一種寬帶線性頻率調(diào)制窄線寬光纖激光器及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種寬帶線性頻率調(diào)制窄線寬光纖激光 器及其實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 窄線寬激光的寬帶線性頻率調(diào)制技術(shù)是合成孔徑激光雷達(dá)和線性頻率調(diào)制連續(xù) 波激光雷達(dá)中的關(guān)鍵技術(shù)，但是固體激光器的寬帶線性頻率調(diào)制技術(shù)發(fā)展緩慢，嚴(yán)重制約 了激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展。對(duì)激光器進(jìn)行線性頻率調(diào)制的方法主要有聲光調(diào)制、溫度調(diào)諧、壓 電陶瓷、電光調(diào)制等方法。由于聲光調(diào)制器性能受到晶體布拉格衍射帶寬及聲波穿過光束 的渡越時(shí)間的限制，聲場(chǎng)的頻率只能到達(dá)100MHz的量級(jí)，目前最高調(diào)制帶寬的聲光調(diào)制器， 其調(diào)制帶寬僅為200MHZ，調(diào)制帶寬受到限制。向激光腔內(nèi)插入壓電陶瓷裝置或采用溫控的 方式都是目前比較常見的方法。但由于壓電陶瓷的遲滯特性、蠕變特性及其溫度特性等缺 點(diǎn)影響，調(diào)制頻率低，而且頻率不穩(wěn)定度較大;而利用改變溫度來實(shí)現(xiàn)對(duì)激光頻率調(diào)制時(shí)， 雖然可實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)諧，達(dá)到百GHz的調(diào)諧帶寬，但無法實(shí)現(xiàn)快速調(diào)制，且調(diào)頻精度較低。固體 激光器的腔內(nèi)電光晶體調(diào)制是實(shí)現(xiàn)快速線性頻率調(diào)制的相對(duì)優(yōu)化的方法。美國(guó)麻省理工大 學(xué)的林肯實(shí)驗(yàn)室在1990年采用微片短腔結(jié)構(gòu)Nd:YAG激光器，鉭酸鋰電光晶體腔內(nèi)調(diào)制方案 可實(shí)現(xiàn)最大12GHz的線性頻率調(diào)制，激光穩(wěn)定輸出同時(shí)線性度良好的調(diào)頻范圍為1GHz ; 2008 年，山西大學(xué)采用LiNb03標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合鈮酸鋰電光晶體的方法，對(duì)端栗Nd: YV04激光實(shí)現(xiàn)快速 調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧范圍為17.2GHz; 2014年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)一種LD栗浦Nd: YV04線性頻率 調(diào)制激光器，利用電光晶體RTP的電光效應(yīng)，對(duì)該激光器進(jìn)行線性頻率調(diào)制實(shí)驗(yàn)，得到最大 調(diào)頻范圍為2.08GHz。但是激光腔內(nèi)調(diào)制使用的電光調(diào)制器是具有較大體積尺寸的分離器 件，一般稱為"體調(diào)制器"，其缺點(diǎn)在于要給整個(gè)晶體施加外電場(chǎng)，要改變晶體的光學(xué)性能， 需要加載很高的電壓，從而使通過的光波受到調(diào)制。"體調(diào)制器"都是以高的調(diào)制速率來實(shí) 現(xiàn)大的調(diào)頻帶寬的。若想實(shí)現(xiàn)寬帶線性頻率調(diào)制信號(hào)，則需要很大的外加電壓。林肯實(shí)驗(yàn) 室、山西大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)實(shí)現(xiàn)的調(diào)制速度分別為12MHz/V、8.6MHz/V和9.5MHz/V。然而 電子器件受壓擺率限制，難以滿足體調(diào)制器寬帶線性頻率調(diào)制對(duì)上千伏高壓提出的線性度 的要求，其實(shí)并不能夠?qū)崿F(xiàn)的優(yōu)良調(diào)頻線性度。如林肯實(shí)驗(yàn)室雖然在微片激光器中可實(shí)現(xiàn) 最大12GHz的線性頻率調(diào)制，但線性度良好的調(diào)頻范圍僅為1GHz。