CN114370992A - 一种新型微腔色散探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型微腔色散探测装置，包括：连续激光器、第一光开关、光耦合器、循环频移环路单元、第一频移器、任意信号发生器、光电探测器、模数转换器和信号处理单元，所述连续激光器的输出端通过光开关连接至光耦合器的第一输入端，所述光耦合器的第一输出端连接至第一频移器的第一输入端，所述循环频移环路单元的一端连接至光耦合器的第二输入端，所述循环频移环路单元的另一端连接至光耦合器的第二输出端，所述任意信号发生器的输出端连接至第一频移器的第二输入端，所述第一频移器输出端连接至光探测器的输入端，所述光探测器的输出端连接至模数转换器的输入端。本发明探测速度快，结构简单成本低廉,探测精度高。

Description

一种新型微腔色散探测装置

技术领域

本发明涉及频谱扫描装置技术领域，更具体地，涉及一种新型微腔色散探测装置。

背景技术

色散各种激光传播媒质和波导器件的基本参数，除了媒质本身的材料色散，器件的几何结构也产生波导色散。色散测试的主要方法包括相移法、干涉法和脉冲时延法。在这些基本测试方法之外，还存在部分针对特殊应用或波导器件的方法。

光学微腔在布里渊滤波器、克尔光频梳等非线性应用中有广泛研究。在这些研究中，微腔的色散已成为一个重要参数，关系着微腔结构能否实现高增益的参量放大。微腔光频梳的研究中，色散决定了参数增益的谱最大值、梳状振荡是否在本振型间隔上启动，以及在给定泵浦功率下的微腔光频梳的带宽。另外，对于布里渊微腔激光器的产生也需要将自由光谱范围(FSR)与布里渊频移进行精确的匹配，而实现这种精确的匹配需要精密的探测腔色散。微腔的色散一般通过测量微腔谐振的自由光谱范围后计算得出。微腔的FSR具有带宽大，变化量小，易受环境以及扫频光源影响发生频偏等问题。现有的实现微腔色散测量的方式众多，如用扫频激光器结合马赫增的干涉仪(MZI)进行微腔扫描，单边带扫描法以及门罗系统扫描法等方法，但这些方法大多存在系统价格高昂，测量时间长，对微腔的热积累较多以及测量精度欠缺等问题，因此，如何快速且高精度的测量微腔FSR成为目前的难点。

现有技术公开了一种基于色散干涉法的微腔激光绝对距离测量装置和方法，其中，基于色散干涉法的微腔激光绝对距离测量装置包括：泵浦激光器、微腔、分束器、第一反射镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机；所述泵浦激光器输出的激光通过微腔至第一反射镜和第二反射镜，反射镜合并送入分光光谱仪，最终至计算机。该方案针对微腔激光绝对距离进行测量并不对微腔色散探测。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中光学微腔色散探测方法成本高、测量精度低的缺陷，提供一种新型微腔色散探测装置。

本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种新型微腔色散探测装置，包括：连续激光器、第一光开关、光耦合器、循环频移环路单元、第一频移器、任意信号发生器、光电探测器、模数转换器和信号处理单元，所述连续激光器的输出端通过光开关连接至光耦合器的第一输入端，所述光耦合器的第一输出端连接至第一频移器的第一输入端，所述循环频移环路单元的一端连接至光耦合器的第二输入端，所述循环频移环路单元的另一端连接至光耦合器的第二输出端，所述任意信号发生器的输出端连接至第一频移器的第二输入端，所述第一频移器输出端连接至光探测器的输入端，所述光探测器的输出端连接至模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端连接至信号处理单元的输入端。

进一步地，所述循环频移环路单元包括第二光开关、光放大器、微波信号发生器、第二频移器，所述光耦合器的第二输出端通过第二光开关连接至光放大器的输入端，所述光放大器的输出端连接至第二频移器的第一输入端，所述微波信号发生器的输出端连接至第二频移器的第二输入端，所述第二频移器输出端连接至耦合器的第二输入端。

进一步地，所述循环频移环路单元包括第二光开关、光放大器、微波信号发生器、第二频移器，所述光耦合器的第二输出端通过第二光开关连接至第二频移器的第一输入端，所述微波信号发生器的输出端连接至第二频移器的第二输入端，所述第二频移器的输出端连接至光放大器的输入端，所述光放大器输出端连接至耦合器的第二输入端。

