CN115799966A - 基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，该方法利用光纤法布里‑珀罗腔的透射峰和布拉格光栅的带通特性对锁模光频梳进行频率提取，提取出的频率模式与分布反馈式激光器发出的激光一起耦合进入环形谐振腔实现自注入锁定，达到稳定锁定状态后，通过3dB分束器，一束激光通过光谱仪直接观察，另一束激光通过延时自外差系统测量线宽。该方法能产生频率可调谐的激光信号，在稳频的同时压窄线宽，并实现低背景噪声下的光功率放大。该方法生成的激光信号适用于对线宽和频率稳定性有严格要求的领域，如应用在相干光通信中，可提高信号质量以增大中继距离和减小误码率。

Description

基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法

技术领域

本发明涉及一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，属于激光生成技术，可应用于相干光通信、激光测量等领域。

背景技术

半导体激光器具有波长范围广泛、电光转化效率高、使用寿命长和体积小易集成的优点，但其缺点在于线宽较宽，难以适用于相干光通信、激光测量、相控阵雷达以及光纤传感等对激光器频率稳定性和线宽有十分严格要求的领域。良好的光纤激光器输出线宽值可达到几十Hz量级，目前广泛使用的窄线宽激光器主要为光纤激光器。但是光纤激光器存在着转化效率低、体积大等不足，半导体激光器相较光纤激光器有更高的转化效率和较小的体积。因此对半导体激光器进行频率稳定和线宽压窄可以使其具有更显著的性能优势，发挥更大的应用潜力。

目前分布反馈式半导体激光器线宽一般可以达到MHz量级，由于其腔长限制，很难进一步降低线宽。更窄线宽的分布反馈式半导体激光器还会出现频率漂移、线宽不稳定的情况。因此增加外腔或利用注入锁定技术对分布反馈式激光器进行线宽压窄是一种可行性高、成本低的方法。

仅使用分布反馈式半导体激光器进行实验研究会受波长调谐范围的限制，市面上商用的分布反馈式激光器一般是通过调谐注入电流与温度来控制其输出波长与功率，且随着注入电流的增大，波长与功率呈现同步增大趋势，但不能精确调节波长与功率，这一特征在使用中较为受限制。

光学频率梳是一种飞秒脉冲的新型光源，时域上表现为周期性脉冲，频域上表现为分布均匀、位置固定且光谱范围极宽的一系列梳状谱线。锁模光学频率梳具有较小且稳定的重复频率，提取出的每一根梳齿都可以产生一束单频激光，如果将其与分布反馈式激光器和自注入锁定技术结合在一起，有助于生成可调谐范围更大、频率稳定且线宽较窄的激光信号。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，该方法利用光纤法布里-珀罗腔的透射峰和布拉格光栅的带通特性对锁模光频梳进行频率提取，提取出的频率模式与分布反馈式激光器发出的激光一起耦合进入环形谐振腔实现自注入锁定，达到稳定锁定状态后，通过3dB分束器，一束激光通过光谱仪直接观察，另一束激光通过延时自外差系统测量线宽。

本发明所采用的的技术方案是：一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，包括：

光频梳频率提取模块，所述的光频梳频率提取模块包括锁模光学频率梳、法布里-珀罗腔、布拉格光栅滤波器；

分布反馈式激光器控制模块，所述的分布反馈式激光器控制模块包括分布反馈式激光器、激光器驱动与温控模块、计算机；

可调谐光衰减器；

自注入锁定环形谐振腔模块，所述的自注入锁定环形谐振腔模块包括环形器、第一耦合器、第一偏振控制器、第二耦合器、增益介质、第三耦合器、光隔离器、第二偏振控制器；

第四耦合器；

线宽测量模块，所述的线宽测量装置包括第五耦合器、光纤延时线、第六耦合器、光电探测器、示波器、声光调制器；

光谱仪。

所述的光频梳频率提取模块用于提取出锁模光频梳的单根频率模式；

所述的锁模光学频率梳可以产生多根频率间隔相等的频率模式，依次与法布里-珀罗腔、布拉格光栅滤波器相连，所述的法布里-珀罗腔的透射峰具有较大的频率间隔与较小的通过带宽，可以减小光频梳频率模式数量、增大光频梳频率模式间隔，所述的布拉格光栅滤波器具有一个小于2倍法布里-珀罗腔透射峰频率间隔的大带宽透射窗口，可以过滤出单根频率模式；

