一种宽带线性频率调制窄线宽光纤激光器及其实现方法

摘要

本发明公开了一种宽带线性频率调制窄线宽光纤激光器及其实现方法，包括窄线宽种子源输出1.5微米波长线偏振连续激光，射频信号源产生线性频率调制信号，送入到调制器驱动器，调制器驱动器将线性频率调制信号和偏置电压加载到双平行相位调制器；窄线宽种子源输出端和双平行相位调制器相连，激光在双平行相位调制器发生线性频率调制，双平行相位调制器输出端与光纤分束器相连，光纤分束器输出端输出部分调制后激光作为雷达本振光，光纤分束器输出与光纤放大器相连，放大后激光从光纤放大器输出端输出。本发明具有窄线宽、调制带宽大、满足合成孔径激光雷达和线性频率调制连续波激光雷达使用要求、调制速度快、调频线性度高。

说明书

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种宽带线性频率调制窄线宽光 纤激光器及其实现方法。

背景技术

窄线宽激光的宽带线性频率调制技术是合成孔径激光雷达和线性频率调制 连续波激光雷达中的关键技术，但是固体激光器的宽带线性频率调制技术发展 缓慢，严重制约了激光雷达技术的发展。对激光器进行线性频率调制的方法主 要有声光调制、温度调谐、压电陶瓷、电光调制等方法。由于声光调制器性能 受到晶体布拉格衍射带宽及声波穿过光束的渡越时间的限制，声场的频率只能 到达100MHz的量级，目前最高调制带宽的声光调制器，其调制带宽仅为 200MHz，调制带宽受到限制。向激光腔内插入压电陶瓷装置或采用温控的方式 都是目前比较常见的方法。但由于压电陶瓷的迟滞特性、蠕变特性及其温度特 性等缺点影响，调制频率低，而且频率不稳定度较大；而利用改变温度来实现 对激光频率调制时，虽然可实现宽带调谐，达到百GHz的调谐带宽，但无法实 现快速调制，且调频精度较低。固体激光器的腔内电光晶体调制是实现快速线 性频率调制的相对优化的方法。美国麻省理工大学的林肯实验室在1990年采用 微片短腔结构Nd:YAG激光器，钽酸锂电光晶体腔内调制方案可实现最大 12GHz的线性频率调制，激光稳定输出同时线性度良好的调频范围为1GHz； 2008年，山西大学采用LiNbO₃标准具结合铌酸锂电光晶体的方法，对端泵 Nd:YVO4激光实现快速调谐，实现调谐范围为17.2GHz；2014年，哈尔滨工业 大学设计一种LD泵浦Nd:YVO4线性频率调制激光器，利用电光晶体RTP的电 光效应，对该激光器进行线性频率调制实验，得到最大调频范围为2.08GHz。但 是激光腔内调制使用的电光调制器是具有较大体积尺寸的分离器件，一般称为 “体调制器”，其缺点在于要给整个晶体施加外电场，要改变晶体的光学性能， 需要加载很高的电压，从而使通过的光波受到调制。“体调制器”都是以高的 调制速率来实现大的调频带宽的。若想实现宽带线性频率调制信号，则需要很 大的外加电压。林肯实验室、山西大学、哈尔滨工业大学实现的调制速度分别 为12MHz/V、8.6MHz/V和9.5MHz/V。然而电子器件受压摆率限制，难以满足 体调制器宽带线性频率调制对上千伏高压提出的线性度的要求，其实并不能够 实现的优良调频线性度。如林肯实验室虽然在微片激光器中可实现最大12GHz 的线性频率调制，但线性度良好的调频范围仅为1GHz。除了激光器腔内调制外， 激光线性频率调制也可以采用外调制方式。2015年，中国科学院上海光学精密 机械研究所申请的专利中提出锯齿波信号通过高压放大后直接驱动二次电光效 应相位调制器实现大范围的窄线宽激光快速线性调频【申请号： 2015103403174】。该专利申请中并未考虑到电子器件受压摆率限制，难以实现 在高电压下同时具有优良线性度的情形，另外该专利申请的装置不能实现激光 频率的单边带调制，难以直接应用于激光雷达中。由于波导调制器基本上只是 对很小的薄膜区域施加外电场，将电场限制在薄膜区附近，因此它所需要的驱 动功率比体调制器要小一到二个数量级，施加较低的调制电压就可获得更大的 调制带宽。电光波导调制器的调频线性度不受电子元器件压摆率限制，容易实 现，因此采用电光波导相位调制器对激光进行外调制能够窄线宽激光的宽带快 速线性调频。窄线宽激光经相位调制后产生包含多个有效频率成分的多窄线宽 激光，各有效频率成分之间的频率间隔为调制信号频率的整数倍。激光通过相 位调制器后需要输出单边带信号，必须抑制光载波、高阶谐波以及另一边带信 号。通常的做法是窄带滤波，然而通过电光波铌酸锂双平行相位调制器可以直 接实现高边带抑制比的单边带调制。2001年，日本大阪住友新技术研究实验室 提出了2×2马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构的集成铌酸锂双平行相位调制器实 现光载波抑制单边带调制的方法。2013年，中国台湾中央研究院天文和天体物 理学研究所和日本国家天文台的学者采用双平行MZI调制器外调制实现0.2s内 120GHz的频率调谐，但是由于边带和光载波抑制较差，方案中使用光滤波器得 到单边带信号。法国PHOTLINE公司2013年报道采用双平行相位调制器作为移 频器实现边带抑制比35dB，可移频范围1-18GHz。

