CN117387779A - 一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置及测量方法，包括依次连接的光延时鉴频模块、光电数字转换子系统和数字信号处理子系统，所述数字信号处理子系统包括多个相位解调单元，每个相位解调单元的输入端均与数字信号处理子系统对应的输出端连接，相位解调单元的输出端经相位乘法单元后连接到减法器。本发明在无需对被测光源进行频谱展宽的条件下，实现对锁模激光源f_CEO扰动的测量，无需对光源频谱展宽，技术难度低；利用数字信号处理技术，对光源f_CEO扰动进行提取，克服了传统f‑2f结构中须要对光脉冲色散进行精密控制，结构简单，成本更低；结合反馈技术，可以用于稳定锁模激光源，实现更低的频率抖动。

Description

一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置及测量方法，尤其涉及一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置及测量方法。

背景技术

激光器载波包络偏移频率(carrier-envelope offset frequency,简称f_CEO)稳定性是衡量锁模激光器频率稳定性的重要参数。在时域上，f_CEO其代表了锁模激光器输出的光源相位相对于其脉冲包络相位的偏移量。在频域上，f_CEO代表了光频梳延伸至直流频率后的最低光频梳齿频率。目前测量f_CEO的方式主要为f-2f结构。在f-2f结构中，需要将被测光源的光谱通过非线性光纤将锁模激光器的输出光谱展宽至一个倍频程，然后将低频率的光梳2倍频并与高频光梳混频，即可得到f_CEO。在该技术中，为了将光源频谱展宽，需要千瓦级脉冲功率、良好的色散控制以及较大的非线性才可以实现相干倍频展开，实现该方案的技术难度大、造价昂贵且结构复杂。

由于实现一个倍频程的光源频谱展宽的难度较大，已有相关文献报道发明了2f-3f结构。在该结构中，仅需要将光谱展宽至2/3个倍频程。借助于直流激光器，将低频光梳的3倍频与高频光梳的2倍频相混频，亦可得到f_CEO。尽管该方案将光谱展宽范围从1个倍频程降低至2/3个倍频程，但依旧需要非线性频谱展宽至较宽范围，实现该方案的技术难度依旧很大。

而无需光源频谱展宽、直接测量锁模激光源f_CEO的结构尚未被报道。

发明内容

发明目的：本发明目的是提出一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置及测量方法，在无需对被测光源进行频谱展宽的条件下，实现对锁模激光源f_CEO扰动的测量。

技术方案：本发明包括依次连接的光延时鉴频模块、光电数字转换子系统和数字信号处理子系统，所述数字信号处理子系统包括多个相位解调单元，每个相位解调单元的输入端均与数字信号处理子系统对应的输出端连接，相位解调单元的输出端经相位乘法单元后连接到减法器。

所述相位解调单元的输入端口分别与数字加权求和单元的对应端口连接，数字加权求和单元对所有输入信号进行加权求和，并将结果输出到相位计算模块。

所述相位计算模块对输入信号进行角度解调，得到输入信号的相位值，并输出。

所述光延时鉴频模块包括沿光路依次设置的锁模激光器，锁模激光器的输出光经过光滤波器、光放大器放大后，将光源通过第一光耦合器耦合得到不同的光路，其中一路光路经光延时单元后，输入第二光耦合器，另一路光路直接与第二光耦合器连接。

所述第二光耦合器的输出端连接有多个光电数字转换子系统，每个光电数字转换子系统均包括波分复用器，每个波分复用器分别与第二光耦合器对应的输出端口连接。

所述波分复用器将输入的不同频率的光分开，光路分别经过光电转换器、低通滤波器和模拟加权求和单元后，输入模数转换器，所述模数转换器与对应的相位解调单元连接。

所述光电数字转换子系统至少有三个。

所述模拟加权求和单元的输入有N个，其输入c1、c2…cn分别与NetA1，NetA2…NetAn相连。

一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、锁模激光器的输出经过光滤波器滤波后得到中心频率分别为f₁和f₂的两组光，经光放大器放大后，将光源通过第一光耦合器耦合得到不同的光路，其中一路光路经光延时单元后，输入第二光耦合器，另一路光路直接与第二光耦合器连接，其中：

f₁＝f_ceo+k·M₂·f_rep

f₂＝f_ceo+k·M₁·f_rep

式中，k、M₁、M₂为系数，f_ceo是锁模激光源载波包络偏移频率，f_rep是锁模激光源重复频率；

步骤二、第二光耦合器的输出端连接光电数字转换子系统的波分复用器，波分复用器将频率为f₁和f₂的两组光分开，两路光路分别通过光电转换器、低通滤波器、模拟加权求和单元和模数转换器连接到数字信号处理子系统的第一相位解调单元和第二相位解调单元；

