CN114389145B - 基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，包括：驱动信号输入模块与激光器的一个输入端连接，用于生成预失真后的电流信号，并将其输入至激光器；激光器用于受电流信号驱动发出扫频光信号；延时模块用于对扫频光信号施加延时；光移频模块的输入端与激光器的输出端连接，用于对扫频光信号进行光移频；光移频模块的输出端与激光器的另一个输入端连接，以将扫频光信号注回激光器，实现激光器自注入锁定。本申请的实施例利用移频自注入锁定结构，可以有效压窄激光器的线宽、提升DFB激光器的扫频线性度，结构简单，有潜力实现小型化、集成化。由此，解决了相关技术中扫频光源系统复杂度和成本较高，且扫频范围有限的问题。

Description

基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源
技术领域
本申请涉及信号处理技术领域，特别涉及一种基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源。
背景技术
具有窄线宽的扫频光源在激光雷达、光频域反射仪等光测距和成像系统中有着广泛应用。扫频光源的线宽、扫频带宽、扫频线性度共同决定了光测距和成像系统的测量分辨率和测量距离。利用一个线性调频微波信号调制窄线宽的激光器是最常用的产生高性能扫频光源的方法，但是由于电信号发生器的带宽有限，产生的扫频光源的带宽通常不超过10GHz。
为了扩展产生扫频光源的扫频带宽，相关技术中提出利用一个分布式反馈激光器注入锁定基带信号调制生成的高阶边带。通过注入锁定，目标阶次的光边带被放大，而其他阶次的光边带被抑制，从而得到带宽数倍于基带微波信号的扫频光源。但是在这个系统中，同样需要窄线宽激光器、微波信号合成器、放大器等，系统的复杂度和成本较高；相关技术中还提出利用光电锁相环的方式对DFB激光器的扫频的线性度进行优化，但是由于锁相环带宽有限，造成DFB激光器残余扫频非线性和频率噪声较大；相关技术中还提出将DFB激光器输出经过高Q值外腔之后自注入锁定，通过热调谐外腔的谐振频点，实现DFB激光器的扫频输出。通过多次预失真迭代，成功优化了扫频光源的线性度。但是由于外腔谐振频点的热调谐范围有限，此方案生成的扫频范围不超过10GHz。
因此如何通过简单结构生成同时具有大带宽、高线性度、窄线宽的扫频光源仍是一个亟待解决的难点。
发明内容
本申请提供一种基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，以解决相关技术中扫频光源系统复杂度和成本较高，且扫频范围有限的问题。
本申请第一方面实施例提供一种基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，包括：驱动信号输入模块、激光器、至少一个延时模块、至少一个光移频模块；
所述驱动信号输入模块与所述激光器的一个输入端连接，用于生成预失真后的电流信号，并将所述电流信号输入至所述激光器；
所述激光器用于受所述电流信号驱动发出扫频光信号；
所述延时模块用于对所述扫频光信号施加延时；
所述光移频模块的输入端与所述激光器的输出端连接，用于对所述扫频光信号进行光移频；
所述光移频模块的输出端与所述激光器的另一个输入端连接，以将所述扫频光信号注回所述激光器，实现激光器自注入锁定。
根据本申请的一个实施例，还包括：与所述激光器连接的激光器驱动器，用于驱动所述激光器。
根据本申请的一个实施例，所述延时模块的延时大小根据所述扫频光信号传播的光纤长度进行调整。
根据本申请的一个实施例，所述驱动信号输入模块为函数信号发生器。
根据本申请的一个实施例，所述电流信号包括三角型或斜坡式的电流信号。
根据本申请的一个实施例，所述光移频模块的数目为两个，所述扫频光源还包括：至少两个耦合器，用于将所述扫频光信号分为两路扫频光信号和将所述两路扫频光信号合为一路扫频光信号。
根据本申请的一个实施例，还包括：与所述光移频模块输出端连接的偏振控制器，用于调整所述扫频光信号的偏振方向。
根据本申请的一个实施例，还包括：光纤放大器，用于对注回所述激光器的扫频光信号进行放大。
根据本申请的一个实施例，所述激光器自由运转状态下的输出频率与理想线性扫频的频率误差小于等于所述激光器注入锁定的范围。
根据本申请的一个实施例，每一路的所述光移频模块的频移量与所述延时模块的延时之比等于所述激光器输出的扫频斜率。
本申请实施例的基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，利用移频自注入锁定结构，可以有效压窄激光器的线宽、提升激光器的扫频线性度。此系统结构简单，有潜力实现小型化、集成化，可以应用于车载激光雷达、光纤故障检测等系统中。由此，解决了相关技术中扫频光源系统复杂度和成本较高，且扫频范围有限的问题。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的一种基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源结构示意图；
图2为根据本申请实施例提供的另一种基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源结构示意图；
图3为根据本申请实施例提供的一种具体地基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源结构示意图；
图4为根据本申请实施例提供的扫频光源光谱图；
图5为根据本申请实施例提供的扫频光源频率误差曲线示意图；
图6为根据本申请实施例提供的边模抑制结果图；
