CN104022435A - 超高速超大带宽四波混频连续线性扫频激光源 - Google Patents

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何祖源
杜江兵
樊昕昱
刘庆文
许聃
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Abstract

一种光纤传感解调、光频域反射分析领域的超高速超大带宽四波混频连续线性扫频激光源，包括：单边带的四波混频扫频激光信号生成装置、信号光激光器以及分别与上述两个装置的输出端相连的频率啁啾放大装置，该单边带的四波混频扫频激光信号生成装置包括：作为种子光源的窄线宽激光器和与之相连的电光调制装置。本发明采用四波混频实现高速宽带连续扫频激光，能够对原始电子器件输出的信号的频率扫描速度和频率扫描带宽的提高，提高幅度可以达到2倍以上。

Description

超高速超大带宽四波混频连续线性扫频激光源
技术领域
本发明涉及光纤传感解调、光频域反射分析领域的装置，具体是一种频率扫描速度为100GHz/s、频率扫描带宽20GHz的超高速超大带宽四波混频连续线性扫频激光源。
背景技术
扫频激光作为一种时间波长编码的特殊激光光源技术，在光学相干层析成像、光频域反射分析、光纤传感解调、光谱分析、以及光通信***和元器件测试等领域有着广泛的应用和需求，涉及的范围包括了通信、生物、医疗、科研、安全防护、国防军事等。高质量的应用对扫频激光的扫描带宽、扫描速度、扫描线性度、激光线宽、激光频率精度等性能提出更高要求，对于OCT，扫描带宽直接对应成像的轴向分辨率，激光线宽直接决定成像深度，而高速扫描有利于实时成像并把握快速的动态细节，OFDR需要连续频率扫描，同时宽带扫描以提高分辨率，而光纤传感解调和光谱分析中，扫描带宽则对应测量动态范围。因此，作为基础仪表，高性能的高速、宽带扫频激光光源具有大量和迫切的科研价值和市场需求。
目前，现有的扫频激光光源技术主要分为基于腔内滤波扫描的扫频光源、基于微波信号电光调制的扫频光源和基于色散展开的时频交错超连续光源。其中真正实现应用的只有腔内滤波扫描的扫频光源，主要利用微机电***、扫描振镜、旋转多面镜和压电陶瓷等驱动技术，结合光栅、干涉仪等滤波技术，在激光器腔内实现可调谐波长选择，从而输出扫频激光[Yun,S.H.,C.Boudoux,Guillermo J.Tearney,and Brett E.Bouma."High‐speed wavelength‐sweptsemiconductor laser with a polygon‐scanner‐based wavelength filter."Optics Letters28.20(2003):1981‐1983.]。这一类型的扫频光源主要应用于OCT，优点是扫描带宽相对较宽，可以达到上百纳米，但完全受限于材料的光谱范围，同时扫描速度较快。其缺点是线宽较宽，一般达到皮米量级，并且由于激光腔内的扫频驱动带来较差的稳定性，使得扫描的线性度、精度和平坦度都较差。扫描带宽和速度之间，以及他们和扫频精度、线性度之间一般存在相互的权衡和折衷[陈明惠,丁志华,陶渊浩,吴彤."宽带快速线性扫频激光光源的研制."中国激光38.2(2011):121‐125.]。
另一方面，基于微波信号电光调制的扫频光源主要应用在光频域反射分析、光纤传感解调等窄带的领域，由于微波信号具有非常理想的线性度、平坦度和精度，通过电光调制的扫频光源可以得到几乎完美的高精度线性扫频，准连续扫描，同时，基于斜坡扫描等电子组件可以实现连续模拟扫描，从而具有使得扫频光源具有连续的频率。激光扫频是通过电光调制本地激光实现，因此扫频光源的瞬时线宽只跟本地激光有关，从而可以利用超窄线宽的本地激光器得到窄线宽的连续/准连续高精度高线性度扫频激光[Alayn Loayssa,Rubén Hernández,DavidBenito,and Sonia Galech."Characterization of stimulated Brillouin scattering spectra by use ofoptical single‐sideband modulation."Optics letters29.6(2004):638‐640]。但是，微波信号的电子设备在扫描速度、扫描范围上很受限制，电子瓶颈使得这类光源的扫频速度和带宽被限制在几百GHz/S和几十GHz量级，例如安捷伦微波信号发生器E8257D：扫描速度<400GHz/s，扫描带宽<40GHz。因此，在宽带和大动态范围的应用中，这种扫频光源技术无法满足需求。
不管是腔内滤波扫描的扫频光源还是微波信号电光调制的扫频光源，机械和电子的瓶颈使得相应的激光扫频性能几乎已经达到极限，进一步大幅提高扫频光源的性能变得极为困难，特别是扫描速度和带宽。因此，急需发展新的技术来满足更高的需求，比如频率啁啾放大技术[B.P.‐P.Kuo and Stojan Radic,“Fast wideband source tuning by extra‐cavity parametric process,”Opt.Express18,19930‐19940(2010)]。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种超高速超大带宽四波混频连续线性扫频激光源，采用高阶的四波混频过程、级联的四波混频过程或者高阶级联的四波混频过程实现一种新型的高速宽带连续扫频激光。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括：单边带的四波混频扫频激光信号生成装置、信号光激光器以及分别与上述两个装置的输出端相连的频率啁啾放大装置；其中：
所述的单边带的四波混频扫频激光信号生成装置包括：作为种子光源的窄线宽激光器和与之相连的电光调制装置；该电光调制装置包括：依次串联的马赫增德尔型电光调制器、隔离器和光纤光栅。
所述的电光调制装置也可以采用单边带调制器或者四相相移键控信号调制器。
所述的窄线宽激光器与信号光激光器的波长不同。
所述的窄线宽激光器为半导体激光器或者光纤激光器，其波长固定或调谐。
所述的电光调制装置的射频扫频信号的中心频率≥10GHz。
所述的频率啁啾放大装置包括：依次串联的放大器、高非线性光纤和光滤波器，其中：放大器的输入端分别与单边带的四波混频扫频激光信号生成装置、信号光激光器的输出端相连。
所述的高非线性光纤进行高阶的四波混频过程或者级联的四波混频过程或者高阶级联的四波混频过程。
本发明能够实现对原始电子器件输出的信号的频率扫描速度和频率扫描带宽的提高，提高幅度可以达到2倍以上。
附图说明
图1为频率啁啾放大的功能示意图；
图2为扫频激光源***结构示意图，其中：NLL：窄线宽激光器；EOM：电光调制器；ISO：隔离器；FBG：Bragg光纤光栅；EDFA：掺铒光纤放大器；
图3为频率啁啾放大装置示意图，其中：HNLF：高非线性光纤；BPF：光滤波器。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例在高阶的四波混频情况下，所得到的高阶闲频光的频率将和泵浦光、信号光的频率牢牢绑定，频率啁啾也将逐级放大，考虑泵浦光具有⊿ω的频率啁啾，并且扫频为频率啁啾，则可以在第三阶闲频光得到频率啁啾为4⊿ω。
基于图1的原理，本实施例采用CS‐RZ的调制方法，如图2所示，包括：单边带的四波混频扫频激光信号生成装置、信号光激光器(图3中示出)以及分别与上述两个装置的输出端相连的频率啁啾放大装置，其中：
所述的单边带的四波混频扫频激光信号生成装置包括：作为种子光源的窄线宽激光器NLL和与之相连的电光调制装置；该电光调制装置包括：依次串联的马赫增德尔型电光调制器EOM、隔离器ISO和光纤光栅FBG。
所述的电光调制装置也可以采用单边带调制器或者四相相移键控信号调制器。
本实施例基于Mach‐Zehnder型电光调制将载波高效压制，残余的两个边带的频率间隔是调制基频率的两倍，然后利用Fiber Bragg Grating(FBG)滤出一个边带，基于本方法可以将消光比提高到40dB以上。本实施例中，种子光的输波长位于1550nm附近，输出功率为10mW。FBG的波长相比窄线宽种子激光器的波长偏移20GHz，FBG的带宽为0.1nm，反射率大于20dB。射频扫频信号的中心频率为20GHz，扫描带宽为5GHz，扫描速度400GHz/s。
将得到的高消光比的单边带扫频激光信号输入到频率啁啾放大***进行频率啁啾放大。本实施例采用的频率啁啾放大***如图3所示，包括：依次串联的放大器EDFA、高非线性光纤HNLF和光滤波器BPF，其中：放大器EDFA的输入端分别与单边带的四波混频扫频激光信号生成装置以及信号光激光器Laser‐S的输出端相连。
扫频激光作为输入信号光与本地的窄线宽低噪声激光器合并输入到EDFA，经过EDFA放大的光进入到HNLF进行高阶四波混频，然后经过滤波器得到所需的闲频光波长。本地的窄线宽低噪声激光器的波长与图2中的种子激光波长相差2nm，输出功率为1mW。EDFA的输出功率为500mW，HNLF的非线性系数为11/W/km，长度为500m。经过频率啁啾的放大过程，得到不低于10阶的四波混频，通过滤波器滤出扫频激光一侧的第9级闲频光，得到10倍放大的扫频速度和扫频带宽。从而得到扫频带宽为50GHz，扫描速度为4THz/s。