所述的布拉格光栅滤波器与第一耦合器上支路相连。

所述的分布反馈式激光器控制模块用于调谐注入电流大小并控制温度，以调谐分布反馈式激光器输出的激光波长；

所述的计算机依次与激光器驱动与温控模块、分布反馈式激光器相连，所述的计算机上包含激光器驱动与温度控制软件，可以通过控制激光器驱动与温控模块来调谐分布反馈式激光器的注入电流与温度，以控制分布反馈式激光器的输出波长与功率；

所述的分布反馈式激光器依次与可调谐光衰减器、环形器的②口相连。

所述的可调谐光衰减器用于进一步调谐分布反馈式激光器的输出功率范围。

所述的自注入锁定环形谐振腔模块用于增大所述光频梳频率提取模块提取出的单根频率模式的功率，并对其进行稳频和线宽压窄，以生成高质量可调谐的光信号；

所述的环形器③口依次与第一耦合器下支路、第一偏振控制器、第二耦合器、增益介质、第三耦合器、光隔离器、第二偏振控制器、环形器①口相连；

所述的环形器③口输出的激光与光频梳频率提取模块提取出的单根频率模式一起耦合进入第一耦合器，控制第一耦合器的耦合比，使上支路占比大、下支路占比小，耦合后单根频率模式成为主要成分；

所述的第一偏振控制器和第二偏振控制器用于控制激光光束偏振方向，提高激光耦合效率；

所述的第二耦合器与增益介质、第三耦合器相连形成环形谐振腔回路，该环形谐振腔回路具有选频滤波以及光功率放大的作用，其出射的激光进入光隔离器后可以保持传播方向的单向性，防止反向激光对环形谐振腔回路稳定性造成影响；

激光从所述的环形器①口进入，从环形器②口出射注入分布反馈式激光器，当注入光与分布反馈式激光器自身的光功率比值、频率差值达到一定范围时，处于自注入锁定状态的分布反馈式激光器会消耗自身载流子与增益介质来增大注入光功率，并抑制其他频率模式，产生与注入光频率相同的激光，循环再次进入自注入锁定环形谐振腔模块进行多次选频滤波以及放大，系统稳定后，在第二耦合器上支路可得到频率稳定、窄线宽、大功率的高质量激光信号；

所述的第二耦合器上支路与第四耦合器相连。

所述的线宽测量模块用于测量自注入锁定环形谐振腔模块生成的激光信号的线宽；

所述的第四耦合器的上、下支路分别与第五耦合器和光谱仪相连，所述的第五耦合器的上、下支路分别与光纤延时线、声光调制器相连，所述的光纤延时线与声光调制器分别与第六耦合器的上、下支路相连，所述的第六耦合器依次与光电探测器、示波器相连；

激光被所述的第五耦合器分为上、下两个支路传播，上支路经过光纤延时线进行延时，延时时间要求为激光相干时间的6倍及以上，下支路经过声光调制器进行频移，上、下两支路激光耦合进入第六耦合器，通过平方律模型的光电探测器产生拍频信号，可使用示波器对拍频信号进行观察，在不考虑噪声影响的情况下，该拍频信号的半高半宽近似为所测量激光的线宽；下支路可以通过光谱仪直接观察生成的激光信号质量。

进一步地，所述的锁模光学频率梳、法布里-珀罗腔、布拉格光栅滤波器、分布反馈式激光器、可调谐光衰减器、环形器、耦合器、偏振控制器、增益介质、光隔离器、光纤延时线、光电探测器、示波器、声光调制器、光谱仪存在相同的工作波长范围。

进一步地，所述的第一耦合器上、下支路分光比为90∶10，第二耦合器分光比为50∶50，第三耦合器分光比为50∶50，第四耦合器分光比为50∶50，第五耦合器分光比为50∶50，第六耦合器分光比为50∶50。

本发明其有益效果在于：本发明提供一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，利用光纤法布里-珀罗腔和布拉格光栅的透射特性对锁模光频梳进行频率提取，再利用自注入锁定环形谐振腔实现对提取出的频率模式的调谐，在稳频的同时压窄线宽，并实现低背景噪声下的光功率放大。该方法生成的激光信号应用范围广泛，如应用在相干光通信载波中，可提高信号质量以显著增大中继距离和减小误码率。