步骤三、第一相位解调单元将输入c1、c2、……、cn端口的输入数字信号进行加权求和及角度解调，得到结果：

δf₁＝δf_ceo+k·M₂·δf_rep

式中，δf₁是f₁的微分结果；

第二相位解调单元将输入c1、c2、……、cn端口的输入数字信号进行加权求和及角度解调，得到结果：

δf₂＝δf_ceo+k·M₁·δf_rep

第一相位乘法单元将输入信号乘以M1后连接到减法器；第二相位乘法单元将输入信号乘以M2后连接到减法器；减法器输出为：

M₁×δf₁-M₂×δf₂＝(M₁-M₂)δf_ceo

式中，f_rep干扰变量被消除，而δf_ceo被保留。输出结果仅正比于δf_ceo。

一种采用锁模激光源载波包络偏移频率的测量方法的激光器，该激光器包括锁模激光器、锁模激光源载波包络偏移频率扰动装置和环路控制器，将测量得到的激光源载波包络偏移频率扰动结果经过环路控制器后控制锁模激光器的载波包络偏移频率。

有益效果：本发明在无需对被测光源进行频谱展宽的条件下，实现对锁模激光源f_CEO扰动的测量，无需对光源频谱展宽，技术难度低；利用数字信号处理技术，对光源f_CEO扰动进行提取，克服了传统f-2f结构中须要对光脉冲色散进行精密控制，结构简单，成本更低；结合反馈技术，可以用于稳定锁模激光源，实现更低的频率抖动。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的锁模激光器结构图；

图3为本发明的相位解调单元结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的测量装置包括依次连接的光延时鉴频模块、光电数字转换子系统和数字信号处理子系统，光延时鉴频模块包括沿光路依次设置的锁模激光器1、光滤波器2、光放大器3、第一光耦合器4、光延时单元5和第二光耦合器6。锁模激光器1的输出光首先经过光滤波器2，得到两组频率不同的光输出，经光放大器3放大后，将光源通过第一光耦合器4耦合得到两个不同的光路，其中，第一光耦合器4的a端口输出经过光延时单元5后，与第二光耦合器6的a端口相连接；第一光耦合器4的b端口与第二光耦合器6的b端口相连接。第二光耦合器6将输入的两路光信号耦合到N路，并分别连接到N个光电数字转换子系统，其中N为光电转换子系统的数量，且N≥3。

每个光电数字转换子系统都包括波分复用器，每个波分复用器分别与第二光耦合器6对应的输出端口连接，波分复用器将输入的两组不同频率的光分开，两路光路分别经过光电转换器将光信号转换为电信号，并依次输入低通滤波器和模拟加权求和单元，模拟加权求和单元的输入有N个，其输入c1、c2…cn分别与NetA1，NetA2…NetAn相连。加权求和单元中加权系数可以为0，当其中一路输入系数为0时相当于与该路输入断开。模拟加权求和单元的输出连接到模数转换器，将模拟信号转换为数字信号。模数转换器的输出端连接数字信号处理子系统。

数字信号处理子系统包括第一相位解调单元34、第二相位解调单元36、第一相位乘法单元35、第二相位乘法单元37和减法器38，第一相位解调单元34的输入端连接模数转换器，输出端连接第一相位乘法单元35，第二相位解调单元36的输入端连接模数转换器，输出端连接第二相位乘法单元37，第一相位乘法单元35和第二相位乘法单元37接入减法器38的输入端。第一相位解调单元34连接每个光电数字转换子系统中同一光路的模数转换器，第二相位解调单元36连接每个光电数字转换子系统中另一光路的模数转换器。

以第一光电数字转换子系统为例说明

第二光耦合器6的c1、c2、cn输出端口分别连接到第一波分复用器7、第二波分复用器和第N波分复用器。第一光电数字转换子系统中的第一波分复用器7将输入的两组不同频率的光分开，其中一组频率的光通过a端口输出，另一组频率的光通过b端口输出。第一波分复用器7的a端口输出连接到第一光电转换器10，将光信号转换为电信号。第一光电转换器10的输出与第一低通滤波器11相连，之后送入第一模拟加权求和单元12的c1端口。第一波分复用器7的b端口输出连接到第二光电转换器14，将光信号转换为电信号。第二光电转换器14的输出与第二低通滤波器15相连，之后送入第二模拟加权求和单元16的c1端口。

