锁定光通信波段双激光器频率的装置的制作方法

本实用新型属于激光技术领域，具体是一种同时锁定光通信波段双激光器频率的装置，对单光子进行多波长调制并分别独立解调离散的数字脉冲信号提取相应的误差信号，通过调谐对应单光子边带频率将两台激光器同时锁定到一台保偏光纤光栅。

背景技术：

高频率稳定性激光广泛应用于精密测量、量子通信、高分辨光谱等领域。当激光器与频率参考的频率相近时，利用负反馈系统将反馈信号加载到激光器的频率调制端口，将激光器锁定到频率参考可以提高激光器的频率稳定性，这种激光系统具有重要的应用价值。人们通过直接调谐激光频率将两台甚至多台激光器同时锁定到频率参考，获得了高频率稳定的激光输出。但是当激光频率与参考频率失谐较大时或者激光器频率不能调谐时，则无法锁定激光频率，限制了激光器的应用。利用声光调制器通过调谐其驱动电压移动激光频率，使激光与频率参考共振最终实现了激光频率锁定，但是声光调制器的调制带宽非常有限，不能在实验中灵活使用。

技术实现要素：

本实用新型为了解决存在的上述问题，提供了一种锁定光通信波段双激光器频率的装置及方法，解决了激光频率与参考频率失谐较大时或者激光器不能频率调谐时，无法锁定激光器频率的问题。

本实用新型是采用如下技术方案实现的：

一种锁定光通信波段双激光器频率的装置，包括第一激光系统和第二激光系统。

所述第一激光系统包括第一激光器，所述第一激光器输出沿保偏光纤慢轴传输的单频线偏振激光依次经过保偏光纤连接的第一保偏光纤隔离器、第一保偏光纤衰减器、第一保偏光纤电光调制器后进入保偏光纤偏振合束器的第一输入端。

所述第二激光系统包括第二激光器，所述第二激光器输出沿保偏光纤慢轴传输的单频线偏振激光依次经过保偏光纤连接的第二保偏光纤隔离器、第二保偏光纤衰减器、第二保偏光纤电光调制器后进入所述保偏光纤偏振合束器的第二输入端。

所述保偏光纤偏振合束器的输出端通过保偏光纤与保偏光纤光栅的输入端相连，所述保偏光纤光栅的输出端通过保偏光纤与保偏光纤耦合器的输入端相连，所述保偏光纤耦合器的第一输出端通过保偏光纤与单光子探测器的输入端相连，所述保偏光纤耦合器的第二输出端输出两束频率锁定的偏振正交激光用于实验研究。

所述单光子探测器的第一输出端与第一锁相放大器的输入端相连，所述第一锁相放大器的第一输出端与第一模拟比例积分微分控制器的输入端相连，所述第一锁相放大器的第二输出端与示波器的第一输入端相连，所述第一锁相放大器的调制输出端与第一加法器的第一输入端相连，所述第一加法器的第二输入端与第一射频源的输出端相连，所述第一加法器的输出端与第二加法器的第一输入端相连，所述第一模拟比例积分微分控制器的输出端与第二加法器的第二输入端相连，所述第二加法器的输出端与第一压控振荡器的输入端相连，所述第一压控振荡器的输出端与所述第一保偏光纤电光调制器的调制输入端相连。

所述单光子探测器的第二输出端与第二锁相放大器的输入端相连，所述第二锁相放大器的第一输出端与第二模拟比例积分微分控制器的输入端相连，所述第二锁相放大器的第二输出端与示波器的第二输入端相连，所述第二锁相放大器的调制输出端与第三加法器的第一输入端相连，所述第三加法器的第二输入端与第二射频源的输出端相连，所述第三加法器的输出端与第四加法器的第一输入端相连，所述第二模拟比例积分微分控制器的输出端与第四加法器的第二输入端相连，所述第四加法器的输出端与第二压控振荡器的输入端相连，所述第二压控振荡器的输出端与所述第二保偏光纤电光调制器的调制输入端相连。

