一种全光纤耦合单频光输出GHz量级的移频方法及系统

摘要

本发明提供了一种全光纤耦合单频光输出GHz量级的移频方法及系统，该方法包括：频率为ν的单频输出光作为入射光输入至电光相位调制器，通过对电光相位调制器施加频率为f0的调制信号，得到频率为ν±nf0(n＝0,1,2,...)的多频调制光，所述多频调制光输入至与目标频率的中心波长相匹配的窄带宽光纤光栅滤波器，频率为ν+Δ的边带成分被窄带宽光纤光栅滤波器筛选出来，从而使单频光实现从频率ν移频到ν+Δ。该方法将光纤耦合的电光调制和窄带宽光纤光栅滤波器巧妙结合起来，抑制或滤除电光调制后的不相关的基频和谐波成分，只保留目标频率成分，达到纯正干净的调制移频效果。

说明书

技术领域

本发明涉及激光频率变换领域，具体涉及一种全光纤单频输出GHz量级的移频方法及系统。

背景技术

在现代外差和相干探测、原子分子的激光操控和微波光子变换等技术领域，为了提高测量精度、频率操控效率和频率变换的准确度，常常需要改变激光的频率，使得输出光相对输入光具有稳定的频率差，具体表现为通过施加微波频率的驱动信号使单频激光发生微波量级的频移，例如铯原子的两个基态频差为9.19GHz，铷原子的双光子拉曼跃迁干涉需要6.83GHz频移等现有的移频方法主要有声光移频、电光移频、磁光移频等，这些方法均能产生稳定的移频量，可应用于各种不同的应用场合。磁光移频一般基于光在磁场下的塞曼效应，因此，频移量一般很难做大，一般只能在几十MHz级别，且一般基于自由空间完成，目前尚无专用于移频的商用产品产生；电光移频主要基于电光调制器，其频移虽能做到几十GHz，但在调制移频的同时会产生多阶边带，因此会伴有寄生谐波频率，无法做到纯净的单频输出；传统的声光移频法利用激光通过声光晶体发生衍射时，衍射光会产生频移，通过驱动器输入射频信号频率的原理来实现频移，具有频谱纯正、频移精度高、稳定性可靠、使用方便等特点，是应用最广泛的移频方法。目前大多数商用全光纤声光移频器(AOM)产品通常在20MHz至300MHz左右的频带上工作，并且当驱动频率高达几GHz时转化效率变差。要想利用单个AOM实现GHz甚至更高的频移，一种方法是直接采用高频AOM，目前产品化的全光纤AOM可以做到1.0GHz(如美国Brimrose产品IPF-1000-1550-3FP)，自由空间的AOM目前可以做到3.4GHz(如美国Brimrose产品GPF-3400-100-795)，但是由于其损坏阈值低，且衍射效率一般不到10％，可获得的最大输出功率非常低；另一种方法是利用自由空间AOM多回路的巧妙光路设计，文献“Laser frequency shift up to 5GHz with a high-efficiency 12-pass 350-MHz acousto-optic modulator,Rev.Sci.Instrum.91,033201(2020).”通过光路的精细调节使光束往返AOM多达12次，最终实现频移4.2GHz，总衍射效率高达11％，但该方法光路成本高，光路的搭建和调试非常复杂，系统稳定性差，很难在振动、室外等复杂环境下使用，无法满足实际的工程应用需求。

为实现高频移和高输出效率，同时满足稳定可靠的实用化要求，迫切需要开发全光纤的移频技术，实现低插损和GHz量级以上的频移，同时又具备大调制带宽，以满足GHz至百GHz量级的各种激光频率变换需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种全光纤耦合单频光输出的GHz量级移频方法，实现低插损和GHz量级以上的频移，同时又具备大调制带宽，以满足GHz至百GHz量级的各种激光频率变换需求。

