CN205880412U - 一种引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置。本装置信号光和参考光经波分复用器接入电光调制器，解波分复用器分出调制后参考光经光电探测器接入微处理器。微处理器据参考光强度控制电光调制器偏置电压。本装置微处理器依次获得各偏置电压下的光电探测器输出的信号光功率和参考光光强度采样值。信号光输出功率为最小时为最佳偏置电压V₀；V₀对应参考光光强度参照值AD₀，并得到V₀与参考光最小光强度采样值对应的偏置电压值V’的关系。电光调制器输入V₀，微处理器比较当前参考光光强度采样值与AD₀，当二者差的绝对值达到阈值，修正偏置电压。本实用新型通过监测参考光，实时调整偏置电压，有效克服漂移影响。

Description

一种引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置

技术领域

本实用新型属于激光脉冲产生及整形技术领域，具体涉及一种引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置。

背景技术

在激光加工、切割等生产过程以及相关的科研中，不同形状的光脉冲可能表现出不同的特性。为了获得更好的效果，往往需要获得具有一定形状的激光脉冲。

目前，光脉冲整形方法主要有三种，即基于半导体激光器的脉冲整形方法、基于脉冲堆积的脉冲整形方法和基于电光调制器的脉冲整形方法。

1、基于半导体激光器的脉冲整形方法利用任意形状的整形电脉冲直接驱动半导体激光器，产生与电脉冲形状一致的激光脉冲。此方法所用装置的结构简单，控制方便，但其激光束质量受半导体激光器影响，脉冲整形精度有限，最新的研究结果可以实现脉宽10ns(纳秒)、时域调节精度330ps(皮秒)任意形状整形激光脉冲。

2、基于脉冲堆积的脉冲整形方法是采用多个短脉冲在时域上首尾相连，组合成一个长脉冲。此方法可以产生亚ps到ns脉冲，堆积结果依赖于堆积的脉冲基元及延时大小。其产生的脉冲具有扫频特性、上升沿陡峭、受环境和光程变化小等优点，但该方法涉及超短脉冲的产生、放大、控制等技术，实现难度大。

3、基于电光调制器的脉冲整形方法通过将整形电脉冲加载到电光调制器，对连续光进行幅度调制，从而产生整形脉冲。此方法需要足够快的调制信号源和电光调制器，一般用于百ps以上到ns或更长时间的脉冲整形。主要受限于电光调制的响应速率。电光调制器的脉冲整形技术比较成熟，整形能力强。其核心器件是电光调制器，所加的电调制信号使其输出光强度发生 变化，即装置输出的光脉冲峰值改变。通过精确控制高消光比电光调制器的直流电压偏置点，即可产生高对比度的任意整形脉冲。但是随着器件内的静电荷积累以及温度的变化，直流偏置点会发生漂移，导致输出光脉冲相位变化，消光比下降。为了解决该问题，一般需要输入稳定的连续光，然后对输出光进行监测，反馈控制电光调制器，保证输出稳定。但是当输入信号光为脉冲光，现有的监测反馈方法失效，基于电光调制器的脉冲整形无法有效完成。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有的基于电光调制器的光脉冲整形技术的不足，提出一种引入参考光的电光调制器脉冲整形装置，引入参考光与信号光一起经过波分复用器、电光调制器，再经解波分复用器分出的参考光送入光电探测器，反映参考光光强度的电信号送入微处理器，微处理器据此经由数模转换单元、射频驱动器，控制电光调制器。

本实用新型设计的一种引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置包括电光调制器，还包括波分复用器、解波分复用器、光电探测器、微处理器、数模转换单元、射频驱动器。

信号光和参考光输入波分复用器合为一路，接入电光调制器对信号光和参考光进行幅度调制，产生整形脉冲，电光调制器的输出端连接解波分复用器，将调制后的信号光和参考光分开，解波分复用器输出的信号光为本装置的输出，解波分复用器输出的参考光接入光电探测器，光电探测器经模数转换单元接入微处理器，微处理器由光电探测器获取监测信号，微处理器的控制信号接射频驱动器和数模转换单元，电调制信号接入射频驱动器；射频驱动器和数模转换单元的输出接入电光调制器，射频驱动器根据微处理器的控制信号对电调制信号放大后加载到电光调制器，数模转换单元将微处理器的数字电压控制信号转换为模拟信号送入电光调制器、控制其偏置电压，最终微处理器根据参考光的反馈，调整电光调制器工作于最佳偏置电压。

所述波分复用器、电光调制器、解波分复用器适用于参考光和信号光波长，经光纤连接。

所述输入的信号光为线偏振连续激光或脉冲激光(ms或μs级)。本装置输出信号光为脉冲宽度ns级、频率1～1kHz的低频窄脉冲光。

所述输入的参考光是高稳定线偏振激光器提供的连续光，其波长与信号光波长的差为0.4nm～600nm。

所述模数转换单元的采样周期大于电光调制器输出的信号光的脉冲宽度，采样频率大于电光调制器输出的信号光的脉冲频率5～15倍，从而本模数转换器可在两个脉冲间连续采样5～15次，所得的5～15个采样值中最大只会包含光脉冲的一个最大值，将其剔除，其余值即反映当前偏置电压下的透过光强。