利用上述系统进行锁定光通信波段双激光器频率的方法，包括如下步骤：

第一激光器输出沿保偏光纤慢轴传输的1549.64nm单频线偏振激光进入第一保偏光纤隔离器，第一保偏光纤隔离器的作用是防止激光被反射进入第一激光器影响工作稳定性。经过第一保偏光纤隔离器输出的激光经过第一保偏光纤衰减器调节强度至单光子量级，之后单光子信号进入第一保偏光纤电光调制器进行相位调制后产生一阶边带，然后单光子信号进入保偏光纤偏振合束器的第一输入端，经过保偏光纤偏振合束器输出后进入保偏光纤光栅传输。

第二激光器输出沿保偏光纤慢轴传输的1549.97nm单频线偏振激光进入第二保偏光纤隔离器，第二保偏光纤隔离器的作用是防止激光被反射进入第二激光器影响工作稳定性。经过第二保偏光纤隔离器输出的激光经过第二保偏光纤衰减器调节强度至单光子量级，之后单光子信号进入第二保偏光纤电光调制器进行相位调制后产生一阶边带，然后单光子信号进入保偏光纤偏振合束器的第二输入端，经过保偏光纤偏振合束器输出后也进入保偏光纤光栅传输。

第一射频源输出斜波扫描信号和第一锁相放大器输出的高频调制信号通过第一加法器叠加在一起，经过第二加法器后输入到第一压控振荡器的电压调谐端口，其中斜波信号用于扫描边带信号的频率，高频调制信号用于调制边带信号的频率。由于第一压控振荡器的输出信号频率与输入电压具有线性响应，第一压控振荡器输出调制的正弦波信号加载到第一保偏光纤电光调制器的调制端口，则输入单光子信号经过相位调制后产生左右一阶边带，选择合适的边带频率，使得保偏光纤光栅的快轴透射频率能够与其中一个边带信号共振。经过保偏光纤光栅透射输出的单光子信号进入保偏光纤耦合器，保偏光纤耦合器第一输出端输出信号由单光子探测器采集，并输出对应强度的数字脉冲信号。

第二射频源输出斜波扫描信号和第二锁相放大器输出的高频调制信号通过第三加法器叠加在一起，经过第四加法器后输入到第二压控振荡器的电压调谐端口，其中斜波信号用于扫描边带信号的频率，高频调制信号用于调制边带信号的频率。由于第二压控振荡器的输出信号频率与输入电压具有线性响应，第二压控振荡器输出调制的正弦波信号加载到第二保偏光纤电光调制器的调制端口，则输入单光子信号经过相位调制后产生左右一阶边带，选择合适的边带频率，使得保偏光纤光栅的慢轴透射频率能够与其中一个边带信号共振。经过保偏光纤光栅透射输出的单光子信号进入保偏光纤耦合器，保偏光纤耦合器第一输出端输出信号由单光子探测器采集，并输出对应强度的数字脉冲信号。

单光子探测器输出的第一路数字脉冲进入第一锁相放大器进行解调，第一锁相放大器只解调与第一锁相放大器调制频率对应的调制信号，滤除其它频段的噪声信号。第一锁相放大器输出对应的误差信号进入第一模拟比例积分微分控制器进行优化，同时在示波器上进行同步监视。第一模拟比例积分微分控制器输出优化的误差信号经过第二加法器后加载到第一压控振荡器的电压调谐端口。关闭第一射频源输出的斜波扫描信号，选择合适的直流偏置，使相应边带信号与保偏光纤光栅的快轴透射频率完全共振，通过优化实验参数使示波器上观察到的误差信号幅度最小，则实现了锁定第一激光器的频率到保偏光纤光栅的快轴透射峰。

单光子探测器输出的第二路数字脉冲进入第二锁相放大器进行解调，第二锁相放大器只解调与第二锁相放大器调制频率对应的调制信号，滤除其它频段的噪声信号。第二锁相放大器输出对应的误差信号进入第二模拟比例积分微分控制器进行优化，同时在示波器上进行同步监视。第二模拟比例积分微分控制器输出优化的误差信号经过第四加法器后加载到第二压控振荡器的电压调谐端口，关闭第二射频源输出的斜波扫描信号，选择合适的直流偏置，使相应边带信号与保偏光纤光栅的慢轴透射频率完全共振，通过优化实验参数使示波器上观察到的误差信号幅度最小，则实现了锁定第二激光器的频率到保偏光纤光栅的慢轴透射峰。