为实现上述目的，本发明提供了一种全光纤耦合单频光输出GHz量级的移频方法，包括：

一种全光纤耦合单频光输出GHz量级的移频方法，其特征在于，包括：

频率为ν的单频输出光作为入射光输入至电光相位调制器，通过微波本振源对电光相位调制器施加频率为f

进一步的，当目标移频量Δ低于20GHz时，利用频率为Δ的微波信号直接驱动电光相位调制器，一阶边带产生移频光。

进一步的，当目标移频量Δ大于20GHz小于100GHz时，以频率为10GHz～20GHz的微波信号为电光相位调制器驱动信号，利用电光调制的高阶边带成分产生移频光。

进一步的，所述窄带宽光纤光栅滤波器上设有温控装置，用于使折射率和光栅周期参数进行配合使用，保证中心波长可以根据需要进行调节。

本发明还提供了一种全光纤耦合单频光输出GHz量级的移频系统，包括电光相位调制器、窄带宽光纤光栅滤波器和微波本振源；

频率为ν的单频输出光作为入射光输入至电光相位调制器，通过微波本振源对电光相位调制器施加频率为f

进一步的，所述窄带宽光纤光栅滤波器为反射型窄带宽光纤光栅滤波器或者透射型窄带宽光纤光栅滤波器。

进一步的，所述反射型窄带宽光纤光栅滤波器包括环形器、均匀光纤布拉格光栅、输入端、反射输出端和透射输出端，所述环形器分别与输入端、透射输出端和反射输出端相连，所述均匀光纤布拉格光栅设置在环形器与透射输出端之间。

进一步的，还包括用于对均匀光纤布拉格光栅进行温度调节的温控装置，所述温控装置包括温度传感器和包覆在均匀光纤布拉格光栅周围的加热片，所述温控装置与温控端相连，通过温控端实现对均匀光纤布拉格光栅温度的控制。

进一步的，所述透射型窄带宽光纤光栅滤波器包括依次连接的输入端、相移光纤布拉格光栅和输出端。

进一步的，还包括用于对相移光纤布拉格光栅进行温度调节的温控装置，所述温控装置包括温度传感器和包覆在相移光纤布拉格光栅周围的加热片，所述温控装置与温控端相连，通过温控端实现对相移光纤布拉格光栅温度的控制。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种全光纤耦合单频激光输出的百GHz量级移频方法，将光纤耦合的电光调制和窄带宽光纤光栅滤波器巧妙结合起来，抑制或滤除电光调制后的不相关的基频和谐波成分，只保留目标频率成分，达到纯正干净的调制移频效果。该方法能实现光学频移为GHz至百GHz量级的纯正单频激光输出，转化效率高，调制带宽大，且为全光纤耦合的集成化输入输出结构，易于工程实用化。

本发明设计的拉曼光产生方法不仅器件结构简单、成本低、集成度高、易于实现，而且成熟度高、稳定性好，对原子物理、微波光子学和高相干探测具有重要应用价值。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明中全光纤耦合单频激光输出的GHz量级移频方法的原理示意图；

图2是本发明中反射型均匀光纤布拉格光栅的光谱示意图的透射反射曲线图；

图3是本发明中反射型均匀光纤布拉格光栅与透射型π相移光纤布拉格光栅的结构对比图，其中，图3(a)为反射型均匀光纤布拉格光栅的结构示意图，图3(b)为透射型π相移光纤布拉格光栅的结构示意图；

图4本发明中透射型π相移光纤布拉格光栅的光谱示意图的透射反射曲线图；

图5是本发明优选实施例采用反射型窄带宽光纤光栅滤波器时移频系统示意图(图中透射输出端被温控装置覆盖图中未标出)；

图6是本发明优选实施例采用透射型窄带宽光纤光栅滤波器时移频系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，全光纤耦合单频激光输出的百GHz量级移频方法的原理如下：单频激光的频率ν，对应波长为λ，将其输入到电光相位调制器中，通过微波本振源对电光相位调制器施加频率为f