目前采用相位调制器对激光外调制实现光频率调谐的方法已被提出，但是 利用2×2MZI结构双平行相位调制器直接实现光载波抑制单边带、产生光波长 移频的性能，实现宽带线性频率调制技术，研制1.5微米波长快速宽带线性频率 调制窄线宽光纤激光器的方案未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带线性频率调制窄线宽光纤激光器及其实现 方法，旨在提供一种调制带宽大、调制速度快、调频线性度高、结构简单、全 光纤化、人眼安全、线偏振输出的全光纤结构1.5微米宽带线性频率调制窄线宽 光纤激光器。

本发明是这样实现的，一种宽带线性频率调制窄线宽光纤激光器的实现方 法包括：

窄线宽种子源输出1.5微米波长线偏振连续激光，射频信号源产生线性频率 调制信号，送入到调制器驱动器，调制器驱动器将线性频率调制信号和偏置电 压加载到双平行相位调制器；

窄线宽种子源输出端和双平行相位调制器相连，激光在双平行相位调制器 发生线性频率调制，双平行相位调制器输出端与光纤分束器相连，光纤分束器 输出端输出部分调制后的激光作为雷达本振光，光纤分束器输出与光纤放大器 相连，放大后的激光从光纤放大器输出端输出。

进一步，所述射频信号源用于产生施加在双平行相位调制器上的线性频率 调制的正弦波信号，信号带宽范围1GHz-18GHz。

进一步，所述调制器驱动器接收射频信号后，将射频信号转换为具有足够 功率和固定相位差的两路信号，将两路信号和路偏置电压加载到双平行相位调 制器；两路信号的相位差和3路偏振电压根据需要实现的是上或下单边带载波 抑制来供给。

进一步，所述双平行相位调制器实现光载波抑制单边带、产生光波长移频 的性能，通过加载线性频率调制信号，实现1.5微米波长快速宽带线性频率调制 窄线宽激光输出。

进一步，所述双平行相位调制器采用双重并联设计，在马赫-曾德尔干涉仪 MZI中嵌套了两个子MZI，形成2×2MZI结构，工作原理如下：

MZI₁和MZI₂由各自偏置电压引入的光相位延迟分别是Δφ₁和Δφ₂，MZI₃通 过直流偏置在MZI₁与MZI₂的输出之间产生光相位延迟Δφ₃，在这种情形时，调 制器的输出电场使用第一类贝塞尔级数展开得到：