所述电光调制器为波导型铌酸锂电光强度调制器。

所述电调制信号由波形发生器产生，电调制信号与脉冲型信号光的调制频率相同。为保证两者脉冲同时到达电光调制器，引入一个与脉冲型信号光相关联的同步信号，作为波形发生器的触发信号以产生同步电调制信号。

所述的光电探测器为PIN型光电二极管。

为了让接入光电探测器的参考光光强度与光电探测器的输入强度配合，避免光电探测器饱和，解波分复用器分出的参考光接入衰减器，再接入光电探测器；和/或，为了让光电探测器输出的电信号便于微处理器识别，光电探测器输出的电信号接入放大器再接入模数转换单元。

本实用新型的引入参考光的电光调制器脉冲整形装置使用时先确认最佳偏置电压。

系统通电启动进行初始化，取连续激光信号光和参考光一起输入波分复用器，本步骤中所用的连续激光信号光的波长与将要进行脉冲整形的信号光波长相同，射频驱动器正常工作。电光调制器输出的信号光接入光功率计。

微处理器遍历电光调制器的各偏置电压点，即从最高偏置电压遍历到最低偏置电压，微处理器的电压控制指令经数模转换单元转换后送入电光调制器，在各电压偏置点，记录信号光输出功率值；同时透过电光调制器的参考光在光电探测器转换为相应的电信号，并经模数转换单元采样送入微处理器，即微处理器接收对应电光调制器输出的参考光脉冲强度对应的电信号采样值，称之为参考光的光强度采样值。

微处理器依次获得各偏置电压下的光电探测器输出的信号光功率和参考光光强度采样值。

此波长信号光输出功率为最小时，对应的偏置电压为该波长信号光的最佳偏置电压，记录此最佳偏置电压值V₀；信号光输出功率为最小时对应的参考光光强度采样值为参考光光强度参照值AD₀，并得到所述最佳偏置电压值V₀与参考光最小光强度采样值对应的偏置电压值V’的关系，将针对该波长信号光所得的最佳偏置电压值V₀、参考光光强度参照值AD₀以及V₀和V’的大小关系存储于微处理器当中。

本装置工作自动跟踪调整偏置点，对信号光脉冲整形。

信号光和参考光输入波分复用器，射频驱动器放大电调制信号并送入电光调制器。微处理器向电光调制器送出所得的最佳偏置电压V₀。

由于电调制信号和输出脉冲之间的变换不是线性的，为了获得指定波形的输出脉冲，需针对电调制信号进行特殊设计。系统正常工作时，电调制信号与输出脉冲间有以下变换关系：

$I=I_{\max }{\cos }^2(\frac{1}{2}\·(\frac{kM}{V_{\mathrm{\π}}}\·\mathrm{\π}+\mathrm{\π}\left)\right)$

其中，I为输出脉冲的光强，I_max为电光调制器透过的最大光强，k为射频驱动器的放大倍数，M为电调制信号，V_π为电光调制器的半波电压，即透过光最大时对应的偏置电压与透过光最小时对应的偏置电压之差。对于指定的脉冲波形，可逆向求取对应的电调制信号。

微处理器设置阈值。微处理器实时比较当前参考光光强度采样值与步骤1所得的参考光光强度参照值AD₀，当二者差的绝对值达到设置阈值时，对偏置电压进行小步长修正，以达到二者差小于设置阈值。

与现有技术相比，本实用新型一种引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置的有益效果是：1、突破现有技术的局限，设计参考光光路，由参考光路搜索获得最佳偏置点电压，并通过监测参考光的当前光强度状态、间接掌握电光调制器的当前工作状态，适用于连续激光或脉冲光的信号光，实时调整电光调制器的偏置电压，有效克服静电荷积累及温度变化引起的偏置电压漂 移影响，以保证输出高对比度任意整形光脉冲；2、引入高稳定的参考光路，获得稳定的反馈值，并可根据参考光路的反馈方便地搜索获得适用于信号光的最佳偏置点电压；3、微处理器根据参考光获取了反映偏置点漂移的准确光强信息，有利于微处理器的正确调整；4、本实用新型工作稳定，易于实现，能够适用于线偏振连续激光或多种ms或μs级的脉冲激光的信号光，偏置电压控制精度达0.002V，实现任意波形脉冲整形，时域整形精度小于100ps，输出脉冲对比度大于200:1。

附图说明

图1为本引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置实施例1结构示意图；

图2为本引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置实施例1的信号光输出波形；

图3为本引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置实施例2的信号光输出波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置实施例1

