CN113851914A - 集成多路移频输出装置 - Google Patents

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CN113851914A CN202111109682.6A CN202111109682A CN113851914A CN 113851914 A CN113851914 A CN 113851914A CN 202111109682 A CN202111109682 A CN 202111109682A CN 113851914 A CN113851914 A CN 113851914A
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朱凌晓
杨俊�
颜树华
王亚宁
黄光耀
王杰
喻晓
贾爱爱
杨明月
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Abstract

本申请涉及一种集成多路移频输出装置。基于集成的思想，搭建了全光学的光学模块，从而无需关注光源的参数调整，在接口上，至少四个光纤接口以及至少三个电信号接口，电信号接口一方面用于根据需求进行光学移频，另一方面用于保持移频光的输出功率稳定，四个光纤接口，其中包括入射光的输入口，以及三个不同移频大小的衍射光输出口，通过两个声光晶体和微波驱动模块的开光控制，对输入驱动信号大小的控制，可以实现两个不同等级移频量的光输出，从而适应性强，基本能够覆盖所有的场景。

Description

集成多路移频输出装置
技术领域
本申请涉及光电技术领域，特别是涉及一种集成多路移频输出装置。
背景技术
随着光电技术的发展，对激光光源各项性能指标提出了新的要求，例如利用激光进行量子精密测量和原子分子操控时，需要功率稳定高、线偏振度好、能快速控制激光频移和光束关断的输出型光源。目前商品化的种子光虽能做到功率稳定高、线偏振度好和快速频率控制的要求，但通常是需要根据所需的性能要求对光学系统中器件的选型和调整，得到满足自身需求的光源，然而，根据目前的提供光源的方法，在面对不同需求时，需要重新选择光学器件，适应性很窄，存在成本较高问题。同时，在实际的光学应用系统中，在种子光输出之后还要进行分束合束、调制放大和频率变换等操控，即使种子光出射时性能非常好，但由于经历中间光学操控和环境影响等原因，激光的功率和偏振等性能会出现严重衰退的问题。因此，在激光输入到目标物理系统之前，也就是整个光源系统的最终激光输出之前，需要对功率稳定高、线偏振度和快速移频等性能进行提升优化，并能实现快速关断，以达到精密测量和精确操控的目的。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种集成度高、适应性强的集成多路移频输出装置。
一种集成多路移频输出装置，所述装置包括：
集成封装的光学模块、至少四个光纤接口以及至少三个电信号接口；
所述光学模块包括：光准直器、起偏器、第一声光晶体、分束器、光电探测器、第二声光晶体、第一光耦合器、第二光耦合器以及第三光耦合器；
所述光纤接口包括：光纤输入端口、零移频监测输出端口、低移频光输出端口以及高移频光输出端口；
所述电信号接口包括：第一微波驱动接口、第二微波驱动接口以及信号采集口；
入射光由所述光纤输入端口输入，分别经过所述光准直器和所述起偏器得到线偏振光，所述线偏振光输入所述第一声光晶体，所述第一声光晶体通过所述第一微波驱动接口加载外部第一微波驱动模块，所述第一微波驱动模块给所述第一声光晶体提供第一驱动信号，得到0阶衍射光和±1阶衍射光，所述0阶衍射光经由所述第一光耦合器后，由所述零移频监测输出端口输出；所述±1阶衍射光经过所述分束器后，反射光输入至所述光电探测器将光信号转化为电信号，所述电信号由所述信号采集口输出至外部PID控制器，所述PID控制器与所述第一微波驱动模块连接，所述第一声光晶体、所述分束器、所述PID控制器与所述第一微波驱动模块组成反馈回路；透射光输入至所述第二声光晶体，所述第二声光晶体通过第二微波驱动接口加载第二微波驱动模块，所述第二微波驱动模块给所述第二声光晶体提供第二驱动信号，得到±1阶衍射光和