进一步地，所述第二频移器工作时的模式设置为抑制载波的单边带调制。

进一步地，所述微波信号发生器输出的微波信号频率范围为：1MHz～60GHz。

进一步地，所述任意信号发生器的电频谱间隔为1Hz～20MHz，所述任意信号发生器的电信号频谱带宽范围1MHz～60GHz。

进一步地，所述任意信号发生器用于驱动第一频移器。

进一步地，当光信号从第二输出端进入循环频移环路单元时，第一光开关为开路状态。

进一步地，所述第一频移器的输出信号表示为：(f₀+n*f)+Bw_n，其中连续激光器发出的单频连续光信号的频率，微波信号发生器输出的输出频率，n为循环频移环路单元的循环次数，Bw_n为边带信号的带宽。

进一步地，第一频移器的输出信号进入待探测微腔，信号从待探测微腔的输出后进入所述光电探测器，所述待探测微腔的色散用其谐振频率的变化情况来表示，微腔谐振位置的角频率为ω_μ，所述微腔谐振位置的角频在基准角频率ω₀处泰勒展开为：

其中μ是相对于基准频率的谐振级次(μ＝±1,±2,…)，D₁/2π表示微腔的FSR，D₂/2π表示二阶色散，且与群速度色散参数β₂的关系为

c和n分别表示光速和材料折射率，D₂的正负分别表示微腔在此基准频率处为反常、正常色散，D₃,D₄,…表示高阶色散；D_int(μ)被称为总和色散，其包含了二阶和其他D_n高阶色散项，代表了由色散引起的微腔谐振频率总的偏差量。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明利用连续激光器、第一光开关、光耦合器、循环频移环路单元、第一频移器、任意信号发生器、光电探测器、模数转换器构建了一种新型微腔色散探测装置，本发明探测速度快，结构简单成本低廉,探测精度高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种新型微腔色散探测装置原理图。

图2为本发明实施例提供的另一种新型微腔色散探测装置原理图。

图3为本发明对光学微腔探测过程中的透射谱曲线示意图。

附图标记：1-连续激光器；2-第一光开关；3-光耦合器；4-循环频移环路单元；401-第二光开关；402-光放大器；403-第二频移器；404-微波信号发生器；5-第一频移器；6-任意信号发生器；7-光电探测器；8-模数转换器；9-信号处理单元。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

如图1所示，一种新型微腔色散探测装置，包括：连续激光器1、第一光开关2、光耦合器3、循环频移环路单元4、第一频移器5、任意信号发生器6、光电探测器7、模数转换器8、信号处理单元9，所述连续激光器1的输出端通过第一光开2关连接至光耦合器3的第一输入端，所述光耦合器3的第一输出端连接至第一频移器5的第一输入端，所述循环频移环路单元4的一端连接至光耦合器3的第二输入端，所述循环频移环路单元4的另一端连接至光耦合器3的第二输出端，所述任意信号发生器6的输出端连接至第一频移器5的第二输入端，所述第一频移器5输出端连接至光探测器的输入端，所述光探测器的输出端连接至模数转换器8的输入端，所述模数转换器8的输出端连接至信号处理单元9的输入端。

进一步地，所述循环频移环路单元4包括第二光开关401、光放大器402、微波信号发生器404、第二频移器403，所述光耦合器3的第二输出端通过第二光开关401连接至光放大器402的输入端，所述光放大器402的输出端连接至第二频移器403的第一输入端，所述微波信号发生器404的输出端连接至第二频移器403的第二输入端，所述第二频移器403输出端连接至耦合器的第二输入端。

进一步地，所述第二频移器403工作时的模式设置为抑制载波的单边带调制。

进一步地，所述微波信号发生器404输出的微波信号频率范围为：1MHz～60GHz。

进一步地，所述任意信号发生器6的电频谱间隔为1Hz～20MHz，所述任意信号发生器6的电信号频谱带宽范围1MHz～60GHz。

进一步地，所述任意信号发生器6用于驱动第一频移器5。

进一步地，当光信号从第二输出端进入循环频移环路单元4时，第一光开关2为开路状态。

进一步地，所述第一频移器5的输出信号表示为：(f₀+n*f)+Bw_n，其中连续激光器发出的单频连续光信号的频率，微波信号发生器404输出的输出频率，n为循环频移环路单元4的循环次数，Bw_n为边带信号的带宽。