第一模拟加权求和单元12的输入有N个，其输入c1、c2…cn分别与NetA1，NetA2…NetAn相连。加权求和单元中加权系数可以为0，当其中一路输入系数为0时相当于与该路输入断开。其输出连接到第一模数转换器13，将模拟信号转换为数字信号。第二模拟加权求和单元16的输入有N个，其输入c1、c2…cn分别与NetB1，NetB2…NetBn相连。加权求和单元中加权系数可以为0，当其中一路输入系数为0时相当于与该路输入断开。其输出连接到第二模数转换器17，将模拟信号转换为数字信号。

第一模数转换器13的输出连到第一相位解调单元34的c1端口。第一相位解调单元34将输入信号的相位解调后通过s端口输出，经过第一相位乘法单元35将相位乘以系数M1后连接到减法器38的a端口。第二模数转换器17的输出连到第二相位解调单元36的c1端口。第二相位解调单元36将输入信号的相位解调后通过s端口输出，经过第二相位乘法单元37将相位乘以系数M2后连接到减法器38的b端口。减法器38计算两个输入信号的差值，通过s端口输出，减法器38的输出即为锁模激光源载波包络偏移频率扰动值。

第一相位解调单元34和第二相位解调单元36可以通过图3所示结构实现。相位解调单元的c1端口连接到第一数字加权求和单元201的c1端，c2端口连接到第一数字加权求和单元201的c2端，cn端口连接到第一数字加权求和单元201的cn端。第一数字加权求和单元201对所有输入信号进行加权求和，值得注意的是，当某路加权系数为0时，等效于将该路输入信号断开。加权求和后的结果通过s端输出，连接到相位计算模块203的a端。

类似地，相位解调单元的c1端口连接到第二数字加权求和单元202的c1端，c2端口连接到第二数字加权求和单元202的c2端，cn端口连接到第二数字加权求和单元202的cn端。第二数字加权求和单元202对所有输入信号进行加权求和，当某路加权系数为0时，等效于将该路输入信号断开。加权求和后的结果通过s端输出，然后连接到相位计算模块203的b端。

相位计算模块203对两路输入信号进行角度解调，得到输入信号的相位值，并通过s端口输出。

本发明通过将两组不同频率的光延时鉴频，得到包含锁模激光器载波包络偏移频率的电信号信息。利用多通道处理技术，对多组电信号进行模拟、数字加权耦合，并通过相位解调、差值等运算计算得到激光器载波包络偏移频率扰动。无需对光源频谱展宽，可以直接对被测激光源的载波包络偏移频率扰动进行测量。

本发明的测量方法包括以下步骤：

步骤一、锁模激光器的输出经过光滤波器滤波后得到中心频率分别为f₁和f₂的两组光，其中：

f₁＝f_ceo+k·M₂·f_rep

f₂＝f_ceo+k·M₁·f_rep

式中，k、M₁、M₂为系数，f_ceo是锁模激光源载波包络偏移频率，f_rep是锁模激光源重复频率。

步骤二、经过光放大器放大后，通过第一光耦合器将光分成两路，其中一路经光延时单元连接到第二光耦合器，另一路直接连接到第二光耦合器，第二光耦合器的输出端连接光电数字转换子系统的波分复用器。

步骤三、波分复用器将频率为f₁和f₂的两组光分开，两路光路分别通过光电转换器、低通滤波器、模拟加权求和单元和模数转换器连接到数字信号处理子系统的第一相位解调单元和第二相位解调单元；