Claims (5)

1.一种超高速超大带宽四波混频连续线性扫频激光源，其特征在于，包括：单边带的四波混频扫频激光信号生成装置、信号光激光器以及分别与上述两个装置的输出端相连的频率啁啾放大装置，其中：
所述的单边带的四波混频扫频激光信号生成装置包括：作为种子光源的窄线宽激光器和与之相连的电光调制装置；
该电光调制装置为以下任一一种方式实现：
a)依次串联的马赫增德尔型电光调制器、隔离器和光纤光栅；
b)单边带调制直接得到单边带的扫频激光信号的单边带调制器；
c)单边带调制直接得到单边带的扫频激光信号的四相相移键控信号调制器；
所述的四波混频是指：高阶的四波混频过程、级联的四波混频过程或者高阶级联的四波混频过程。
2.根据权利要求1所述的四波混频连续线性扫频激光源，其特征是，所述的窄线宽激光器与信号光激光器的波长不同。
3.根据权利要求1所述的四波混频连续线性扫频激光源，其特征是，所述的窄线宽激光器为半导体激光器或者光纤激光器，其波长固定或调谐。
4.根据权利要求1所述的四波混频连续线性扫频激光源，其特征是，所述的电光调制装置的射频扫频信号的中心频率≥10GHz。
5.根据权利要求1所述的四波混频连续线性扫频激光源，其特征是，所述的频率啁啾放大装置包括：依次串联的放大器、高非线性光纤和光滤波器，其中：放大器的输入端分别与单边带的四波混频扫频激光信号生成装置以及信号光激光器的输出端相连；
所述的高非线性光纤用于进行高阶的四波混频过程或者级联的四波混频过程或者高阶级联的四波混频过程。
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