进一步地，第一频移器5的输出信号进入待探测微腔，信号从待探测微腔的输出后进入所述光电探测器7，所述待探测微腔的色散用其谐振频率的变化情况来表示，微腔谐振位置的角频率为ω_μ，其可以在基准频率(微腔的泵浦频率)ω₀处泰勒展开为：

其中μ是相对于基准频率的谐振级次(μ＝±1,±2,…)，D₁/2π表示微腔的FSR，D₂/2π表示二阶色散，且与群速度色散参数β₂的关系为

c和n分别表示光速和材料折射率，D₂的正负分别表示微腔在此基准频率处为反常、正常色散，D₃,D₄,…D_n表示高阶色散；D_int(μ)被称为总和色散(integrated dispersion)，其包含了二阶和其他高阶色散项，代表了由色散引起的微腔谐振频率总的偏差量。

本发明的工作原理：连续激光器1发射频率为f₀的单频连续光信号，经过第一光开关2，转换成脉冲光信号。然后脉冲光信号经过光耦合器3分成两路光信号，其中光耦合器3第一输出端输出的光信号进入第一频移器5，第一频移器5受任意信号发生器6调制，对任意信号发生器6根据预设的等间隔频谱电信号控制程序进行信号输出，需要说明的是，电信号频谱间隔Δf_e可根据需要任意设置，电信号频谱间隔的设置范围为：1Hz～20MHz。电信号的频谱带宽Bw可从1MHz～60GHz任意可调，使得任意信号发生器6产生电频域的频率梳，所述电频域的频率梳用以驱动第一频移器5，进而对连续单频光信号f₀进行调制，产生以f₀为中心载波，边带信号的带宽为Bw，光频谱间隔为Δf的光信号。由于对于光信号的光频谱间隔Δf_o＝1Hz～20MHz来说，换算为波长为少于0.01pm的波长间隔，属于高精度的波长间隔范围，经过数字光频梳调制的光信号(即第一频移器5输出的光信号)直接进入光学微腔结构，对光学微腔进行第一次的探测，获得了关于f₀+Bw的微腔吸收透过谱信号，所述关于f₀+Bw的微腔吸收透过谱信号表示为f₀+Bw₀；

需要说明的是，本实施例中循环频移环路单元4的结构适用于输入光功率较大时(>-10dBm)，光耦合器3第二输出端输出的光信号进入闭环的循环环路系统，

此时对第一开关进行开路控制，同时对第二光开关401进行闭合控制，经过闭合第二光开关4012的光信号经过一个第二频移器403，此时第二频移器403的调制模式设置为抑制载波的单边带调制。第二频移器403受微波信号发生器404驱动，微波信号发生器404可设置从1MHz-60 GHz的任意频率微波信号输出，记为f，光信号经过第二频移器403后，在频移器的作用下，光信号变为(f₀+f)，然后光信号经过光放大器402进行放大后，再次进入光耦合器3，此时光信号再次分成两路信号，其中一路直接再次经过第一移频器后进入光学微腔结构，对光学微腔进行第二次的探测，获得了关于(f₀+f)+Bw的微腔吸收透过谱信号，表示为(f₀+f)+Bw₁；另外一路光信号再次进入闭环的循环环路系统，再次完成频移的过程。以此类推，每次经过循环频移的光信号表示为(f₀+n*f)+Bw，其中n为循环次数，n＝1，2，3…。每次从循环频移环路出来后进入光学微腔进行探测的光信号表示为(f₀+n*f)+Bw_n，其中n为循环次数，n＝1，2，3…。所有这些光信号通过时分复用的方式进入光探测器进行光电转换后，得到的电信号再经过模数转换即可变成可信号处理的数字信号，即可对n个Bw范围内的频谱进行解调，同时亦可得到光学微腔的FSR信息。

光学微腔的色散可以用其谐振频率的变化情况来表示，光学微腔谐振位置的角频率为ω_μ，其可以在基准频率(微腔的泵浦频率)ω₀处泰勒展开为：

其中μ是相对于基准频率的谐振级次(μ＝±1,±2,…)，D₁/2π表示光学微腔的FSR，D₂/2π表示二阶色散，且与群速度色散参数β₂的关系为

c和n分别表示光速和材料折射率，D₂的正负分别表示光学微腔在此基准频率处为反常、正常色散，D₃,D₄,…D_n表示高阶色散；D_int(μ)被称为总和色散(integrated dispersion)，它包含了二阶和其他高阶色散项，代表了由色散引起的光学微腔谐振频率总的偏差量。综上所述，通过精确测量光学微腔谐振的频率位置，并进行多项式数据拟合，可以得到包含D₂和D_int的微腔色散参数。因此,根据得到的微腔FSR信息即可通过算法得到光学微腔的色散,通过本发明可以实现高快速和高精度的光学微腔色散的解调。