图7为根据本申请实施例提供的基于扫频光源的OFDR系统测距结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源。针对上述背景技术中心提到的扫频光源系统复杂度和成本较高，且扫频范围有限的问题的问题，本申请提供了一种基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，在扫频光源中，激光器受电流信号驱动发出扫频光信号，对扫频光信号进行光移频和施加时延后注回激光器，实现激光器自注入锁定。本申请的实施例利用移频自注入锁定结构，可以有效压窄激光器的线宽、提升DFB激光器的扫频线性度，结构简单，有潜力实现小型化、集成化。由此，解决了相关技术中扫频光源系统复杂度和成本较高，且扫频范围有限的问题。
具体而言，图1为根据本申请实施例提供的一种基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源结构示意图。
如图1所示，该基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源10包括：驱动信号输入模块100、激光器200、至少一个延时模块300、至少一个光移频模块400。
驱动信号输入模块100与激光器200的一个输入端连接，用于生成预失真后的电流信号，并将电流信号输入至激光器200。
作为一种具体实施方式，申请实施例的驱动信号输入模块可以为函数信号发生器。
在本申请的一个实施例中，电流信号包括三角型或斜坡式的电流信号。
可以理解的是，在电流信号输入激光器之前，需要对电流信号进行预失真，使得激光器自由运转的频率尽可能的接近线性扫频。
激光器200用于受电流信号驱动发出扫频光信号。
在本申请的一个实施例中，激光器200的类型为电控激光器，以可以根据输入的电流信号输出扫频光信号。如图2所示，作为一种具体的实施方式，本申请的实施例的激光器可以为DFB激光器。
延时模块300用于对扫频光信号施加延时。
光移频模块400的输入端与激光器200的输出端连接，用于对扫频光信号进行光移频。
光移频模块400的输出端与激光器200的另一个输入端连接，以将扫频光信号注回激光器200，实现激光器自注入锁定。
可以理解的是，激光器200输出的扫频光信号经的光移频以及一定的时延后，再注回激光器200，选择合适的光移频量和光纤延时，实现激光器自注入锁定。
在本申请的一个实施例中，延时模块的延时大小根据光信号传播的光纤长度进行调整。
为了实现一定的延时，本申请的实施例可以通过一段光纤实现。可以理解的是，光移频模块进行光移频时，也会产生一定的延时，因此，在对扫频光信号施加延时时，需要对光移频模块的延时进行考虑。
通过上述设置，激光器扫频的非线性和频率噪声从而得到补偿，从而得到一个窄线宽、高线性的宽带扫频光源。
在本申请的一个实施例中，基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源10还包括：与激光器连接的激光器驱动器，用于驱动激光器。
在本申请的一个实施例中，在光移频模块400的数目为两个，基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源10还包括：至少两个耦合器，用于将扫频光信号分为两路扫频光信号和将两路扫频光信号合为一路扫频光信号。
具体地，光移频模块的数目可以为两个，在激光器输出端设置一个耦合器，将扫频光信号分为两路，分别输入两路光移频模块，在两路光移频模块上分别设置延时模块，以同时对两路扫频光信号进行光移频和延时，在两路光移频模块输出端设置一个耦合器，将两路扫频光信号合并为一路，再注回激光器。
可以理解的是，设置一个光移频模块时，在激光器的输出中会含有较大的边模分量，本申请的实施例设置两个光移频模块，通过两个光移频模块，实现双环的反馈，通过游标卡尺效应，能成功抑制由自注入所激发的边模。
在本申请的一个实施例中，基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源10还包括：与光移频模块输出端连接的偏振控制器，用于调整扫频光信号的偏振方向。
可以理解的是，在光移频模块400的输出端设置一个偏振控制器，控制扫频光信号的偏振方向，以实现最佳注入。
进一步地，在光移频模块为两个时，在两路光移频模块上，均设置一个偏振控制器，分别控制两路的偏振方向。
在本申请的一个实施例中，基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源10还包括：光纤放大器，用于对注回激光器的扫频光信号进行放大。
在扫频光信号注回激光器之前，本申请的实施例可以通过一个光纤放大器对扫频光信号进行放大。作为一种具体的实施方式，光纤放大器可以为掺铒光纤放大器。
下面通过一个具体的实施例对本申请的基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源进行描述。
如图3所示，基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源包括：一个函数信号发生器、一个激光器驱动器、一个DFB激光器，一个光环形器，三个光耦合器，两个声光移频器，两个偏振控制器，一个掺铒光纤放大器。预失真之后的电流信号由函数信号发生器产生，通过DFB激光器驱动器驱动DFB激光器，激光器输出的扫频光信号进入一个光环形器，从另一个端口输出之后按照分光比9:1分成两个分支。其中10％的光留作测试，另90％的光再次分为两路，两路分别经过不同的延时之后，利用两个声光移频器进行光移频，然后被两个偏振控制器分别控制这两路的偏振方向，以最优化注入比，两个分支合路之后经由掺铒光纤放大器放大之后注入回DFB激光器，当两个反馈环路的延时和移频量调整合适，使得注入光与DFB自由运转的频率差小于DFB激光器的注入锁定范围，DFB激光器即可以实现自注入锁定，同时实现高线性度、窄线宽的宽带扫频。本申请的实施例中，利用双环反馈的方式来抑制光源中的边模和保证其单模起振。