步骤四、第一相位解调单元将输入c1、c2、……、cn端口的输入数字信号进行加权求和及角度解调，得到结果：

δf₁＝δf_ceo+k·M₂·δf_rep

式中，δf₁是f₁的微分结果；

第二相位解调单元将输入c1、c2、……、cn端口的输入数字信号进行加权求和及角度解调，得到结果：

δf₂＝δf_ceo+k·M₁·δf_rep

第一相位乘法单元将输入信号乘以M1后连接到减法器的a端口；第二相位乘法单元将输入信号乘以M2后连接到减法器的b端口。因此，减法器的s端口输出为：

M₁×δf₁-M₂×δf₂＝(M₁-M₂)δf_ceo

式中，f_rep干扰变量被消除，而δf_ceo被保留。输出结果仅正比于δf_ceo。

本发明还包括一种采用锁模激光源载波包络偏移频率的测量方法的激光器，如图2所示，该激光器包括锁模激光器1、锁模激光源载波包络偏移频率扰动装置102和环路控制器103，将测量得到的激光源载波包络偏移频率扰动结果经过环路控制器103后控制锁模激光器1的载波包络偏移频率。

Claims (10)

1.一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，包括依次连接的光延时鉴频模块、光电数字转换子系统和数字信号处理子系统，所述数字信号处理子系统包括多个相位解调单元，每个相位解调单元的输入端均与数字信号处理子系统对应的输出端连接，相位解调单元的输出端经相位乘法单元后连接到减法器。

2.根据权利要求1所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述相位解调单元的输入端口分别与数字加权求和单元的对应端口连接，数字加权求和单元对所有输入信号进行加权求和，并将结果输出到相位计算模块。

3.根据权利要求2所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述相位计算模块对输入信号进行角度解调，得到输入信号的相位值，并输出。

4.根据权利要求3所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述光延时鉴频模块包括沿光路依次设置的锁模激光器，锁模激光器的输出光经过光滤波器、光放大器放大后，将光源通过第一光耦合器耦合得到不同的光路，其中一路光路经光延时单元后，输入第二光耦合器，另一路光路直接与第二光耦合器连接。

5.根据权利要求4所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述第二光耦合器的输出端连接有多个光电数字转换子系统，每个光电数字转换子系统均包括波分复用器，每个波分复用器分别与第二光耦合器对应的输出端口连接。

6.根据权利要求5所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述波分复用器将输入的不同频率的光分开，光路分别经过光电转换器、低通滤波器和模拟加权求和单元后，输入模数转换器，所述模数转换器与对应的相位解调单元连接。

7.根据权利要求1所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述光电数字转换子系统至少有三个。

8.根据权利要求6所述的一种锁模激光源载波包络偏移频率的测量装置，其特征在于，所述模拟加权求和单元的输入有N个，其输入c1、c2…cn分别与NetA1，NetA2…NetAn相连。

9.一种采用权利要求6所述的锁模激光源载波包络偏移频率测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

锁模激光器的输出经过光滤波器滤波后得到中心频率分别为f₁和f₂的两组光，经光放大器放大后，将光源通过第一光耦合器耦合得到不同的光路，其中一路光路经光延时单元后，输入第二光耦合器，另一路光路直接与第二光耦合器连接，其中：

f₁＝f_ceo+k·M₂·f_rep

f₂＝f_ceo+k·M₁·f_rep

式中，k、M₁、M₂为系数，f_ceo是锁模激光源载波包络偏移频率，f_rep是锁模激光源重复频率；

第二光耦合器的输出端连接光电数字转换子系统的波分复用器，波分复用器将频率为f₁和f₂的两组光分开，两路光路分别通过光电转换器、低通滤波器、模拟加权求和单元和模数转换器连接到数字信号处理子系统的第一相位解调单元和第二相位解调单元；

第一相位解调单元将输入c1、c2、……、cn端口的输入数字信号进行加权求和及角度解调，得到结果：

δf₁＝δf_ceo+k·M₂·δf_rep

式中，δf₁是f₁的微分结果；

第二相位解调单元将输入c1、c2、……、cn端口的输入数字信号进行加权求和及角度解调，得到结果：

δf₂＝δf_ceo+k·M₁·δf_rep

第一相位乘法单元将输入信号乘以M1后连接到减法器；第二相位乘法单元将输入信号乘以M2后连接到减法器；减法器输出为：

M₁×δf₁-M₂×δf₂＝(M₁-M₂)δf_ceo

式中，f_rep干扰变量被消除，而δf_ceo被保留。输出结果仅正比于δf_ceo。

10.一种采用锁模激光源载波包络偏移频率的测量方法的激光器，其特征在于，该激光器包括锁模激光器、锁模激光源载波包络偏移频率扰动装置和环路控制器，将测量得到的激光源载波包络偏移频率扰动结果经过环路控制器后控制锁模激光器的载波包络偏移频率。