Figure BDA0003270266380000021
阶衍射光；所述
Figure BDA0003270266380000022
阶衍射光经由第二光耦合器后，由低移频光输出端口输出，所述±1阶衍射光经由所述第三光耦合器后，由高移频光输出端口输出。
在其中一个实施例中，所述分束器为消偏振分束器。
在其中一个实施例中，所述消偏振分束器为直平行六面体消偏振分束器。
在其中一个实施例中，所述±1阶衍射光以入射角45°进入所述直平行六面体消偏振分束器。
在其中一个实施例中，还包括：所述直平行六面体消偏振分束器的分光比满足：
|Ts-TP|＜ξ和|Rs-RP|＜ξ
其中，TP和TS分别表示S偏振光和P偏振光的透射光，RS和RP分别表示S偏振光和P偏振光的反射光，并且Ts/Rs≥50。
在其中一个实施例中，还包括：所述第一微波驱动模块和所述第二微波驱动模块均包括开启状态和关闭状态，所述开启状态下为第一声光晶体和/或第二声光晶体提供驱动信号，以此通过控制第一微波驱动模块和所述第二微波驱动模块均包括开启状态和关闭状态，实现0阶衍射光、±1阶衍射光和
Figure BDA0003270266380000031
阶衍射光输出。
在其中一个实施例中，还包括：所述起偏器为格兰泰勒棱镜，所述光学模块中的光纤为单模保偏光纤。
在其中一个实施例中，还包括：所述反馈回路用于保持±1阶衍射光和
Figure BDA0003270266380000032
阶衍射光的功率稳定。
在其中一个实施例中，还包括：所述0阶衍射光的频移大小为0，所述±1阶衍射光的移频大小为MHz级别，所述
Figure BDA0003270266380000033
阶衍射光的移频大小为kHz级别。
上述集成多路移频输出装置，基于集成的思想，搭建了全光学的光学模块，从而无需关注光源的参数调整，在接口上，至少四个光纤接口以及至少三个电信号接口，电信号接口一方面用于根据需求进行光学移频，另一方面用于保持移频光的输出功率稳定，四个光纤接口，其中包括入射光的输入口，以及三个不同移频大小的衍射光输出口，通过两个声光晶体和微波驱动模块的开光控制，对输入驱动信号大小的控制，可以实现两个不同等级移频量的光输出，从而适应性强，基本能够覆盖所有的场景。
附图说明
图1为一个实施例中集成多路移频输出装置的结构框图；
图2为一个实施例中直平行六面体消偏振分束器的示意性结构图；
图3为一个实施例中集成多路移频输出装置的光路示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种集成多路移频输出装置的结构示意图，装置包括：集成封装的光学模块、至少四个光纤接口以及至少三个电信号接口；光学模块包括：光准直器、起偏器、第一声光晶体、分束器、光电探测器、第二声光晶体、第一光耦合器、第二光耦合器以及第三光耦合器；光纤接口包括：光纤输入端口、零移频监测输出端口、低移频光输出端口以及高移频光输出端口；电信号接口包括：第一微波驱动接口、第二微波驱动接口以及信号采集口；入射光由光纤输入端口输入，分别经过光准直器和起偏器得到线偏振光，线偏振光输入第一声光晶体，第一声光晶体通过第一微波驱动接口加载外部第一微波驱动模块，第一微波驱动模块给第一声光晶体提供第一驱动信号，得到0阶衍射光和±1阶衍射光，0阶衍射光经由第一光耦合器后，由零移频监测输出端口输出；±1阶衍射光经过分束器后，反射光输入至光电探测器将光信号转化为电信号，电信号由所述信号采集口输出至外部PID控制器，PID控制器与第一微波驱动模块连接，第一声光晶体、分束器、PID控制器与第一微波驱动模块组成反馈回路；透射光输入至第二声光晶体，第二声光晶体通过第二微波驱动接口加载第二微波驱动模块，第二微波驱动模块给第二声光晶体提供第二驱动信号，得到±1阶衍射光和
Figure BDA0003270266380000041
阶衍射光；
Figure BDA0003270266380000042
