密度S_E(rad²/Hz)为

S_E＝π²RS_P/V_π ² (2)，

式(2)中，S_P(W/Hz)为高斯白噪声信号功率谱密度，R为射频系统中的50Ω特定阻抗，V_π为电光相位调制器的半波电压；

光场的自相关函数为

R_i(τ)＝E_i ²exp[-S_Ef_c(1-sinc(2f_cτ))]exp(i2πv_iτ) (3)，

式(3)中，f_c为高斯白噪声的截止频率，τ为相位的随机起伏时间；

在强调制状态下，单个激光的线宽近似为

N个激光合束调制后的输出光谱为

式(5)中，

表示对函数作傅里叶变换，展宽后的合束光谱形态为各个激光独立调制下的相互叠加。

一种采用所述的方法的高性能宽谱光源的产生装置，包括激光光源组、波分复用器、电光相位调制器、高斯白噪声发生器、一阶放大器、二阶放大器，激光光源组由波分复用器合成一束激光沿着单根光纤传输，通过光学输入端口进入电光相位调制器，高斯白噪声发生器依次经过一阶放大器、二阶放大器得到大功率的噪声信号，对电光相位调制器施加高强度驱动效果，光束中不同波长的激光经同步外部相位调制后光谱被独立展宽，通过彼此相互叠加得到等效的大功率宽光谱光源输出。

所述的激光光源组采用多个波长相近的半导体激光器，波长大小相邻的两个激光器之间中心波长差≥0.1nm且≤0.5nm，波分复用器的光学输入端口不少于激光光源组的激光数量。

所述的电光相位调制器采用LiNbO₃晶体，带宽为10GHz，带宽内最高半波电压小于5V，工作波长与激光光源组接近。

所述的高斯白噪声发生器的输出信号和一阶放大器、二阶放大器的工作带宽为10Ghz；所述的一阶放大器放大倍数可调，二阶放大器的饱和输出功率达30dBm以上且小于电光相位调制器的最大输入功率。

所述的激光光源组、波分复用器和电光相位调制器的光学端口都通过光纤耦合方式输入输出，以光纤法兰对接的方式进行连接；所述的电光相位调制器、高斯白噪声发生器、一阶放大器和二阶放大器的电学端口以SMA转接的方式进行连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明利用波分复用器将激光光源组合为一束，以高功率宽带高斯白噪声信号驱动电光相位调制器展宽合束激光，在同步高效调制各路激光的基础上，得到其互相叠加的光谱。所产生光源兼具激光和传统宽谱光源的特点，具有大功率、宽光谱、高波长稳定性等优点。与现有技术方式相比，首先高斯白噪声相位调制对光谱展宽的效果极好，不会产生边带，且当功率足够高时，全频段的相位噪声都会作用于光谱的半高全宽部分，使光谱成为完美的高斯型，线宽可以达到信号截止带宽的数倍；其次是利用特定波长的激光光源组相互叠加，使合束激光的功率和等效线宽是各自独立展宽下的数倍；最后，同对激光独立调制后再进行合束相比，减少了相位调制所需的器件数量和复杂度，降低了系统功耗。

附图说明

图1是高性能宽谱光源的产生装置结构示意图。

图2是单个激光器在不同高斯白噪声信号功率与带宽下经外部相位调制后光谱理论展宽效果示意图，S_E ⁽¹⁾＜S_E ⁽²⁾＜S_E ⁽³⁾，f_c ⁽¹⁾＞f_c ⁽²⁾＞f_c ⁽³⁾。

图3是采用四个激光器时本装置所得到的光源光谱示意图。

其中，激光光源组1、波分复用器2、电光相位调制器3、高斯白噪声发生器4、一阶放大器5、二阶放大器6。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

