激光线宽压缩方法及系统与流程

本发明涉及的是一种激光通信领域的技术，具体是一种基于光移频器与数字式射频信号合成器的高性能激光线宽压缩方法及系统。

背景技术：

在各类高精度的激光感测系统与激光传感技术中，激光器线宽为限制系统性能指标的重要因素。在实际应用中，考虑到成本，尺寸，稳定性，技术成熟度等因素，常选用半导体激光器作为系统中的激光光源。然而，目前绝大多数商用半导体激光器的直接输出线宽通常在几十mhz至数百khz的数量级，无法满足某些对感测精度要求较高的应用场景的需求。

经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号cn201510221740.2与cn201510612438.x中，都公开了基于声光移频器对激光进行调谐的技术，但其控制回路中均涉及较长的光纤路径，引入的延时较高，控制系统调谐速率与调谐精度均不够。其中，专利文献cn201510221740.2是用于补偿长距离光纤链路扰动造成的相位波动，专利文献cn201510612438.x需要构成反馈回路而且会引入边带，系统较为复杂，均不适用于对常规商用半导体激光器的线宽压缩。

技术实现要素：

本发明针对现有技术难以实现对10mhz至100khz级线宽水平的激光器的相位噪声进行快速、精准的瞬时相位调谐的缺陷，提出一种激光线宽压缩方法及系统，通过高速数字器件与控制系统来实现对激光光束相位的高精确度、高速率调谐，大幅提升了系统性能，可将输出激光线宽可达khz乃至hz量级。与此同时，该方法结构简单，且实现成本较低。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种激光线宽压缩方法，通过在驱动光移频或移相元件的射频电信号上叠加与输入激光的原有相位噪声的幅度相同且极性相反的瞬时相位变化，使得输入激光经过光移频元件时，藉由该瞬时相位变化抵消原有相位噪声，实现相位噪声抑制。

所述的光移频或移相元件包括但不限于声光调制器或单边带光调制器。

所述的原有相位噪声，通过光鉴相采集得到，具体通过将输入激光进行延时后进行相干解调并经光电探测得到。

所述的瞬时相位变化，通过高速可编程数字逻辑器件基于模数转换器实时采集的信号计算出输入激光在选择性延时前后产生的相位噪声并生成包含实时频率偏差的射频信号用于控制光移频元件。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：采集激光光源输出光束获取并输出对应光相位变化的模拟电信号的光鉴相单元、根据模拟电信号产生相应数字控制信号的数字控制电路单元、根据数字控制信号产生相应频率的射频电信号的数字式射频信号合成单元以及根据射频电信号对输出光进行移频并输出线宽压缩光束的光移频单元。

所述的激光光源为单纵模/准单纵模激光光源，优选采用输出光线宽小于100mhz、连续输出的激光器，例如：外腔式半导体激光器(ecl)、分布式反馈型半导体激光器(dfbl)、分布式布拉格反射式半导体激光器(dbrl)、光纤激光器(fl)等。

所述的光移频单元指声光调制器(aom)或单边带光强度调制器(ssb-im)。

所述的光鉴相单元基于延时双光束干涉原理，内置光纤耦合器、延时光纤、九十度相移光学混频器和平衡光电探测器；或内置光纤耦合器、延时光纤、3*3耦合器和光电探测器。

所述的数字控制电路单元内置高速模数转换器(adc)与高速可编程数字逻辑器件(如fpga)，能够以高于激光器输出线宽(以频率为单位)的频率下运行，其内部进行实时流水线式数据处理，从adc获取的电信号中计算出实时的激光相位噪声。根据该相位噪声，计算出对应射频电信号应有的实时频率变化，并输出相应的控制信号。

所述的数字式射频信号合成单元优选采用能够接受高速数字控制的，且其瞬时输出信号频率能够随控制信号发生快速任意变化的单片式射频电信号发生器，如基于直接数字频率合成(dds)技术的集成电路，其对控制信号的响应速率应大于激光器输出的线宽(以频率为单位)。技术效果