$\frac{E_{out}}{E_0/2}=\left(\begin{array}{c}-J_3\left(\beta \right)e^{j({\omega }_0-3\Omega )t}[\sin \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_1}{2}\right)e^{-j3{\phi }_e}+\sin \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_2}{2}\right)e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ -J_2\left(\beta \right)e^{j({\omega }_0-2\Omega )t}[\cos \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_1}{2}\right)e^{-j2{\phi }_e}+\cos \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_2}{2}\right)e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ -J_1\left(\beta \right)e^{j({\omega }_0-\Omega )t}[\sin \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_1}{2}\right)e^{-{\mathrm{j\phi }}_e}+\sin \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_2}{2}\right)e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ +J_0\left(\beta \right)e^{{\mathrm{j\omega }}_{0}t}[\cos \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_1}{2}\right)+\cos \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_2}{2}\right)e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ +J_1\left(\beta \right)e^{j({\omega }_0+\Omega )t}[\sin \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_1}{2}\right)e^{{\mathrm{j\phi }}_e}+\sin \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_2}{2}\right)e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ +J_2\left(\beta \right)e^{j({\omega }_0+2\Omega )t}[\cos \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_1}{2}\right)e^{j2{\phi }_e}+\cos \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_2}{2}\right)e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ +J_3\left(\beta \right)e^{j({\omega }_0+3\Omega )t}[\sin \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_1}{2}\right)e^{j3{\phi }_e}+\sin \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_2}{2}\right)e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，Ω和ω₀是输入的射频信号和光场的角频率，β是调制系数，E₀是输入 的光场振幅；

当两个子MZI上的偏置电压完全相同，即Δφ₁＝Δφ₂＝Δφ₀，公式(1)变成：

$\frac{E_{out}}{E_0/2}=\left(\begin{array}{c}-J_3\left(\beta \right)\sin \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_0}{2}\right)e^{j({\omega }_0-3\Omega )t}[e^{-j3{\phi }_e}+e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ +J_2\left(\beta \right)\cos \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_0}{2}\right)e^{j({\omega }_0-2\Omega )t}[e^{-j2{\phi }_e}+e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ -J_1\left(\beta \right)\sin \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_0}{2}\right)e^{j({\omega }_0-\Omega )t}[e^{-{\mathrm{j\phi }}_e}+e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ +J_0\left(\beta \right)\cos \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_0}{2}\right)e^{{\mathrm{j\omega }}_{0}t}[1+e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ J_1\left(\beta \right)\sin \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_0}{2}\right)e^{j({\omega }_0+\Omega )t}[e^{{\mathrm{j\phi }}_e}+e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ +J_2\left(\beta \right)\cos \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_0}{2}\right)e^{j({\omega }_0+2\Omega )t}[e^{j2{\phi }_e}+e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ +J_3\left(\beta \right)\sin \left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_1}{2}\right)e^{j({\omega }_0+3\Omega )t}[e^{j3{\phi }_e}+e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\end{array}\right)---\left(2\right)$

由公式(2)可知，如果MZI₁和MZI₂输入的电相位延迟与MZI₃在两者之 间引入的光相位延迟恰当的合成，输出的某些谐波边带将被抵消，特殊情况下， 实现抑制载波单边带；

考虑β很小的情形，即J₃(β)<<J₂(β)<<J₁(β),J₀(β)，公式(2)简化为：

$\frac{E_{out}}{E_0/2}=\left(\begin{array}{c}-J_1\left(\beta \right)sin\left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_0}{2}\right)e^{j({\omega }_0-\Omega )t}[e^{-{\mathrm{j\phi }}_e}+e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ +J_0\left(\beta \right)cos\left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_0}{2}\right)e^j{\omega }_{0}t[1+e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\\ +J_1\left(\beta \right)sin\left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_0}{2}\right)e^{j({\omega }_0+\Omega )t}[e^{{\mathrm{j\phi }}_e}+e^{{\mathrm{j\Delta \phi }}_3}]\end{array}\right)---\left(3\right)$