附图说明

图1：本发明基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法的结构示意图。

附图标注：

1——光频梳频率提取模块； 11——锁模光学频率梳；

12——法布里-珀罗腔； 13——布拉格光栅滤波器；

2——分布反馈式激光器控制模块； 21——分布反馈式激光器；

22——激光驱动与温控驱动模块； 23——计算机；

3——可调谐光衰减器；

4——自注入锁定环形谐振腔模块； 41——环形器；

42——第一耦合器； 43——第一偏振控制器；

44——第二耦合器； 45——增益介质；

46——第三耦合器； 47——光隔离器；

48——第二偏振控制器；

5——第四耦合器；

6——线宽测量模块； 61——第五耦合器；

62——光纤延时线； 63——第六耦合器；

64——光电探测器； 65——示波器；

66——声光调制器；

7——光谱仪。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

如图1所示，一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，包括：

光频梳频率提取模块1，所述的光频梳频率提取模块1包括锁模光学频率梳11、法布里-珀罗腔12、布拉格光栅滤波器13；

分布反馈式激光器控制模块2，所述的分布反馈式激光器控制模块2包括分布反馈式激光器21、激光器驱动与温控模块22、计算机23；

可调谐光衰减器3；

自注入锁定环形谐振腔模块4，所述的自注入锁定环形谐振腔模块包括环形器41、第一耦合器42、第一偏振控制器43、第二耦合器44、增益介质45、第三耦合器46、光隔离器47、第二偏振控制器48；

第四耦合器5；

线宽测量模块6，所述的线宽测量装置包括第五耦合器61、光纤延时线62、第六耦合器63、光电探测器64、示波器65、声光调制器66；

光谱仪7。

所述的光频梳频率提取模块1用于提取出锁模光频梳11的单根频率模式；

所述的锁模光学频率梳11可以产生多根频率间隔相等的频率模式，依次与法布里-珀罗腔12、布拉格光栅滤波器13相连，所述的法布里-珀罗腔12的透射峰具有较大的频率间隔与较小的通过带宽，可以减小光频梳频率模式数量、增大光频梳频率模式间隔，所述的布拉格光栅滤波器13具有一个小于2倍法布里-珀罗腔12透射峰频率间隔的大带宽透射窗口，可以过滤出单根频率模式；

所述的布拉格光栅滤波器13与第一耦合器42上支路相连。

所述的分布反馈式激光器控制模块2用于调谐注入电流大小并控制温度，以调谐分布反馈式激光器21输出的激光波长；

所述的计算机23依次与激光器驱动与温控模块22、分布反馈式激光器21相连，所述的计算机23上包含激光器驱动与温度控制软件，可以通过控制激光器驱动与温控模块22来调谐分布反馈式激光器21的注入电流与温度，以控制分布反馈式激光器21的输出波长与功率；

所述的分布反馈式激光器21依次与可调谐光衰减器3、环形器41的②口相连。

所述的可调谐光衰减器3用于进一步调谐分布反馈式激光器21的输出功率范围。

所述的自注入锁定环形谐振腔模块4用于增大所述光频梳频率提取模块1提取出的单根频率模式的功率，并对其进行稳频和线宽压窄，以生成高质量可调谐的光信号；

所述的环形器41③口依次与第一耦合器42下支路、第一偏振控制器43、第二耦合器44、增益介质45、第三耦合器46、光隔离器47、第二偏振控制器48、环形器41①口相连；

所述的环形器41③口输出的激光与光频梳频率提取模块1提取出的单根频率模式一起耦合进入第一耦合器42，控制第一耦合器42的耦合比，使上支路占比大、下支路占比小，耦合后单根频率模式成为主要成分；

所述的第一偏振控制器43和第二偏振控制器48用于控制激光光束偏振方向，提高激光耦合效率；

所述的第二耦合器44与增益介质45、第三耦合器46相连形成环形谐振腔回路，所述的增益介质45为掺饵光纤，该环形谐振腔回路具有选频滤波以及光功率放大的作用，其出射的激光进入光隔离器47后可以保持传播方向的单向性，防止反向激光对环形谐振腔回路稳定性造成影响；