与现有技术相比，本发明对激光的相位控制方式直接作用于激光器，属于间接控制，在本发明中，对激光相位的控制是由对射频电信号的数字式控制来实现，即直接控制光波相位。因此，其相位控制精度大大提高，且响应速率远高于传统方式，故对激光的线宽压缩能力大幅增强。另外，在灵活性方面，由于本技术中，并不需要对激光器进行控制，因此，在用本发明进行线宽压缩的同时，激光器本身仍可接受额外的调谐，例如，对半导体激光器驱动电流进行调谐以实现扫频输出，最终可获得窄线宽，大扫频范围的高质量扫频光束。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图中：1半导体激光器、2声光调制器、3九十度相移光学混频器、4fpga(现场可编程门阵列，fieldprogrammablegatearray)、5dds(直接数字式频率合成器，directdigitalsynthesizer)、6传输光纤、7光纤耦合器、8光纤耦合器、9延时光纤、10平衡光电探测器、11高速模数转换器、12射频电信号放大器、13系统输出端；

图2激光器相位噪声谱测量系统示意图与线宽压缩前后的激光相位噪声谱图；

图中：a为对比例中基于延时自外差法进行测量激光器线宽的系统框图，b为未经压缩时，激光器直接输出线宽；c为经实施例所示系统进行线宽压缩后，输出激光的3db线宽。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种激光线宽压缩实现装置，其中包含：半导体激光器1、声光调制器2、九十度相移光学混频器3、fpga4、dds5、传输光纤6、光纤耦合器7、光纤耦合器8、延时光纤9、平衡光电探测器10、高速模数转换器11和射频电信号放大器12，其中：半导体激光器1输出的光经光纤耦合器7分为两束并分别进入包括光纤m-z延时干涉仪和平衡光电探测器10的光鉴相单元，平衡光电探测器10则将光强度信号转为电信号输出，高速模数转换器11将平衡光电探测器10输出的两路电信号分别转为数字信号，由fpga4基于cordic算法以弧度为单位计算出光波延时前后相位噪声的差值并取反后作为实时频率偏差信号用于控制dds5，dds5输出的射频信号经射频信号放大器12放大后输入声光调制器2作为驱动信号，经光纤耦合器7分束后的另一部分激光经传输光纤6后进入声光调制器2，该声光调制器2通过驱动信号将以频移的方式叠加在输入光波上。

所述的半导体激光器1的输出光中心波长为1550nm，线宽约为1mhz，输出光波矢量为ein＝e^{j[2πft+φ(t)]}，其中：f＝193.4thz，φ(t)为光波相位噪声项。

所述的光纤m-z延时干涉仪包括：九十度相移光学混频器3、光纤耦合器8、延时光纤9，其中：延时光纤9的长度为l＝4.00米，对应的光延时为τ＝19.6ns，该光纤m-z延时干涉仪探测的是光波相位噪声的延时差值，即其中：即相位噪声φ(t)对时间t的微分。

所述的平衡光电探测器10输出的两路电信号强度分别为x＝a·cos(δφ(t))，y＝a·sin(δφ(t))。

所述的fpga3基于cordic算法，以弧度为单位，根据上述信号x,y计算得到δφ(t)后，依照计算得到实时频率偏差信号fd(t)，并将f(t)＝f0+fd(t)作为实时输出频率。同时，fpga3产生相应的频率控制字以控制dds5输出瞬时频率为f(t)的射频信号，其中f0＝200mhz，dds内部采样率为2.4ghz。

所述的模数转换器11，fpga3，以及dds4(数字控制端)的工作频率为fclk＝50.0mhz，相应的周期为tclk＝1/fclk＝20.0ns。考虑到数字系统的离散特性，实时输出频率f(t)仅在数字控制周期的整数倍，即t＝k·tclk时刻发生变化，至下一控制周期，即t＝(k+1)·tclk之前保持不变。

所述的声光调制器2的中心工作频率为faom＝f0＝200mhz，该声光调制器2通过驱动信号f(t)＝f0+fd(t)将以频移的方式叠加在输入光波上，系统输出端13处的光波矢量为：其中：f及fo均为常量，因此输出光波的相位噪声为：φout(t)＝φ(t)+2π·fd(t)·t。

考察在任意一个数字控制周期内的输出光相位噪声变化，即t1＝k·tclk时刻至t2＝(k+1)·tclk时刻之间，φout(t)的变化。在此时间段内，输出光波的相位噪声即输出激光的相位噪声被射频驱动信号中施加的反向相位波动消除。此即本方法中，精确控制电信号相位变化，以消除光波中相位噪声的实现原理。

如图2a所示，为延时自外差法激光器相位噪声谱测量系统，用于对比例中测量激光线宽。

如图2b所示，未经压缩时，激光器直接输出线宽约为1mhz。如图2c所示，经本实施例所示系统进行线宽压缩后，输出激光的3db线宽仅为10khz，表明该技术对激光线宽的压缩性能极佳。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。