如图1，一种高性能宽谱光源的产生装置及方法，包括多个波长相近的激光光源组1、波分复用器2、电光相位调制器3、高斯白噪声发生器4、一阶放大器5、二阶放大器6，激光光源组1由波分复用器2合成一束激光沿着单根光纤传输，通过光学输入端口进入电光相位调制器3，高斯白噪声发生器4依次经过一阶放大器5、二阶放大器6得到大功率的噪声信号，从而对电光相位调制器3施加高强度驱动效果，合束光束中不同波长的激光经同步外部相位调制后光谱被独立展宽，彼此相互叠加后可以得到等效的大功率宽光谱激光输出。

其中，激光光源组1采用多个波长相近的半导体激光器，波长大小相邻的两个激光器之间中心波长差不小于0.1nm且不宜超过0.5nm。波分复用器2包括比激光光源数量更多或至少相等的光学输入端口。电光相位调制器3采用LiNbO₃晶体，带宽为10GHz，带宽内最高半波电压小于5V，工作波长与激光光源组接近。高斯白噪声发生器4的输出信号和一阶放大器5、二阶放大器6的工作带宽大于10Ghz；所述的一阶放大器5放大倍数可调，二阶放大器6输出的高斯白噪声信号饱和功率达30dBm以上且小于电光相位调制器3的最大输入功率。

激光通过相位调制进行光谱展宽本质上是通过引入相位噪声破坏光谱的单频特性，假设第i个激光器经调制后输出光场为

式中，E_i为激光器输出激光振幅，v_i为激光器输出激光中心波长，

为激光器输出激光的相位噪声，

为在高斯白噪声驱动下电光相位调制器对激光施加的相位调制。

调制相位噪声的功率谱密度S_E(rad²/Hz)为

S_E＝π²RS_P/V_π ² (2)

式中，S_P(W/Hz)为噪声信号功率谱密度，R为射频系统中的50Ω特定阻抗，V_π为电光相位调制器的半波电压。

光场的自相关函数为

R_i(τ)＝E_i ²<exp[-S_Ef_c(1-sinc(2f_cτ))]>exp(i2πv_iτ) (3)

式中，f_c为高斯白噪声的截止频率，τ为相位的随机起伏时间。

在强调制状态下，单个激光的线宽为

根据维纳—欣钦定理，功率谱密度与自相关函数是一对互逆的傅里叶变换。如图2，对单个激光而言，调制后的光谱随着高斯白噪声信号功率的增加逐渐平滑，由弱调制下的“宝塔形”转换为强调制下的高斯型。信号的带宽决定了光谱宽度的量级。则N个激光合束调制后的输出光谱为

式中，

表示对函数作傅里叶变换。如图3，展宽后的合束光谱形态为各个激光独立调制下的相互叠加。

本发明利用波分复用器将激光光源组合为一束，以高功率宽带高斯白噪声信号驱动电光相位调制器展宽合束激光，在同步高效调制各路激光的基础上，得到其互相叠加的光谱。所产生光源兼具激光和传统宽谱光源的特点，具有大功率、宽光谱、高波长稳定性等优点。高斯白噪声相位调制对光谱展宽的效果极好，不会产生边带，且当功率足够高时，全频段的相位噪声信号都会作用于光谱的半高全宽部分，使光谱成为完美的高斯型，线宽可以达到信号截止带宽的数倍；利用特定波长的激光光源组相互叠加，可以使合束激光的功率和等效线宽是各自独立展宽后的数倍，满足超宽光谱应用场合中的需求；同对激光独立调制后再进行合束相比，减少了相位调制所需的器件数量和复杂度，降低了系统功耗。

实施例

激光光源组采用4个相邻中心波长差为0.2nm～0.4nm的窄带稳频半导体激光，电光相位调制器采用LiNb0₃晶体，1GHz工作波长下半波电压为3.4V，调制带宽为12GHz，高斯白噪声发生器产生的信号3dB带宽范围为10MHz～11GHz，功率为-18dBm。一阶放大器和二阶放大器的工作带宽覆盖高斯白噪声信号的整个区间，典型增益为24dB和28dB，输出功率的1dB压缩点为11dBm和28dBm。一阶放大器的增益以1.5dB为步长大小可调。调制后的光源光谱可由分辨率为0.01nm的光谱仪探测。