激光从所述的环形器41①口进入，从环形器41②口出射注入分布反馈式激光器21，当注入光与分布反馈式激光器21自身的光功率比值、频率差值达到一定范围时，处于自注入锁定状态的分布反馈式激光器21会消耗自身载流子与增益介质来增大注入光功率，并抑制其他频率模式，产生与注入光频率相同的激光，循环再次进入自注入锁定环形谐振腔模块4进行多次选频滤波以及放大，系统稳定后，在第二耦合器44上支路可得到频率稳定、窄线宽、大功率的高质量激光信号；

所述的第二耦合器44上支路与第四耦合器5相连。

所述的线宽测量模块6用于测量自注入锁定环形谐振腔模块4生成的激光信号的线宽；

所述的第四耦合器5的上、下支路分别与第五耦合器61和光谱仪7相连，所述的第五耦合器62的上、下支路分别与光纤延时线62、声光调制器66相连，所述的光纤延时线62与声光调制器666分别与第六耦合器63的上、下支路相连，所述的第六耦合器63依次与光电探测器54、示波器55相连；

激光被所述的第五耦合器61分为上、下两个支路传播，上支路经过光纤延时线62进行延时，延时时间要求为激光相干时间的6倍及以上，下支路经过声光调制器66进行频移，上、下两支路激光耦合进入第六耦合器63，通过平方律模型的光电探测器64产生拍频信号，可使用示波器65对拍频信号进行观察，在不考虑噪声影响的情况下，功率谱满足洛伦兹线型，该拍频信号的半高半宽近似为所测量激光的线宽；下支路可以通过光谱仪7直接观察生成的激光信号质量。

进一步地，所述的锁模光学频率梳11、法布里-珀罗腔12、布拉格光栅滤波器13、分布反馈式激光器21、可调谐光衰减器3、环形器41、耦合器、偏振控制器、增益介质45、光隔离器47、光纤延时线62、光电探测器64、示波器65、声光调制器66、光谱仪7存在相同的工作波长范围。

进一步地，所述的第一耦合器42上、下支路分光比为90∶10，第二耦合器44分光比为50∶50，第三耦合器46分光比为50∶50，第四耦合器5分光比为50∶50，第五耦合器61分光比为50∶50，第六耦合器63分光比为50∶50，可根据使用情况调节各耦合器的耦合比以达到最佳效果。

综上所述，本发明的一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法可实现激光信号生成中的频率调谐、稳频、线宽压窄、功率放大和线宽测量等多种功能，可以产生频率可调谐的高质量激光信号，适用于对频率稳定性、线宽要求严格的研究领域。

Claims (8)

1.一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，其特征在于，包括：

光频梳频率提取模块(1)，所述的光频梳频率提取模块(1)包括锁模光学频率梳(11)、法布里-珀罗腔(12)、布拉格光栅滤波器(13)；

分布反馈式激光器控制模块(2)，所述的分布反馈式激光器控制模块(2)包括分布反馈式激光器(21)、激光器驱动与温控模块(22)、计算机(23)；

可调谐光衰减器(3)；

自注入锁定环形谐振腔模块(4)，所述的自注入锁定环形谐振腔模块(4)包括环形器(41)、第一耦合器(42)、第一偏振控制器(43)、第二耦合器(44)、增益介质(45)、第三耦合器(46)、光隔离器(47)、第二偏振控制器(48)；

第四耦合器(5)；

线宽测量模块(6)，所述的线宽测量模块(6)包括第五耦合器(61)、光纤延时线(62)、第六耦合器(63)、光电探测器(64)、示波器(65)、声光调制器(66)；

光谱仪(7)。

2.根据权利要求1所述的一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，其特征在于，所述的光频梳频率提取模块(1)用于提取出锁模光频梳(11)的单根频率模式；

所述的锁模光学频率梳(11)可以产生多根频率间隔相等的频率模式，依次与法布里-珀罗腔(12)、布拉格光栅滤波器(13)相连，所述的法布里-珀罗腔(12)的透射峰具有较大的频率间隔与较小的通过带宽，可以减小光频梳频率模式数量、增大光频梳频率模式间隔，所述的布拉格光栅滤波器(13)具有一个小于2倍法布里-珀罗腔(12)透射峰频率间隔的大带宽透射窗口，可以过滤出单根频率模式；

所述的布拉格光栅滤波器(13)与第一耦合器(42)上支路相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，其特征在于，所述的分布反馈式激光器控制模块(2)用于调谐注入电流大小并控制温度，以调谐分布反馈式激光器(21)输出的激光波长；