为了实现激光器的自注入锁定，在本申请的一个实施例中，激光器自由运转状态下的输出频率相比于理想线性扫频的频率误差小于等于激光器注入锁定的范围。每个反馈环路的频移量与延时之比等于DFB激光器自由运转时的扫频斜率。
具体地，对DFB激光器施加三角形的驱动电流信号，并进行预失真处理，使得自由运转的DFB激光器的输出尽可能接近线性扫频。自由运转的激光器频率为：ffr(t)＝f0+kt+fe(t)。其中f0为DFB激光器的初始频率，k为扫频斜率，fe(t)为扫频非线性引入的频率误差。
调整两个反馈环路的延时和移频量，使得两个反馈环路的移频量和延时之比刚好等于DFB激光器扫频斜率k：并使得自注入锁定之后输出的光谱中边模抑制效果最好。当自由运转时存在的扫频非线性fe(t)小于DFB激光器的注入锁定的带宽时，DFB激光器发生移频自注入锁定，输出窄线宽、高边模抑制比、高线性度的宽带扫频光源。
在一个具体的实施例中，使用上述结构，产生了窄线宽、高线性度的扫频光源。两个反馈环长度分别选择为51.8m和55.4m，移频量分别为40.027MHz和43.026MHz。图4展示了测量得到的光谱图，谱宽为0.66nm。利用非平衡的马赫曾德尔干涉仪，测量扫频光源的频率曲线与频率误差，结果如图5所示。图5的(a)显示了扫频光源的频率曲线，扫频带宽为83GHz，和光谱仪测量的结果相一致。与理想线性扫频相对比，残留的频率误差曲线如图5的(b)所示。在自由运转状态下，DFB激光器存在着非常强的扫频非线性，频率误差为十兆赫兹量级。经过移频自注入锁定，频率误差减小了三个数量级，频率误差的均方根值为15.6kHz。通过附图6的(a)的结构对扫频光源的边模抑制效果进行了测试，测试结果如图6的(b)所示，边模抑制比从单环工作的20dBc优化至了双环工作的50dBc。将本实施例产生的光源，应用在频域反射仪中，结构如附图7的(a)所示，测试了不同光纤反射点的测距结果，测试光纤示意图和整体的反射谱如7(b)所示。各个反射点的细节图如图7的(c)所示，分别在102m、204m、406m、1420m、2432m和4184m的长度下，测距分辨率分别为1.2mm、1.2mm、1.2mm、5.5mm、13.5mm和18.0mm，体现了本申请实施例中的光源优良的相干性和线性度。
根据本申请实施例提出的基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，利用移频自注入锁定结构，可以有效压窄激光器的线宽、提升激光器的扫频线性度。此系统结构简单，有潜力实现小型化、集成化，可以应用于车载激光雷达、光纤故障检测等系统中。由此，解决了相关技术中扫频光源系统复杂度和成本较高，且扫频范围有限的问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

Claims (8)

1.一种基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，其特征在于，包括：驱动信号输入模块、激光器、至少一个延时模块、至少一个光移频模块；
所述驱动信号输入模块与所述激光器的一个输入端连接，用于生成预失真后的电流信号，并将所述电流信号输入至所述激光器；
所述激光器用于受所述电流信号驱动发出扫频光信号；
所述延时模块用于对所述扫频光信号施加延时；
所述光移频模块的输入端与所述激光器的输出端连接，用于对所述扫频光信号进行光移频；
所述光移频模块的输出端与所述激光器的另一个输入端连接，以将所述扫频光信号注回所述激光器，实现激光器自注入锁定；
所述光移频模块的数目为两个，所述扫频光源还包括：
至少两个耦合器，用于将所述扫频光信号分为两路扫频光信号和将所述两路扫频光信号合为一路扫频光信号；
每一路的所述光移频模块的频移量与所述延时模块的延时之比等于所述激光器输出的扫频斜率。
2.根据权利要求1所述的基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，其特征在于，还包括：
与所述激光器连接的激光器驱动器，用于驱动所述激光器。
3.根据权利要求1所述的基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，其特征在于，
所述延时模块的延时大小根据所述扫频光信号传播的光纤长度进行调整。
4.根据权利要求1所述的基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，其特征在于，
所述驱动信号输入模块为函数信号发生器。
5.根据权利要求1或4所述的基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，其特征在于，所述电流信号包括三角型或斜坡式的电流信号。
6.根据权利要求1所述的基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，其特征在于，还包括：
与所述光移频模块输出端连接的偏振控制器，用于调整所述扫频光信号的偏振方向。
7.根据权利要求1所述的基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，其特征在于，还包括：
光纤放大器，用于对注回所述激光器的扫频光信号进行放大。
8.根据权利要求1所述的基于移频自注入锁定的高线性度窄线宽的扫频光源，其特征在于，所述激光器自由运转状态下的输出频率与理想线性扫频的频率误差小于等于所述激光器注入锁定的范围。
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