阶衍射光经由第二光耦合器后，由低移频光输出端口输出，±1阶衍射光经由第三光耦合器后，由高移频光输出端口输出。
值得说明的是，对于±1阶衍射光，如果第一驱动信号的信号方向，存在+1阶衍射光和-1阶衍射光的情况，对于
Figure BDA0003270266380000043
阶衍射光，第一驱动信号与第二驱动信号的差值的方向确定是+1阶衍射光和-1阶衍射光。
以下以±1阶衍射光为+1阶衍射光进行说明：首先频率为v的入射光经光纤入射，通过准直器转化为自由空间准直光束，经过格兰泰勒棱镜后得到具有高偏振消光比的线偏振光，而后通过声光晶体AOM1(第一声光晶体)产生0阶衍射光与+1阶衍射光，0阶光为透射方向，+1阶光发生较小的偏转角度。其0阶光耦合到耦合器1(第一光耦合器)作为监测信号输出，而其+1阶光经高分光比消偏振分光片分束为反射光与透射光。+1阶光的反射光经光电探测器转变为电信号，该电信号通过PID控制模块转变为反馈信号，并通过第一微波驱动模块反馈控制AOM1使+1阶光保持功率稳定。AOM1工作时，+1阶光输出光发生频移，设驱动信号的频率为f1、输入光频率为ν，则+1阶光的频率为(ν+f1)；+1阶光的透射光入射至AOM2(第二声光晶体)，再次发生衍射产生-1阶光与0阶光，并分别经耦合器2(第二光耦合器)和耦合器3(第三光耦合器)进行保偏耦合输出，最终成为经双AOM调制的低频移频光和单AOM调制的高频移频光。若AOM2的驱动信号频率为f2，则高频移频光频率为(ν+f1)，低频移频光的频率为(v+f1-f2)。AOM2可通过调节外接微波驱动信号功率大小精确控制低频移频光输出和高移频光输出的功率大小以及实现光开关功能。
上述集成多路移频输出装置中，基于集成的思想，搭建了全光学的光学模块，从而无需关注光源的参数调整，在接口上，至少四个光纤接口以及至少三个电信号接口，电信号接口一方面用于根据需求进行光学移频，另一方面用于保持移频光的输出功率稳定，四个光纤接口，其中包括入射光的输入口，以及三个不同移频大小的衍射光输出口，通过两个声光晶体和微波驱动模块的开光控制，对输入驱动信号大小的控制，可以实现两个不同等级移频量的光输出，从而适应性强，基本能够覆盖所有的场景。
在其中一个实施例中，分束器为消偏振分束器。
基于此思想下，将消偏振分束器的形状设置为直平行六面体消偏振分束器，如图2所示，本实施例中，为保证高功率输入光的要求，不能使用合成的分光棱镜，而应该使用平板分束器，而对普通平板分束器而言，入射光在平板的后表面也会发生反射，进而产生重影与前表面反射光发生重叠而影响功率稳定，因此，设计了直平行六面体消偏振分束器，可以有效的消除分束器发生的重影现象，后表面的反射光在分束器内被侧壁被吸收、无法出射，保证透射光与反射光不会被干扰。
在其中一个实施例中，±1阶衍射光以入射角45°进入所述直平行六面体消偏振分束器，可以保证良好分束器的良好的分光性能。
综上所述，选择直平行六面体消偏振分束器具有如下有益效果：
一、消除后表面反射的重影对功率稳定的影响；
二、能引导入射光的入射角度，入射光起偏需要保证45°入射角；
三、这种设计节约光路空间，能够保证不与声光晶体1的0阶光发生干扰。
在其中一个实施例中，直平行六面体消偏振分束器的分光比满足：
|Ts-TP|＜ξ和|Rs-RP|＜ξ
其中，TP和TS分别表示S偏振光和P偏振光的透射光，RS和RP分别表示S偏振光和P偏振光的反射光，并且Ts/Rs≥50。限制Ts/Rs≥50是满足分光器的高分光比的要求。
具体的，在利用分光反馈进行高质量功率稳定时，输出激光功率稳定度不仅环路内的控制水平相关，还与分光比的稳定性相关。由于环路内功率稳定度已相对很高，因此，分光比的稳定性目前已成为高稳定度功率输出的制约因素。经理论分析可知，要做好功率稳定，一是要尽量限制分光比和透射率的大小，二是要在源头上尽量减小分光比的波动变化。设计的模块需要尽量提高输出功率。因此，需要尽量提高透过率，前者由于分束器对S偏振光和P偏振光的分光比无法做到相同，透射光的TP和TS有差别，同时反射光的RS和RP也不同。当入射光的偏振发生变化时，那么经过分束器的S偏振光和P偏振光的组成成分权重也会发生变化，这样就会引起总透射率的微小变化。