当Δφ₀＝π，如果射频信号输入相位延迟φ_e＝±π/2，同时光相位延迟 Δφ₃＝±π/2。由公式(3)推导出不同的相位组合产生的输出光场分布为：

a)φ_e＝π/2，Δφ₃＝π/2，Δφ₀＝π

$\frac{E_{out}}{E_0}=2J_1\left(\beta \right)sin\left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_0}{2}\right)e^{j\frac{\pi }{2}}{e}^{j({\omega }_0+\Omega )t}---\left(4\right)$

同时功率谱密度为功率谱中只有频率为(ω₀+Ω)的一个 谐波存在，称为上单边带载波抑制；

b)φ_e＝π/2，Δφ₃＝-π/2，Δφ₀＝π

$\frac{E_{out}}{E_0}=-2J_1\left(\beta \right)sin\left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_0}{2}\right)e^{j-\frac{\pi }{2}}{e}^{j({\omega }_0-\Omega )t}---\left(5\right)$

同时功率谱密度为功率谱中只有频率为(ω₀-Ω)的一个 谐波存在，称为下单边带载波抑制；

c)φ_e＝-π/2，Δφ₃＝π/2，Δφ₀＝π

$\frac{E_{out}}{E_0}=-2J_1\left(\beta \right)sin\left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_0}{2}\right)e^{j+\frac{\pi }{2}}{e}^{j({\omega }_0-\Omega )t}---\left(6\right)$

同时功率谱密度为功率谱中再次只有频率为(ω₀-Ω)的 一个谐波存在，称为下单边带载波抑制。

d)φ_e＝-π/2，Δφ₃＝-π/2，Δφ₀＝π

$\frac{E_{out}}{E_0}=2J_1\left(\beta \right)sin\left(\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_0}{2}\right)e^{j-\frac{\pi }{2}}{e}^{j({\omega }_0+\Omega )t}---\left(7\right)$

同时功率谱密度为功率谱中再次只有频率为(ω₀+Ω)的 一个谐波存在，称为上单边带载波抑制。

因此，只要对MZI1、MZI2、MZI3施加特定的偏置电压，驱动MZI1、MZI2 的射频信号具有特定相位延迟，双平行相位调制器就可以实现单边带载波抑制。 双平行相位调制器实现了对光波移频的功能。用线性频率调制的射频信号驱动 双平行相位调制器能够实现输出光移频量随射频信号变化，实现光频率的线性 频率调制。

进一步，所述光纤放大器为单模光纤放大器、双包层光纤放大器或两者组 合构成的多级光纤放大器。

本发明提供的宽带线性频率调制窄线宽光纤激光器及其实现方法，具有窄 线宽的特点；在窄线宽种子源激光腔外实现频率调制，在调频过程中保留种子 源的窄线宽特性。本发明具有调制带宽大的特点；调制带宽由双平行相位调制 器的调制带宽决定，目前可以实现1～18GHz带宽范围的调制，可以满足合成孔 径激光雷达和线性频率调制连续波激光雷达使用要求，同时超过已报道的固体 激光器的线性调频范围；本发明具有调制速度快的特点，在窄线宽种子源激光 腔外实现频率调制，调制速度由射频信号源输出波形变化速率决定；本发明具 有调频线性度高的特点，双平行相位调制器是波导光学器件，偏置电压低于13V， 调频线性度不受电子元器件压摆率限制，调频线性度远高于采用电光晶体内调 制方案的固体激光器。本发明具有结构简单的特点，由双平行相位调制器实现 线性频率调制，从双平行相位调制器直接输出光载波和其它边带被高比例抑制 的单边带信号，不需要进行光学滤波；本发明输出激光波长为1.5微米，具有人 眼安全的特点；本发明采用的光学元器件全部带尾纤输出，激光器结构具有全 光纤化的特点；本发明采用的光学元器件全部为偏振器件，激光器输出光束具 有输出线偏振的特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的宽带线性频率调制窄线宽光纤激光器结构示意 图；