实施例2

如图2所示，本实施例中，所述循环频移环路单元4包括第二光开关401、光放大器402、微波信号发生器404、第二频移器403，所述光耦合器3的第二输出端通过第二光开关401连接至第二频移器403的第一输入端，所述微波信号发生器404的输出端连接至第二频移器403的第二输入端，所述第二频移器403的输出端连接至光放大器402的输入端，所述光放大器402输出端连接至耦合器的第二输入端。

需要说明的是，本实施例中循环频移环路单元4的结构适用于输入光功率较小时(<-10dBm)。

基于本实施例的结构连接关系，装置的工作过程为：连续激光器1发射频率为f₀的单频连续光信号，经过第一光开关2，转换成脉冲光信号。然后脉冲光信号经过光耦合器3分成两路光信号，其中光耦合器3第一输出端输出的光信号进入第一频移器5，第一频移器5受任意信号发生器6调制，对任意信号发生器6根据预设的等间隔频谱电信号控制程序进行信号输出，需要说明的是，电信号频谱间隔Δf_e可根据需要任意设置，电信号频谱间隔的设置范围为：1Hz～20MHz。电信号的频谱带宽Bw可从1MHz～60GHz任意可调，使得任意信号发生器6产生电频域的频率梳，所述电频域的频率梳用以驱动第一频移器5，进而对连续单频光信号f₀进行调制，产生以f₀为中心载波，边带信号的带宽为Bw，光频谱间隔为Δf的光信号。由于对于光信号的光频谱间隔Δf_o＝1Hz～20MHz来说，换算为波长为少于0.01pm的波长间隔，属于高精度的波长间隔范围，经过数字光频梳调制的光信号(即第一频移器5输出的光信号)直接进入光学微腔结构，对光学微腔进行第一次的探测，获得了关于f₀+Bw的微腔吸收透过谱信号，所述关于f₀+Bw的微腔吸收透过谱信号表示为f₀+Bw₀；

光耦合器3第二输出端输出的光信号进入闭环的循环环路系统，此时对第一开关进行开路控制，同时对第二光开关401进行闭合控制，经过闭合第二光开关401的光信号经过光放大器402，光放大器402的输出信号进入第二频移器403，此时第二频移器403的调制模式设置为抑制载波的单边带调制。第二频移器403受微波信号发生器404驱动，微波信号发生器404可设置从1MHz-60 GHz的任意频率微波信号输出，记为f，光信号经过第二频移器4031后，在频移器的作用下，光信号变为(f₀+f)，第二频移器403输出的信号进入光耦合器3，此时光信号再次分成两路信号，其中一路直接再次经过第一移频器后进入光学微腔结构，对光学微腔进行第二次的探测，获得了关于(f₀+f)+Bw的微腔吸收透过谱信号，表示为(f₀+f)+Bw₁；另外一路光信号再次进入闭环的循环环路系统，再次完成频移的过程。以此类推，每次经过循环频移的光信号表示为(f₀+n*f)+Bw，其中n为循环次数，n＝1，2，3…。每次从循环频移环路出来后进入光学微腔进行探测的光信号表示为(f₀+n*f)+Bw_n，其中n为循环次数，n＝1，2，3…。所有这些光信号通过时分复用的方式进入光电探测器7进行光电转换后，得到的电信号再经过模数转换即可变成可信号处理的数字信号，即可对n个Bw范围内的频谱进行解调，同时亦可得到光学微腔的FSR信息。

光学微腔的色散可以用其谐振频率的变化情况来表示，光学微腔谐振位置的角频率为ω_μ，其可以在基准频率(微腔的泵浦频率)ω₀处泰勒展开为：

其中μ是相对于基准角频率的谐振级次(μ＝±1,±2,…)，D₁/2π表示光学微腔的FSR，D₂/2π表示二阶色散，且与群速度色散参数β₂的关系为

c和n分别表示光速和材料折射率，D₂的正负分别表示光学微腔在此基准频率处为反常、正常色散，D₃,D₄,…D_n表示高阶色散；D_int(μ)被称为总和色散(integrated dispersion)，它包含了二阶和其他高阶色散项，代表了由色散引起的光学微腔谐振频率总的偏差量。综上所述，通过精确测量光学微腔谐振的频率位置，并进行多项式数据拟合，可以得到包含D₂和D_int的微腔色散参数。因此,根据得到的微腔FSR信息即可通过算法得到光学微腔的色散,通过本发明可以实现高快速和高精度的光学微腔色散的解调。