为减小波动，首先必须使用消偏振的分束器，同时在分束器制作工艺过程中，要尽量同时减小分光束透射率和反射率对S偏振光和P偏振光的差异，简单的做法是在所用波长位置使S偏振曲线和P偏振做到尽可能重合。本发明所设计的直平行六面体消偏振分束器正是根据系统集成的需求，通过前后表面的精细镀膜，从而最终实现所设计分束器分光比的稳定可靠。具体而言就是所用的表面加工和镀膜技术，使|Ts-TP|＜ξ、|Rs-RP|＜ξ，这里ξ要尽可能小，接近0.1％水平，且分光比基本不受偏振、温度和光功率的影响。
在其中一个实施例中，第一微波驱动模块和第二微波驱动模块均包括开启状态和关闭状态，开启状态下为第一声光晶体和/或第二声光晶体提供驱动信号，以此通过控制第一微波驱动模块和第二微波驱动模块均包括开启状态和关闭状态，实现0阶衍射光、±1阶衍射光和
Figure BDA0003270266380000061
阶衍射光输出。
具体的，通过改变驱动信号频率f1与f2，可以控制耦合器2的输出激光频率，其频率为(v+f1-f2)。当f1＝f2时，耦合器2输出的频率为v，即与输入光的频率保持一致，此时通过AOM2控制输出2的关断，即可实现光开关功能。
在其中一个实施例中，起偏器为格兰泰勒棱镜，所述光学模块中的光纤为单模保偏光纤，从而可保证输出光拥有良好的线偏振性。
在其中一个实施例中，反馈回路用于保持±1阶衍射光和
Figure BDA0003270266380000071
阶衍射光的功率稳定。
具体的，AOM1、高分光比消偏振分光片、光电探测器、PID控制模块与驱动模块组成了反馈控制回路，使得通过AOM1后的+1阶光实现功率稳定，进而使得通过AOM2后的-1阶光也能保持功率稳定，实现稳定的激光输出。需要着重说明的是，为了提高功率稳定指标，实现高稳定度的激光功率输出，这里做闭环功率稳定控制回路上的分束器必须使用高分光比消偏振分光片，即反射光的水平偏振反射率和竖直偏振反射率尽可能相等、透射光的水平偏振透射率和竖直偏振透射率也几乎一致，这样才能保证反射光和透射光的比值接近恒定，且受外界影响小。
在其中一个实施例中，0阶衍射光的频移大小为0，所述±1阶衍射光的移频大小为MHz级别，所述
Figure BDA0003270266380000072
阶衍射光的移频大小为kHz级别。
具体的，如图2所示，输出1的激光为未经AOM1调制的0阶光，其功率未实现稳定，与原激光的功率波动一致，可反映原激光的功率波动情况，故可用来作为观测原激光信号的监测输出。经过AOM1的+1阶光通过反馈控制实现了功率稳定，该+1阶光频率为(v+f1)，其经过AOM2调制后生成功率及偏振性稳定的0阶光与-1阶光，-1阶光为输出2，0阶光为输出3。输出2的光频率为(v+f1-f2)，输出3的光频率为(v+f1)，通常AOM的移频大小为MHz，而通过此双AOM调制的方法，输出2的移频大小可达到kHz，输出3的移频大小达到MHz，这满足了不同量级的移频需求。此外，当f1＝f2时，输出2的频率为v，与输入光频率一致，实现0移频，并且在f1＝f2，且f1和f2采用相同信号源时，可以实现输入信号的绝对0移频，这便可以通过控制AOM2的通断实现光开关功能，且响应速度可达亚微秒量级。装置内空间光的线偏振消光比(PER)可达到50dB，光纤输出激光的PER优于30dB，光纤输出激光功率稳定度优于0.1％水平。值得说明的是，在本装置的某些使用场景下，具有稳功率需求，但是不需要对原始信号的频率进行调整，本装置可以很好的解决该问题。
综上所述，本发明具备如下技术效果：
(1)保证输出光的高线偏振性；(2)实现输出光的高功率稳定性；(3)可实现输出光的功率调节和快速关断可调频功能；(4)可输出高质量的0移频光及MHz以内的低频移频光；(5)可实现百MHz量级的高移频光；(6)可输出原始零移频光作为频率和功率监测光。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种集成多路移频输出装置，其特征在于，所述装置包括：集成封装的光学模块、至少四个光纤接口以及至少三个电信号接口；