偏振复用是两束偏振态互相垂直的线偏振光在一条保偏光纤中沿快轴和慢轴同时传输的方法，单光子多波长调制是利用多个调制信号通过周期性调制单光子的传输效率，使单光子信号在时域分布上携带不同的调制信息，则经过单光子探测器进行光电转换后，输出离散数字脉冲信号在时域分布上也携带相应的调制信息，数字脉冲进入不同锁相放大器进行独立解调，锁相放大器只解调单一调制频率附近滤波带宽内的信号，滤除滤波带宽以外的其它噪声信号，可以输出对应误差信号用于锁定相应激光器频率。

本实用新型通过对激光信号进行相位调制产生单光子边带，通过偏振复用和单光子多波长调制获取对应于单一调制频率处相应的误差信号，将误差信号加载到对应压控振荡器的电压调谐端口，通过改变输出射频信号频率从而调谐单光子边带频率，实现了实时锁定双激光器频率到一台保偏光纤光栅的快轴透射峰与慢轴透射峰，同时获得了两束高频率稳定性激光输出。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、具有结构紧凑，操作方便，稳定性高等特点；

2、同时锁定双激光器的频率到一台保偏光纤光栅，系统成本低且工作效率高；

3、利用电光调制器锁定激光频率，由于电光调制器具有很宽的调制带宽，解决了激光频率与参考频率失谐较大时或者激光器不能频率调谐时，无法锁定激光器频率的问题。

附图说明

图1表示本实用新型所述装置的连接示意图（虚线代表沿保偏光纤传输的光信号，实线代表沿电线传输的电信号）。

图2表示经过第一保偏光纤电光调制器（或者第二保偏光纤电光调制器）后输出信号的光谱示意图。

图中：1-第一激光器，2-第一保偏光纤隔离器，3-第一保偏光纤衰减器，4-第一保偏光纤电光调制器，5-保偏光纤偏振合束器，6-保偏光纤光栅，7-保偏光纤耦合器，8-单光子探测器，9-第一射频源，10-第一加法器，11-第一锁相放大器，12-第一压控振荡器，13-第二加法器，14-第一模拟比例积分微分控制器，15-示波器，16-第二激光器，17-第二保偏光纤隔离器，18-第二保偏光纤衰减器，19-第二保偏光纤电光调制器，20-第二射频源，21-第三加法器，22-第二锁相放大器，23-第二压控振荡器，24-第四加法器，25-第二模拟比例积分微分控制器。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施例进行详细说明。

一种锁定光通信波段双激光器频率的装置，如图1所示，包括第一激光系统和第二激光系统。

第一激光系统包括第一激光器1，第一激光器1输出沿保偏光纤慢轴传输的1549.64nm单频线偏振激光依次经过保偏光纤连接的第一保偏光纤隔离器2、第一保偏光纤衰减器3、第一保偏光纤电光调制器4后进入保偏光纤偏振合束器5的第一输入端。

第二激光系统包括第二激光器16，第二激光器16输出沿保偏光纤慢轴传输的1549.97nm单频线偏振激光依次经过保偏光纤连接的第二保偏光纤隔离器17、第二保偏光纤衰减器18、第二保偏光纤电光调制器19后进入所述保偏光纤偏振合束器5的第二输入端。

实验中用于光学参考的保偏光纤光栅6为π相移保偏光纤光栅，慢轴透射峰线宽为65MHz，快轴透射峰线宽为67MHz。对保偏光纤光栅6进行隔振控温处理以提高频率稳定性。

保偏光纤偏振合束器5的输出端通过保偏光纤与保偏光纤光栅6的输入端相连，保偏光纤光栅6的输出端通过保偏光纤与保偏光纤耦合器7的输入端相连，保偏光纤耦合器7（分光比50:50）的第一输出端通过保偏光纤与单光子探测器8的输入端相连，保偏光纤耦合器7的第二输出端输出沿保偏光纤快轴和慢轴传输的两束线偏振频率锁定激光，即可用于实验研究。

