一种可调谐激光器动态频率测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术通过数字带通滤波器和频率参考光源在大频率调谐范围内生成频率标记，通过频率标记在大频率调谐范围内动态测量可调谐激光器的输出频率

【技术实现步骤摘要】
一种可调谐激光器动态频率测量方法及装置


[0001]本专利技术属于光学测量
，更具体地，涉及一种适用于可调谐激光器的输出频率动态测量方法，以及实施该方法的装置
。

技术介绍

[0002]可调谐激光器可以输出频率随时间连续变化的窄线宽激光，这一特性使其在激光雷达
、
光频域反射仪
、
光学相干层析成像
、
扫频光谱仪
、
插损测量等技术中被广泛使用
。
在这些应用中，大频率调谐范围能带来更好的效果，比如带来激光雷达
、
光频域反射计和光学相干层析成像的高分辨率，带来扫频光谱仪
、
插损测量中的大测试范围，发展到如今，商业上的可调谐激光器可以轻易达到
10THz
以上的调谐范围
。
然而，在如此大的频率调谐范围下，激光器的频率调谐速度却很难保持稳定，导致激光器瞬时激光频率的准确性很难得到保障
。
这使得为了更好地把握可调谐激光器的性能，及评估其在不同应用场景下的适用性，在大的频率范围内动态测量激光器的输出频率就非常重要
。
[0003]目前有以下几类实现大范围内激光器输出频率动态测量的方法，但这些方法的缺点也非常明显
。
[0004]1、
基于波长计的测量方法
。
波长计是一种成熟的商业化仪器，其可以测量输入光信号的频率，但是测量速度很慢，只能实现
500Hz
的测量速度，显然无法对高速变化的可调谐激光器的频率进行准确测量
。
[0005]2、
利用光学频率梳做频率参考，使用希尔伯特变换来读取可调谐激光器与光学频率梳的拍频，从而计算激光器输出频率的测量方法
。
激光器在调谐过程中会与光学频率梳产生拍频，由于激光器的频率在连续变化，拍频也会连续变化
。
因此读取这一拍频的频率变化就可以还原出激光器频率变化
。
该方法在读取拍频时使用希尔伯特变换，将拍频信号分为两路，其中一路引入
90
度的相位延迟，这两路信号由两个接收器来接收
。
但该方法存在如下问题
。
理想情况下，只考虑激光器和最邻近梳齿的拍频，拍频信号可写作其中
A
是拍频信号振幅，
ω
(t)
是拍频频率，其随着激光器调谐发生变化，是拍频的相位
。
引入
90
度相位后，得到的信号为这两路信号相除可以计算得到瞬时相位可以计算得到瞬时相位再将瞬时相位求导可得到
Φ
'(t)
＝
ω
(t)+
ω
'(t)t。
然而，希尔伯特变换法读拍频会忽略后面一项，认为瞬时相位的导数就是拍频频率，从而会引入误差
。
更严重的，由于激光器会和所有的梳齿产生拍频，实际的拍频信号为相应的另一路信号为那么通过求出的瞬时相位并不能简单地对应理想情况的因此，希尔伯特变换法求出的激光器的瞬时频率不准确
。
此外，实际采到的信号会含有噪声，会对希尔伯特变换的结果产生进一步的影响，因为该方法对相位十分敏感，从而产生抗干扰能力差的问题
。
而且，希尔伯特变换法在装置上需要将信号分为两路，并对其中一路做
90
度相位延迟，装置结构复
杂
、
体积大且成本较高
。
[0006]3、
利用光学频率梳做频率参考，使用硬件带通滤波器生成频率标记的方法
。
该方法将可调谐激光器与光学频率梳的光信号合束后，用光电探测器读取拍频，拍频产生的电信号分为两路，分别通过两个硬件带通滤波器后由示波器读取
。
由于激光器在连续扫频，其与光学频率梳产生的拍频不断发生变化，只有在特定时刻拍频频率才等于滤波器的通带频率，因此通过带通滤波器就可以找出这些时刻，进而获得激光器的输出频率
。
但是，硬件带通滤波器的使用也会增加装置的复杂度
。
该方法使用了两个硬件带通滤波器，只能实现
60MHz
的频率分辨率，存在分辨率低的问题
。