移频效率与调制深度、所采用的第几阶和滤波器的透过率相关，调制带宽由窄带宽光纤光栅滤波器的带宽决定，大小一般在f

基于以上原理，本发明提供了一种全光纤耦合单频光输出GHz量级的移频方法，包括：

频率为ν的单频输出光作为入射光输入至电光相位调制器，通过微波本振源对电光相位调制器施加频率为f

当目标移频量Δ低于20GHz时，利用频率为Δ的微波信号直接驱动电光相位调制器，一阶边带产生移频光。当目标移频量Δ大于20GHz小于100GHz时，以频率为10GHz～20GHz的微波信号为电光相位调制器驱动信号，利用电光调制的高阶边带成分产生移频光。

另外，为了扩大移频器的使用波长范围，需要调制折射率和光栅周期，通过在所述窄带宽光纤光栅滤波器上设置温控装置，使折射率和光栅周期参数进行配合使用，保证中心波长可以根据需要进行调节。

本发明还提供了一种全光纤耦合单频光输出GHz量级的移频系统，包括电光相位调制器、窄带宽光纤光栅滤波器和微波本振源，

频率为ν的单频输出光作为入射光输入至电光相位调制器，通过微波本振源对电光相位调制器施加频率为f

窄带宽光纤光栅滤波器是本发明移频系统中的重要器件，其核心功能部件是光纤布拉格光栅(FBG)，它是在光纤纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的滤波器。所述窄带宽光纤光栅滤波器可以是反射型窄带宽光纤光栅滤波器，也可以是透射型窄带宽光纤光栅滤波器，由具体需求和带宽决定。

所述反射型窄带宽光纤光栅滤波器包括环形器、均匀光纤布拉格光栅、输入端、反射输出端和透射输出端，所述环形器分别与输入端、透射输出端和反射输出端相连，所述均匀光纤布拉格光栅设置在环形器与透射输出端之间。因为均匀光纤布拉格光栅的滤波成分将会从光纤的入射方向反射回来，因此必须配合使用环形器进行分离输出。均匀光纤布拉格光栅的主要参数为：初始折射率n

λ＝2n

反射谱半高全宽Δλ与反射型FBG光致折射率微扰值Δn

通过设计初始折射率n

所述透射型窄带宽光纤光栅滤波器包括依次连接的输入端、相移光纤布拉格光栅和输出端。图3是本发明中反射型均匀光纤布拉格光栅与透射型π相移光纤布拉格光栅的结构对比图，其中，图3(a)为反射型均匀光纤布拉格光栅的结构示意图，图3(b)为透射型π相移光纤布拉格光栅的结构示意图。如图3(b)所示，相移光纤布拉格光栅是在常用的均匀光纤布拉格光栅(FBG)的某一特定部位引入一定的相移(优选为π相移)，产生两个相互异相的光栅，这两个相互异相的光栅的共同作用效果是在透射谱阻带中打开一个带宽极窄的透射窗口(如图4所示)。相移光纤布拉格光栅具有高质量的波长选择性、插入损耗低、并且与偏振态无关，尤其可用来制作极窄带宽光学滤波器。

所以，对于透射型窄带宽光纤光栅滤波器一般适合调制带宽相对较窄的情况，即目标移频量Δ相对很小时，例如1GHz～3GHz，此时利用透射型相移光纤光栅就能高质量从调制光滤出频移量为1GHz～3GHz的单频光。

实施例1

一种采用反射型FBG的全光纤耦合单频光输出GHz量级的移频方法，系统实现方案如图5所示，频率为ν的单频输出光作为入射光，通过对电光相位调制器(EOM)施加频率为f

实施例2

一种采用透射型FBG的全光纤耦合单频光输出GHz量级的移频方法(系统实现方案如图6所示)，与实施例1的不同之处在于：通过对电光相位调制器(EOM)施加频率为f

终上所述，本发明提出了一种全光纤耦合单频激光输出的百GHz量级移频方法，将光纤耦合的电光调制和窄带宽光纤光栅滤波器巧妙结合起来，抑制或滤除电光调制后的不相关的基频和谐波成分，只保留目标频率成分，达到纯正干净的调制移频效果。该方法能实现光学频移为GHz至百GHz量级的纯正单频激光输出，转化效率高，调制带宽大，且为全光纤耦合的集成化输入输出结构，易于工程实用化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。