除了激光器腔內(nèi)調(diào)制外， 激光線性頻率調(diào)制也可以采用外調(diào)制方式。2015年，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 申請(qǐng)的專利中提出鋸齒波信號(hào)通過高壓放大后直接驅(qū)動(dòng)二次電光效應(yīng)相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)大 范圍的窄線寬激光快速線性調(diào)頻【申請(qǐng)?zhí)? 2015103403174】。該專利申請(qǐng)中并未考慮到電子 器件受壓擺率限制，難以實(shí)現(xiàn)在高電壓下同時(shí)具有優(yōu)良線性度的情形，另外該專利申請(qǐng)的 裝置不能實(shí)現(xiàn)激光頻率的單邊帶調(diào)制，難以直接應(yīng)用于激光雷達(dá)中。由于波導(dǎo)調(diào)制器基本 上只是對(duì)很小的薄膜區(qū)域施加外電場(chǎng)，將電場(chǎng)限制在薄膜區(qū)附近，因此它所需要的驅(qū)動(dòng)功 率比體調(diào)制器要小一到二個(gè)數(shù)量級(jí)，施加較低的調(diào)制電壓就可獲得更大的調(diào)制帶寬。電光 波導(dǎo)調(diào)制器的調(diào)頻線性度不受電子元器件壓擺率限制，容易實(shí)現(xiàn)，因此采用電光波導(dǎo)相位 調(diào)制器對(duì)激光進(jìn)行外調(diào)制能夠窄線寬激光的寬帶快速線性調(diào)頻。窄線寬激光經(jīng)相位調(diào)制后 產(chǎn)生包含多個(gè)有效頻率成分的多窄線寬激光，各有效頻率成分之間的頻率間隔為調(diào)制信號(hào) 頻率的整數(shù)倍。激光通過相位調(diào)制器后需要輸出單邊帶信號(hào)，必須抑制光載波、高階諧波以 及另一邊帶信號(hào)。通常的做法是窄帶濾波，然而通過電光波鈮酸鋰雙平行相位調(diào)制器可以 直接實(shí)現(xiàn)高邊帶抑制比的單邊帶調(diào)制。2001年，日本大阪住友新技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室提出了 2X 2馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)結(jié)構(gòu)的集成鈮酸鋰雙平行相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光載波抑制單邊帶調(diào) 制的方法。2013年，中國(guó)臺(tái)灣中央研究院天文和天體物理學(xué)研究所和日本國(guó)家天文臺(tái)的學(xué) 者采用雙平行MZI調(diào)制器外調(diào)制實(shí)現(xiàn)0.2s內(nèi)120GHz的頻率調(diào)諧，但是由于邊帶和光載波抑 制較差，方案中使用光濾波器得到單邊帶信號(hào)。法國(guó)PHOTLINE公司2013年報(bào)道采用雙平行 相位調(diào)制器作為移頻器實(shí)現(xiàn)邊帶抑制比35dB，可移頻范圍1-18GHZ。
[0003] 目前采用相位調(diào)制器對(duì)激光外調(diào)制實(shí)現(xiàn)光頻率調(diào)諧的方法已被提出，但是利用2 X 2MZI結(jié)構(gòu)雙平行相位調(diào)制器直接實(shí)現(xiàn)光載波抑制單邊帶、產(chǎn)生光波長(zhǎng)移頻的性能，實(shí)現(xiàn) 寬帶線性頻率調(diào)制技術(shù)，研制1.5微米波長(zhǎng)快速寬帶線性頻率調(diào)制窄線寬光纖激光器的方 案未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種寬帶線性頻率調(diào)制窄線寬光纖激光器及其實(shí)現(xiàn)方法， 旨在提供一種調(diào)制帶寬大、調(diào)制速度快、調(diào)頻線性度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全光纖化、人眼安全、線 偏振輸出的全光纖結(jié)構(gòu)1.5微米寬帶線性頻率調(diào)制窄線寬光纖激光器。
[0005] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種寬帶線性頻率調(diào)制窄線寬光纖激光器的實(shí)現(xiàn)方法包 括：
