一种基于全通锁相光纤环形腔的光梳重频加倍系统技术方案

一种基于全通锁相光纤环形腔的光梳重频加倍系统，包括全通光纤环形腔以及电子锁相单元，全通光纤环形腔由单模光纤、耦合比可调的光纤方向耦合器以及自动控制的光学延迟线组成，为了实现重频加倍，其腔长由电子锁相单元精确控制为光梳半腔长的奇数倍，由于能量损失仅跟光纤环形腔的损耗有关，所以本发明专利技术能量效率高，且锁相单元配置简单，得到的重频加倍输出脉冲强度波动小、相邻纵模压缩比高、频率稳定性好且相位噪声小；此外，可以通过级联若干个重频加倍单元得到较大的重频加倍数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于测量
，特别涉及一种基于全通锁相光纤环形腔的光梳重频加 倍系统。
技术介绍
光梳的重复频率等于光梳在频域中相邻两纵模的频率间隔。在一些应用领域，由 于小的频率间隔会导致纵模间的混叠从而使测量分辨率下降，所以两纵模的频率间隔越大 越好，最好达到GHz量级，如绝对距离测量、天文光谱校准、气体光谱测量、任意波形产生和 光频计量。激光重复频率的上限由激光器的物理腔长决定，特别是对于掺铒光纤激光器，因 为增益介质为一定长度的掺铒光纤，所以其腔长不可能变得很短从而得到高重频。因此，通 过外部装置获得重频加倍就显得尤为重要。目前已经存在很多重频加倍方法，比如使用FP 腔、马赫曾德尔干涉仪和阵列波导光栅进行光谱滤波。这些方法在硬件复杂度和脉冲能量 损失方面都有各自的优点和缺点。单一FP腔就可以获得高达几十GHz的重频，但是能量损失 和FP腔的自由光谱范围成正比。单一的马赫曾德尔干涉仪只能使重频增大为原来的两倍而 且能量损失一半，要想获得大的重频加倍数，必须级联多个马赫曾德尔干涉仪。对于阵列波 导光栅，虽然可以得到大重频但是脉冲能量波动大。除了上述光谱滤波方法还有一种基于 时域自成像的全相位滤波方法。这种方法虽然可以实现任意倍数的重频加倍，但是对于给 定的倍数需要特定的色散并且时域自成像条件在宽带范围内难以满足。所以，一种高能量 效率、低脉冲能量波动、装置简单的重频加倍方法仍有待研究。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于全通锁相光纤环 形腔的光梳重频加倍系统，由单模光纤、耦合比可调的光纤方向耦合器和光学延迟线的左 右准直透镜间的空间光路组成光纤环形腔，通过电子锁相单元控制光纤环形腔的腔长为光 梳半腔长的奇数倍，就可以实现重频加倍。 为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是： 由于能量损失仅跟光纤环形腔的损耗有关，所以与现有技术相比，本专利技术的能量 效率高。此外，由于该系统基于一个全通的锁相光纤环，所以重频加倍输出的脉冲能量波动 小、相邻纵模的压缩比高、频率稳定性好且相位噪声小。【附图说明】 图1是本专利技术的原理示意图，其中(a)是全通光纤环的结构图，（b)是光纤环腔长为 光梳腔长一半时的选择性滤波示意图，（c)是光纤环腔长为光梳半腔长的5倍时的选择性滤 波示意图，虚线为被滤掉的纵模。 图2是本专利技术的结构示意图。 图3是原始输入和重频加倍输出的时域图和频谱图。其中（a)和(c)是原始输入的 时域图和频谱图，（b )和（d)是重频加倍输出的时域图和频谱图，频谱仪的（N 9 Ο 2 0 A， Agilent)的分辨率带宽为1MHz，衰减为20dB。图4是重频加倍输出的频率长期稳定性和相位噪声。其中（a)是重频的Allan方差， (b) 是重频的相位噪声。【具体实施方式】下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。 本专利技术的原理如图1所示。图1(a)给出全通光纤环形腔的结构简图，其由单模光纤 和耦合比可调的光纤方向耦合器组成。假设光纤方向耦合器的损耗与耦合比无关，则由图1 (a)可得，光纤方向耦合器的光强损耗γ为： Ε3|2+|Ε4|2=(1-γ )(|Ei|2+|E2|2), (l) 其中Ei是光纤方向親合器第i个端口的复光场强度。由親合模间的相互作用可以 得至|JE3和E4的表达式：_ (2) (3) 其中κ是方向耦合器的耦合比，」_ = (-1)1/2。扮和&间具有以下关系： E2 = E3e-aLeji!L， （4) 其中β = ηω/(^α是光纤的光强衰减系数，β是传播常数，L是光纤环形腔的腔长，η 是光纤折射率，ω是光学角频率，c是真空中的光速。 从式⑵-式⑷可以得到光纤环形腔的光强透过率TdEVEd2)为： (5)在共振情况下，T的实部和虚部都为0，从而获得两个共振必要条件： eL = q23i-3i/2, (6) κ = (?-γ )e-2aL, (γ) 其中q是整数。