本引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置实施例1如图1所示，图中虚线连线表示光纤连接，实线连线表示导线连接。信号光λ₁IN和参考光λ₂IN输入波分复用器合为一路，接入电光调制器对信号光和参考光进行幅度调制，产生整形脉冲，再接入解波分复用器，将调制后的信号光和参考光分开，解波分复用器输出的信号光λ₁OUT为本装置的输出，解波分复用器输出的参考光λ₂OUT经衰减器接入光电探测器，光电探测器经放大器、模数转换单元接入微处理器，微处理器由光电探测器获取监测信号，微处理器的控制信号接RF驱动器(即射频驱动器)和数模转换单元，电调制信号接入RF驱动器；RF驱动器和数模转换单元的输出接入电光调制器，RF驱动器根据微处理器的控制信号对电调制信号放大后加载到电光调制器，数模转换单元根据微处理器 的控制信号控制电光调制器的偏置电压。

本例输入的信号光λ₁IN为线偏振连续激光或脉冲光，波长1053nm。本例装置输出信号光脉冲宽度为3.09ns级、频率为1kHz的低频窄脉冲光。

本例输入的参考光λ₂IN是高稳定线偏振激光器提供的连续光，波长980nm。

本例波分复用器、电光调制器、解波分复用器和光电探测器适用于参考光和信号光波长，经光纤连接。

本例电光调制器件为波导型铌酸锂电光强度调制器。本例电调制信号M由波形发生器产生。

本例光电探测器为PIN型光电二极管。具体为GCPD-1P系列光电探测器，饱和功率大于或等于2mW，响应时间为1ns，响应度大于或等于0.8A/W。

本例输入的信号光λ₁IN为重复频率1kHz，脉冲宽度1μs线偏振脉冲光，波长1053nm。

本例输入的参考光λ₂IN是高稳定线偏振激光器提供的连续光，波长980nm，平均功率10mW。

本例电调制信号M由波形发生器产生，为3ns方波，调制频率1kHz。

本例装置正常工作状态下，得到3ns信号光输出，信号光输出3ns方波，脉冲波形见图2，图2的横坐标为时间，单位为ns/div，纵坐标为光强度转换的电压值，单位为30mV/div，其脉冲上升沿为68.6ps，脉冲高度为195.9mV，脉冲宽度3.09ns，连续工作1小时，输出稳定性为均方根(RMS)值为1.16％。

引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置实施例2

本例与上述引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置实施例1结构相同，本例信号光为脉宽1μs的线偏振脉冲光，频率1kHz，波长1053nm，平均功率10mW。

本例参考光是高稳定线偏振激光器提供的线偏振连续光，波长980nm，平均功率10mW。

本例电调制信号由波形发生器产生，为3ns三台阶波，频率1kHz。

本例装置正常工作状态下，得到3ns三台阶形态的信号光脉冲输出，信 号光输出脉冲波形见图3。

上述实施例表明，本实用新型的一种引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置适用于信号光为连续激光或脉冲光，具备优秀的光脉冲整形能力，能够保证长时高稳定工作状态。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置，包括电光调制器和射频驱动器，其特征在于：

还包括波分复用器、解波分复用器、光电探测器、微处理器和数模转换单元；

信号光和参考光输入波分复用器合为一路，接入电光调制器，电光调制器的输出端连接解波分复用器，将调制后的信号光和参考光分开，解波分复用器输出的信号光为本装置的输出，解波分复用器输出的参考光接入光电探测器，光电探测器经模数转换单元接入微处理器，微处理器的控制信号接射频驱动器和数模转换单元，电调制信号接入射频驱动器；射频驱动器和数模转换单元的输出接入电光调制器，数模转换单元将微处理器的数字电压控制信号转换为模拟信号送入电光调制器；

所述波分复用器、电光调制器、解波分复用器适用于参考光和信号光波长，经光纤连接；

所述输入的信号光为线偏振连续激光或脉冲激光；本装置输出信号光为脉冲宽度ns级、频率1～1kHz的低频窄脉冲光；

所述输入的参考光是高稳定线偏振激光器提供的连续光，其波长与信号光波长的差为0.4nm～600nm。

2.根据权利要求1所述的引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置，其特征在于：

所述模数转换单元的采样周期大于电光调制器输出的信号光的脉冲宽度，采样频率大于电光调制器输出的信号光的脉冲频率5～15倍。

3.根据权利要求1所述的引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置，其特征在于：

所述电光调制器为波导型铌酸锂电光强度调制器。

4.根据权利要求1所述的引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置，其 特征在于：

所述的光电探测器为PIN型光电二极管。

5.根据权利要求1所述的引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置，其特征在于：

所述电调制信号由波形发生器产生，电调制信号与脉冲型信号光的调制频率相同；引入一个与脉冲型信号光相关联的同步信号，作为波形发生器的触发信号以产生同步电调制信号。

6.根据权利要求1所述的引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置，其特征在于：

所述解波分复用器分出的参考光接入衰减器，再接入光电探测器；和/或光电探测器输出的电信号接入放大器再接入模数转换单元。