通过增加带通可以提高频率测量分辨率，但需要增加示波器采集的通道，增加成本
、
体积与系统复杂度
。
[0007]4、
利用光纤不等臂干涉仪的希尔伯特变换进行测量
。
该方法通过把可调谐激光器的输出分为两臂，经过不同长度的两臂后进行合束
。
如果两臂之间的臂长差为
L
，那么激光在经过合束时就会有时间差其中
n
为折射率，
c
为真空中的光速
。
由于激光器输出频率在调谐，合束的两路光就会有频率差其中
α
(t)
为激光器的频率调谐速度
。
那么合束的光就会形成拍频信号其中
A
为拍频振幅，是拍频的相位
。
接下来通过希尔伯特变换来读取
ω
(t)。
由于希尔伯特变换对噪声的敏感，该方法也存在抗干扰能力差的问题
。
并且为了实现希尔伯特变换，装置结构复杂
、
体积大
、
成本高
。
此外，由于光纤有色散，也就是折射率
n
在不同的频率下不同，因此在大范围扫频时，时间差
τ
也会发生改变，这导致该方法在大范围下测量激光器的输出频率并不准确
。
[0008]5、
利用光纤不等臂干涉仪的透射谱测频率
。
该方法通过测量激光器频率调谐时光纤不等臂干涉仪的透射谱来测量频率
。
随着激光频率随着时间变化，光纤不等臂干涉仪的透射谱成正弦变化，如图
1a
所示
。
该正弦信号的周期就是不等臂干涉仪的自由光谱范围
(FSR)
，其大小其中
c
是真空中的光速，
n
是折射率，
L
是臂长差
。
该方法通过计算透射谱的周期来测量激光器的频率
。
但是在大频率调谐范围下光纤受色散影响，不等臂干涉仪的
FSR
大小会发生变化，因此测量的频率并不准确
。
此外，该方法的频率分辨率就是
FSR
的大小，若想要提高分辨率到
1MHz
，需要臂长差达到大约
200m
，这么长的光纤受温度
、
震动等干扰严重，稳定性差
。
所以该方法只能在分辨率和稳定性之间进行权衡取舍
。
[0009]6、
利用色散标定的光纤环腔透射谱测频率
。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可调谐激光器动态频率测量方法，利用可调谐激光器的输出光信号与频率参考光源形成拍频信号，通过对所述拍频信号进行处理从而测量所述输出光信号的频率，其特征在于，包括如下步骤：
S1、
将所述输出光信号与所述频率参考光源合束，形成所述拍频信号；
S2、
使用光电探测器探测所述拍频信号，进而获得该拍频信号对应的数字信号；
S3、
将所述数字信号通过数字带通滤波器获得一系列脉冲信号，作为生成的频率标记；
S4、
通过所述频率标记和所述频率参考光源的已知频率计算所述输出光信号的频率
。2.
如权利要求1所述的可调谐激光器动态频率测量方法，其特征在于，在所述步骤
S4
中，还包括获取所述频率标记对应的脉冲信号的脉冲顶点位置，根据所述脉冲顶点位置获得拍频信息；进一步根据所述拍频信息和所述频率参考光源的已知频率计算所述输出光信号的频率
。3.
如权利要求1所述的可调谐激光器动态频率测量方法，其特征在于，在所述步骤
S3
之前还包括设定所述数字带通滤波器的通带中心频率的步骤；当所述频率参考光源为光学频率梳时，所述通带中心频率选择光梳与最邻近梳齿产生的拍频，或者选择光梳与次邻近梳齿的拍频，或者与更远梳齿的拍频
。4.
如权利要求1所述的可调谐激光器动态频率测量方法，其特征在于，在所述步骤
S3
之前还包括根据所述可调谐激光器的频率调谐速度，设定不同的所述数字带通滤波器宽度
。5.
如权利要求1‑3任一项所述的可调谐激光器动态频率测量方法，其特征在于，所述步骤
S3
中具体为将所述数字信号通过多个通带中心频率不同的数字带通滤波器
。6.
如权利要求4所述的可调谐激光器动态频...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘骏秋，石宝奇，罗弋涵，孙威，柏雪，
申请(专利权)人：深圳国际量子研究院，
类型：发明
国别省市：