Claims (9)

1.一种高性能宽谱光源的产生方法，其特征在于，首先利用波分复用器将多个中心波长相近的激光器的出射光合为单一光束，然后将光束输入至电光相位调制器的光学输入端口，同时高斯白噪声发生器生成的信号经放大后输入至电光相位调制器的电学端口施加驱动效果，光束中不同波长成分的激光光谱通过外部相位调制被独立展宽，通过彼此相互叠加得到等效的大功率宽光谱光源，最后从电光相位调制器的光学输出端口输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的中心波长相近的激光器的中心波长差≥0.1nm且≤0.5nm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的高斯白噪声发生器生成的信号经多级放大后输入至电光相位调制器的电学端口施加驱动效果。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用N个激光器，N≥2，其中第i个激光器经调制后输出光场为

式(1)中，E_i为激光器输出激光振幅，v_i为激光器输出激光中心波长，

为激光器输出激光的相位噪声，

为在高斯白噪声驱动下电光相位调制器对激光施加的相位调制；

调制相位噪声的功率谱密度S_E(rad²/Hz)为

S_E＝π²RS_P/V_π ² (2)，

式(2)中，S_P(W/Hz)为高斯白噪声信号功率谱密度，R为射频系统中的50Ω特定阻抗，V_π为电光相位调制器的半波电压；

光场的自相关函数为

R_i(τ)＝E_i ²exp[-S_Ef_c(1-sinc(2f_cτ))]exp(i2πv_iτ) (3)，

式(3)中，f_c为高斯白噪声的截止频率，τ为相位的随机起伏时间；

在强调制状态下，单个激光的线宽近似为

N个激光合束调制后的输出光谱为

式(5)中，

表示对函数作傅里叶变换，展宽后的合束光谱形态为各个激光独立调制下的相互叠加。

5.一种采用如权利要求1所述的方法的高性能宽谱光源的产生装置，其特征在于，包括激光光源组(1)、波分复用器(2)、电光相位调制器(3)、高斯白噪声发生器(4)、一阶放大器(5)、二阶放大器(6)，激光光源组(1)由波分复用器(2)合成一束激光沿着单根光纤传输，通过光学输入端口进入电光相位调制器(3)，高斯白噪声发生器(4)依次经过一阶放大器(5)、二阶放大器(6)得到大功率的噪声信号，对电光相位调制器(3)施加高强度驱动效果，光束中不同波长的激光经同步外部相位调制后光谱被独立展宽，通过彼此相互叠加得到等效的大功率宽光谱光源输出。

6.根据权利要求5所述的高性能宽谱光源的产生装置，其特征在于，所述的激光光源组(1)采用多个波长相近的半导体激光器，波长大小相邻的两个激光器之间中心波长差≥0.1nm且≤0.5nm，波分复用器(2)的光学输入端口不少于激光光源组(1)的激光数量。

7.根据权利要求5所述的高性能宽谱光源的产生装置，其特征在于，所述的电光相位调制器(3)采用LiNbO₃晶体，带宽为10GHz，带宽内最高半波电压小于5V，工作波长与激光光源组(1)接近。

8.根据权利要求5所述的高性能宽谱光源的产生装置，其特征在于，所述的高斯白噪声发生器(4)的输出信号和一阶放大器(5)、二阶放大器(6)的工作带宽为10Ghz；所述的一阶放大器(5)放大倍数可调，二阶放大器(6)的饱和输出功率达30dBm以上且小于电光相位调制器(3)的最大输入功率。

9.根据权利要求5所述的高性能宽谱光源的产生装置，其特征在于，所述的激光光源组(1)、波分复用器(2)和电光相位调制器(3)的光学端口都通过光纤耦合方式输入输出，以光纤法兰对接的方式进行连接；所述的电光相位调制器(3)、高斯白噪声发生器(4)、一阶放大器(5)和二阶放大器(6)的电学端口以SMA转接的方式进行连接。

Images