[0006] 窄線寬種子源輸出1.5微米波長(zhǎng)線偏振連續(xù)激光，射頻信號(hào)源產(chǎn)生線性頻率調(diào)制 信號(hào)，送入到調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器，調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器將線性頻率調(diào)制信號(hào)和偏置電壓加載到雙平行 相位調(diào)制器；
[0007] 窄線寬種子源輸出端和雙平行相位調(diào)制器相連，激光在雙平行相位調(diào)制器發(fā)生線 性頻率調(diào)制，雙平行相位調(diào)制器輸出端與光纖分束器相連，光纖分束器輸出端輸出部分調(diào) 制后的激光作為雷達(dá)本振光，光纖分束器輸出與光纖放大器相連，放大后的激光從光纖放 大器輸出端輸出。
[0008] 進(jìn)一步，所述射頻信號(hào)源用于產(chǎn)生施加在雙平行相位調(diào)制器上的線性頻率調(diào)制的 正弦波信號(hào)，信號(hào)帶寬范圍lGHz-18GHz。
[0009] 進(jìn)一步，所述調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器接收射頻信號(hào)后，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有足夠功率和 固定相位差的兩路信號(hào)，將兩路信號(hào)和路偏置電壓加載到雙平行相位調(diào)制器;兩路信號(hào)的 相位差和3路偏振電壓根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的是上或下單邊帶載波抑制來供給。
[0010] 進(jìn)一步，所述雙平行相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光載波抑制單邊帶、產(chǎn)生光波長(zhǎng)移頻的性能， 通過加載線性頻率調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)1.5微米波長(zhǎng)快速寬帶線性頻率調(diào)制窄線寬激光輸出。
[0011] 進(jìn)一步，所述雙平行相位調(diào)制器采用雙重并聯(lián)設(shè)計(jì)，在馬赫-曾德爾干涉儀MZI中 嵌套了兩個(gè)子MZI，形成2 X 2MZI結(jié)構(gòu)，工作原理如下：
[0012] MZI^MZI2由各自偏置電壓引入的光相位延遲分別是Δ φ#ΡΔ φ2，ΜΖΙ通過直流 偏置在1211與1^12的輸出之間產(chǎn)生光相位延遲Δ φ3,在這種情形時(shí)，調(diào)制器的輸出電場(chǎng)使 用第一類貝塞爾級(jí)數(shù)展開得到：
[丨
⑴
[0014] 其中，Ω和ω Q是輸入的射頻信號(hào)和光場(chǎng)的角頻率，β是調(diào)制系數(shù)，Εο是輸入的光場(chǎng) 振幅；
[0015] 當(dāng)兩個(gè)子MZI上的偏置電壓完全相同，即Δ φ1= Δ φ2= Δ φ〇,公式(1)變成：
(2)
[0017] 由公式(2)可知，如果ΜΖΙ4ΡΜΖΙ2輸入的電相位延遲與ΜΖΙ3在兩者之間引入的光相 位延遲恰當(dāng)?shù)暮铣桑敵龅哪承┲C波邊帶將被抵消，特殊情況下，實(shí)現(xiàn)抑制載波單邊帶；
[0018] 考慮β很小的情形，即心⑴丨"上⑶穴^:⑴^上⑴^公式^簡(jiǎn)化為：
[
(3)
[0020] 當(dāng)Δ φ〇 = π，如果射頻信號(hào)輸入相位延遲(J)e=±V2,同時(shí)光相位延遲Α φ3=土 V2。由公式(3)推導(dǎo)出不同的相位組合產(chǎn)生的輸出光場(chǎng)分布為：
[0021] a) φθ = π/2, Δ φ3 = π/2, Δ φ〇 = π
[0022]
(4)
[0023] 同時(shí)功率譜密度為
。功率譜中只有頻率為（ω〇+Ω)的一個(gè) 諧波存在，稱為上單邊帶載波抑制；
[0024] b) φθ = π/2, Δ φ 3 = -31/2, Δ φ〇 = π
[0025]
(5)
[0026] 同時(shí)功率譜密度為
。功率譜中只有頻率為（ω〇-Ω)的一個(gè) 諧波存在，稱為下單邊帶載波抑制；
[0027]
[0028] (；6)
[0029] 同時(shí)功率譜密度3
功率譜中再次只有頻率為（ω〇-Ω )的 一個(gè)諧波存在，稱為下單邊帶載波抑制。
[0030] d) Φβ = -π/2, Δ φ 3 = -31/2, Δ φ〇 = π
[0031]
:(7).