所述光学模块包括：光准直器、起偏器、第一声光晶体、分束器、光电探测器、第二声光晶体、第一光耦合器、第二光耦合器以及第三光耦合器；
所述光纤接口包括：光纤输入端口、零移频监测输出端口、低移频光输出端口以及高移频光输出端口；
所述电信号接口包括：第一微波驱动接口、第二微波驱动接口以及信号采集口；
入射光由所述光纤输入端口输入，分别经过所述光准直器和所述起偏器得到线偏振光，所述线偏振光输入所述第一声光晶体，所述第一声光晶体通过所述第一微波驱动接口加载外部第一微波驱动模块，所述第一微波驱动模块给所述第一声光晶体提供第一驱动信号，得到0阶衍射光和±1阶衍射光，所述0阶衍射光经由所述第一光耦合器后，由所述零移频监测输出端口输出；所述±1阶衍射光经过所述分束器后，反射光输入至所述光电探测器将光信号转化为电信号，所述电信号由所述信号采集口输出至外部PID控制器，所述PID控制器与所述第一微波驱动模块连接，所述第一声光晶体、所述分束器、所述PID控制器与所述第一微波驱动模块组成反馈回路；透射光输入至所述第二声光晶体，所述第二声光晶体通过第二微波驱动接口加载第二微波驱动模块，所述第二微波驱动模块给所述第二声光晶体提供第二驱动信号，得到±1阶衍射光和
Figure FDA0003270266370000011
阶衍射光；所述
Figure FDA0003270266370000012
阶衍射光经由第二光耦合器后，由低移频光输出端口输出，所述±1阶衍射光经由所述第三光耦合器后，由高移频光输出端口输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分束器为消偏振分束器。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述消偏振分束器为直平行六面体消偏振分束器。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述±1阶衍射光以入射角45°进入所述直平行六面体消偏振分束器。
5.根据权利要求2至4任一项所述的装置，其特征在于，所述直平行六面体消偏振分束器的分光比满足：
|Ts-TP|＜ξ和Rs-RP|＜ξ
其中，TP和TS分别表示S偏振光和P偏振光的透射光，RS和RP分别表示S偏振光和P偏振光的反射光，并且Ts/Rs≥50。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一微波驱动模块和所述第二微波驱动模块均包括开启状态和关闭状态，所述开启状态下为第一声光晶体和/或第二声光晶体提供驱动信号，以此通过控制第一微波驱动模块和所述第二微波驱动模块均包括开启状态和关闭状态，实现0阶衍射光、±1阶衍射光和
Figure FDA0003270266370000021
阶衍射光输出。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述起偏器为格兰泰勒棱镜，所述光学模块中的光纤为单模保偏光纤。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反馈回路用于保持±1阶衍射光和
Figure FDA0003270266370000023
阶衍射光的功率稳定。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述0阶衍射光的频移大小为0，所述±1阶衍射光的移频大小为MHz级别，所述
Figure FDA0003270266370000022
阶衍射光的移频大小为kHz级别。
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CN103746285A (zh) * 2013-12-27 2014-04-23 中国科学院国家授时中心 一种基于声光调制器的高稳定性激光频率扫描装置

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