实施例3

本实施例将本发明装置与传统的微腔色散测量装置测量结果进行比较，具体如图3所示为本发明在对光学微腔探测过程中的透射谱曲线示意图。本发明与传统的微腔色散测量装置相比，具有探测速度快,成本低廉,探测精度高等优点，可以产生0.1GHz-4 THz范围的超精细和快速的宽光谱,可广泛应用于光学微腔的色散测量。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型微腔色散探测装置，其特征在于，包括：连续激光器、第一光开关、光耦合器、循环频移环路单元、第一频移器、任意信号发生器、光电探测器、模数转换器和信号处理单元，所述连续激光器的输出端通过光开关连接至光耦合器的第一输入端，所述光耦合器的第一输出端连接至第一频移器的第一输入端，所述循环频移环路单元的一端连接至光耦合器的第二输入端，所述循环频移环路单元的另一端连接至光耦合器的第二输出端，所述任意信号发生器的输出端连接至第一频移器的第二输入端，所述第一频移器输出端连接至光探测器的输入端，所述光探测器的输出端连接至模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端连接至信号处理单元的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种新型微腔色散探测装置，其特征在于，所述循环频移环路单元包括第二光开关、光放大器、微波信号发生器、第二频移器，所述光耦合器的第二输出端通过第二光开关连接至光放大器的输入端，所述光放大器的输出端连接至第二频移器的第一输入端，所述微波信号发生器的输出端连接至第二频移器的第二输入端，所述第二频移器输出端连接至耦合器的第二输入端。

3.根据权利要求1所述的一种新型微腔色散探测装置，其特征在于，所述循环频移环路单元包括第二光开关、光放大器、微波信号发生器、第二频移器，所述光耦合器的第二输出端通过第二光开关连接至第二频移器的第一输入端，所述微波信号发生器的输出端连接至第二频移器的第二输入端，所述第二频移器的输出端连接至光放大器的输入端，所述光放大器输出端连接至耦合器的第二输入端。

4.根据权利要求2或3所述的一种新型微腔色散探测装置，其特征在于，所述第二频移器工作时的模式设置为抑制载波的单边带调制。

5.根据权利要求2或3所述的一种新型微腔色散探测装置，其特征在于，所述微波信号发生器输出的微波信号频率范围为：1MHz～60GHz。

6.根据权利要求1所述的一种新型微腔色散探测装置，其特征在于，所述任意信号发生器的电频谱间隔为1Hz～20MHz，所述任意信号发生器的电信号频谱带宽范围1MHz～60GHz。

7.根据权利要求1所述的一种新型微腔色散探测装置，其特征在于，所述任意信号发生器用于驱动第一频移器。

8.根据权利要求1所述的一种新型微腔色散探测装置，其特征在于，当光信号从第二输出端进入循环频移环路单元时，第一光开关为开路状态。

9.根据权利要求2或3所述的一种新型微腔色散探测装置，其特征在于，所述第一频移器的输出信号表示为：(f₀+n*f)+Bw_n，其中连续激光器发出的单频连续光信号的频率，微波信号发生器输出的输出频率，n为循环频移环路单元的循环次数，Bw_n为边带信号的带宽。

10.根据权利要求1所述的一种新型微腔色散探测装置，其特征在于，第一频移器的输出信号进入待探测微腔，信号从待探测微腔的输出后进入所述光电探测器，所述待探测微腔的色散用其谐振频率的变化情况来表示，微腔谐振位置的角频率为ω_μ，所述微腔谐振位置的角频率在基准频率ω₀处泰勒展开为：

其中μ是相对于基准频率的谐振级次(μ＝±1,±2,…)，D₁/2π表示微腔的FSR，D₂/2π表示二阶色散，且与群速度色散参数β₂的关系为

c和n分别表示光速和材料折射率，D₂的正负分别表示微腔在此基准频率处为反常、正常色散，D₃,D₄,…D_n表示高阶色散；Dint(μ)被称为总和色散，其包含了二阶和其他高阶色散项，代表了由色散引起的微腔谐振频率总的偏差量。

Images