由式(5)可知，端口4的输出光强在激光共振频率下基本为0从而光 纤环形腔的自由光谱范围（FSR)为c/nL。上述输出特性与FP腔的反射特性相似。因此，当输 入光梳的纵模与光纤环形腔的透过率曲线重合时，位于透过率为〇处的纵模将被滤掉。特别 的是，当光纤环形腔的腔长是光梳半腔长的奇数倍时，都可以实现重频加倍(见图1(b)和 (c) )〇 本专利技术的系统结构如图2所示。该系统包括:全通光纤环形腔以及电子锁相单元。 其中全通光纤环形腔由依次设置在光学频率梳1出射光路上的单模光纤2、耦合比 可调的光纤方向耦合器3和光学延迟线左右准直透镜12、13间的空间光路组成。为了获得重 频加倍，要手动调节所述光纤方向耦合器3的耦合比，使得光纤环形腔谐振峰处的光强透过 率为〇。 电子锁相单元包括将光纤环形腔的输出分为两部分的光纤耦合器4,以及依次设 置于其中一束光路上的光电探测器5、低通滤波器6、放大器7、混频器8、低通滤波器9、比例 积分器10和伺服控制系统11。所述混频器8和低通滤波器9组成相位探测器，锁定在铷钟15 上的本地振荡器14输出的本地振荡信号和放大器7输出的电信号一起输入混频器进行混频 后再由低通滤波器9取出差频信号，该差频信号即误差信号，误差信号通过比例积分器10变 为电压信号，该电压信号作为伺服控制系统11的反馈信号来控制光学延时线的左准直透镜 13运动，使光纤环形腔的腔长为光梳半腔长的奇数倍，直到输出的误差信号为0,此时输出 信号的重频为输入信号重频的2倍。本专利技术的制作和运行包括以下步骤： 1、按照图2的系统结构图搭建光梳重频加倍系统； 2、系统搭建好后，手动调节光纤方向耦合器的耦合比，使得光纤环形腔谐振峰处 的光强透过率为0; 3、电子锁相单元控制光学延时线的一个准直透镜13运动，使得光纤环形腔的腔长 是光梳半腔长的奇数倍，这样就可以实现重频加倍。 为了检测整个系统的性能，利用示波器、频谱仪、频率计和信号源分析仪对输出信 号进行了测试。光梳输入和重频加倍输出的时域波形和RF谱如图3所示。对比图3(a)和3 (c)、3(b)和3(d)可以看出重频加倍输出的脉冲强度波动小而且RF谱中相邻频谱间的压缩 比约为~35dB(光梳输入的重频为250MHz)。 为了测试输出重频的长期稳定性，使用频率计对输出信号重频进行了 2h的测量。 从图4(a)可以看出，其Allan方差在10-12量级（10s平均），说明输出重频具有很好的长期稳 定性。 为了测试输出重频的短期稳定性，使用信号源分析仪对输出重频的相位噪声进行 了测量（图4(b))。从1Hz到20MHz对相位噪声进行积分，可以计算得输出重频的相位抖动约 为16mrad，等效脉冲间时间抖动约为5ps，说明输出重频具有很好的短期稳定性。 上述各实施例仅用于说明本专利技术，其中各部件的型号、连接方式等都是可以有所 变化的，凡是在本专利技术技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本专利技术的 保护范围之外。【主权项】1. 一种基于全通锁相光纤环形腔的光梳重频加倍系统，其特征在于，包括全通光纤环 形腔以及电子锁相单元，其中： 所述全通光纤环形腔由依次设置在光学频率梳（1)出射光路上的单模光纤(2)、耦合比 可调的光纤方向耦合器(3)和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于全通锁相光纤环形腔的光梳重频加倍系统，其特征在于，包括全通光纤环形腔以及电子锁相单元，其中：所述全通光纤环形腔由依次设置在光学频率梳(1)出射光路上的单模光纤(2)、耦合比可调的光纤方向耦合器(3)和光学延迟线的左右准直透镜(12,13)间的空间光路组成；所述电子锁相单元包括将光纤环形腔的输出分为两部分的光纤耦合器(4)，以及依次设置于其中一束光路上的光电探测器(5)、低通滤波器(6)、放大器(7)、混频器(8)、低通滤波器(9)、比例积分器(10)和伺服控制系统(11)，其中所述混频器(8)和低通滤波器(9)组成相位探测器，锁定在铷钟(15)上的本地振荡器(14)输出的本地振荡信号和放大器(7)输出的电信号一起输入混频器(8)进行混频后再由低通滤波器(9)取出差频信号，该差频信号即误差信号，误差信号通过比例积分器(10)变为电压信号，该电压信号作为伺服控制系统(11)的反馈信号来控制光学延时线的左准直透镜(13)运动，使光纤环形腔的腔长为光梳半腔长的奇数倍，从而获得重频加倍。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽君，杨宏雷，李岩，尉昊赟，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11