所述的计算机(23)依次与激光器驱动与温控模块(22)、分布反馈式激光器(21)相连，所述的计算机(23)上包含激光器驱动与温度控制软件，可以通过控制激光器驱动与温控模块(22)来调谐分布反馈式激光器(21)的注入电流与温度，以控制分布反馈式激光器(21)的输出波长与功率；

所述的分布反馈式激光器(21)依次与可调谐光衰减器(3)、环形器(41)的②口相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，其特征在于，所述的可调谐光衰减器(3)用于进一步调谐分布反馈式激光器(21)的输出功率范围。

5.根据权利要求1所述的一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，其特征在于，所述的自注入锁定环形谐振腔模块(4)用于增大所述光频梳频率提取模块(1)提取出的单根频率模式的功率，并对其进行稳频和线宽压窄，以生成高质量可调谐的光信号；

所述的环形器(41)③口依次与第一耦合器(42)下支路、第一偏振控制器(43)、第二耦合器(44)、增益介质(45)、第三耦合器(46)、光隔离器(47)、第二偏振控制器(48)、环形器(41)①口相连；

所述的环形器(41)③口输出的激光与光频梳频率提取模块(1)提取出的单根频率模式一起耦合进入第一耦合器(42)，控制第一耦合器(42)的耦合比，使上支路占比大、下支路占比小，耦合后单根频率模式成为主要成分；

所述的第一偏振控制器(43)和第二偏振控制器(48)用于控制激光光束偏振方向，提高激光耦合效率；

所述的第二耦合器(44)与增益介质(45)、第三耦合器(46)相连形成环形谐振腔回路，该环形谐振腔回路具有选频滤波以及光功率放大的作用，其出射的激光进入光隔离器(47)后可以保持传播方向的单向性，防止反向激光对环形谐振腔回路稳定性造成影响；

激光从所述的环形器(41)①口进入，从环形器(41)②口出射注入分布反馈式激光器(21)，当注入光与分布反馈式激光器(21)自身的光功率比值、频率差值达到一定范围时，处于自注入锁定状态的分布反馈式激光器(21)会消耗自身载流子与增益介质来增大注入光功率，并抑制其他频率模式，产生与注入光频率相同的激光，循环再次进入自注入锁定环形谐振腔模块(4)进行多次选频滤波以及放大，系统稳定后，在第二耦合器(44)上支路可得到频率稳定、窄线宽、大功率的高质量激光信号；

所述的第二耦合器(44)上支路与第四耦合器(5)相连。

6.根据权利要求1所述的一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，其特征在于，所述的线宽测量模块(6)用于测量自注入锁定环形谐振腔模块(4)生成的激光信号的线宽；

所述的第四耦合器(5)的上、下支路分别与第五耦合器(61)和光谱仪(7)相连，所述的第五耦合器(61)的上、下支路分别与光纤延时线(62)、声光调制器(66)相连，所述的光纤延时线(62)与声光调制器(66)分别与第六耦合器(63)的上、下支路相连，所述的第六耦合器(63)依次与光电探测器(54)、示波器(55)相连；

激光被所述的第五耦合器(61)分为上、下两个支路传播，上支路经过光纤延时线(62)进行延时，延时时间要求为激光相干时间的6倍及以上，下支路经过声光调制器(66)进行频移，上、下两支路激光耦合进入第六耦合器(63)，通过平方律模型的光电探测器(64)产生拍频信号，可使用示波器(65)对拍频信号进行观察，在不考虑噪声影响的情况下，该拍频信号的半高半宽近似为所测量激光的线宽；下支路可以通过光谱仪(7)直接观察生成的激光信号质量。

7.根据权利要求1所述的一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，其特征在于，所述的锁模光学频率梳(11)、法布里-珀罗腔(12)、布拉格光栅滤波器(13)、分布反馈式激光器(21)、可调谐光衰减器(3)、环形器(41)、耦合器、偏振控制器、增益介质(45)、光隔离器(47)、光纤延时线(62)、光电探测器(64)、示波器(65)、声光调制器(66)、光谱仪(7)存在相同的工作波长范围。

8.根据权利要求1所述的一种基于光频梳频率提取与自注入锁定的光信号生成方法，其特征在于，所述的第一耦合器(42)、第二耦合器(44)、第三耦合器(46)、第四耦合器(5)、第五耦合器(61)、第六耦合器(63)分光比可根据实际情况调整。

Images