图中：1、窄线宽种子源；2、双平行相位调制器；3、射频信号源；4、调 制器驱动器；5、光纤分束器；6、光纤放大器；7、光纤分束器输出端；8、光 纤放大器输出端。

图2是本发明实施例提供的双平行相位调制器的原理结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

参阅图1，1.5微米宽带线性频率调制窄线宽光纤激光器构成包括：窄线宽 种子源1、双平行相位调制器2、射频信号源3、调制器驱动器4、光纤分束器5、 光纤放大器6、光纤分束器输出端7、光纤放大器输出端8。其中：

窄线宽种子源1输出1.5微米波长线偏振连续激光。射频信号源3产生线性 频率调制信号，送入到调制器驱动器4，调制器驱动器4将线性频率调制信号和 偏置电压加载到双平行相位调制器2。窄线宽种子源1输出端和双平行相位调制 器2相连，激光在双平行相位调制器2发生线性频率调制。双平行相位调制器2 输出端与光纤分束器5相连，光纤分束器输出端7输出部分调制后的激光作为 雷达本振光。光纤分束器5输出与光纤放大器6相连，放大后的激光从光纤放 大器输出端8输出。

下面是实施例中用到的关键元器件：

窄线宽种子源1可以为1.5微米波段输出连续激光的窄线宽半导体激光器、 DBR/DFB光纤激光器、固体激光器中任意一种，光谱线宽小于200kHz，偏振 态为线偏振，单模保偏光纤输出，输出光功率1～100mW。

双平行相位调制器2为2×2MZI结构的波导光学电光调制器，电光晶体材 料可以为铌酸锂、钽铌酸钾等。

射频信号源3用于产生施加在双平行相位调制器2上的线性频率调制的正 弦波信号，信号带宽范围1GHz-18GHz。

调制器驱动器4接收射频信号后，将其转换为具有足够功率和固定相位差 的两路信号，将两路信号和3路偏置电压加载到双平行相位调制器2。两路信号 的相位差和3路偏振电压根据需要实现的是上或下单边带载波抑制来供给。

光纤放大器可以为单模光纤放大器、双包层光纤放大器或两者组合构成的 多级光纤放大器。线性频率调制激光经放大后输出功率能够提高激光雷达的测 量距离。

本发明利用2×2MZI结构双平行相位调制器能够直接实现光载波抑制单边 带、产生光波长移频的性能，通过加载线性频率调制信号，实现1.5微米波长快 速宽带线性频率调制窄线宽激光输出。本发明具有调制带宽大、调制速度快、 调频线性度高、结构简单、全光纤化、人眼安全、线偏振输出的特点，能够满 足合成孔径激光雷达和线性频率调制激光雷达的的应用要求。

在本发明中，所述的双平行相位调制器为核心器件，结构参阅图2。调制器 采用双重并联设计，在马赫-曾德尔干涉仪(MZI)中嵌套了两个子MZI，形成 2×2MZI结构。根据双平行相位调制器的工作原理，只要对MZI₁、MZI₂、MZI₃施加特定的偏置电压，驱动MZI₁、MZI₂的射频信号具有特定相位延迟，双平行 相位调制器就可以实现单边带载波抑制。双平行相位调制器实现了对光波移频 的功能。用线性频率调制的射频信号驱动双平行相位调制器能够实现输出光移 频量随射频信号变化，实现光频率的线性频率调制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。