单光子探测器8的第一输出端与第一锁相放大器11的输入端相连，第一锁相放大器11的第一输出端与第一模拟比例积分微分控制器14的输入端相连，第一锁相放大器11的第二输出端与示波器15的第一输入端相连，第一锁相放大器11的调制输出端与第一加法器10的第一输入端相连，第一射频源9的输出端与第一加法器10的第二输入端相连，第一加法器10的输出端与第二加法器13的第一输入端相连，第一模拟比例积分微分控制器14的输出端与第二加法器13的第二输入端相连，第二加法器13的输出端与第一压控振荡器12的输入端相连，第一压控振荡器12的输出端与第一保偏光纤电光调制器4的调制输入端相连。

单光子探测器8的第二输出端与第二锁相放大器22的输入端相连，第二锁相放大器22的第一输出端与第二模拟比例积分微分控制器25的输入端相连，第二锁相放大器22的第二输出端与示波器15的第二输入端相连，第二锁相放大器22的调制输出端与第三加法器21的第一输入端相连，第二射频源20的输出端与第三加法器21的第二输入端相连，第三加法器21的输出端与第四加法器24的第一输入端相连，第二模拟比例积分微分控制器25的输出端与第四加法器24的第二输入端相连，第四加法器24的输出端与第二压控振荡器23的输入端相连，第二压控振荡器23的输出端与第二保偏光纤电光调制器19的调制输入端相连。

上述装置进行锁定光通信波段双激光器频率的方法，包括如下步骤：第一激光器1输出沿保偏光纤慢轴传输的1549.64nm单频线偏振激光进入第一保偏光纤隔离器2，第一保偏光纤隔离器2的作用是防止激光被反射进入第一激光器1影响工作稳定性。经过第一保偏光纤隔离器2输出的激光经过第一保偏光纤衰减器3调节强度至单光子量级，平均光子数约为0.1。之后单光子信号进入第一保偏光纤电光调制器4进行相位调制，然后单光子信号进入保偏光纤偏振合束器5的第一输入端，经过保偏光纤偏振合束器5输出后进入保偏光纤光栅6传输。

第二激光器16输出沿保偏光纤慢轴传输的1549.97nm单频线偏振激光进入第二保偏光纤隔离器17，第二保偏光纤隔离器17的作用是防止激光被反射进入第二激光器16影响工作稳定性。经过第二保偏光纤隔离器17输出的激光经过第二保偏光纤衰减器18调节强度至单光子量级，平均光子数约为0.1。之后单光子信号进入第二保偏光纤电光调制器19进行相位调制，然后单光子信号进入保偏光纤偏振合束器5的第二输入端，经过保偏光纤偏振合束器5输出后也进入保偏光纤光栅6传输。

第一射频源9输出8Hz斜波扫描信号和第一锁相放大器11输出8.9kHz高频调制信号通过第一加法器10叠加在一起，经过第二加法器13后输入到第一压控振荡器12的电压调谐端口，其中斜波信号用于扫描边带信号的频率，高频调制信号用于调制边带信号的频率。由于第一压控振荡器12的输出信号频率与输入电压具有约86MHz/V的线性响应关系，第一压控振荡器12输出调制的正弦波信号加载到第一保偏光纤电光调制器4的调制端口，第一保偏光纤电光调制器4的调制带宽为20GHz，则输入单光子信号经过相位调制后产生左右一阶边带，对应的光谱示意图如图2所示。选择合适的边带频率，使得保偏光纤光栅6的快轴透射频率能够与右边带信号共振。经过保偏光纤光栅6透射输出的单光子信号进入保偏光纤耦合器7，保偏光纤耦合器7第一输出端输出信号由单光子探测器8采集，并输出对应强度的数字脉冲信号，数字脉冲信号的分布概率被8.9kHz正弦波调制，即数字脉冲携带8.9kHz调制信息。

第二射频源20输出10Hz斜波扫描信号和第二锁相放大器22输出的8.2kHz调制信号通过第三加法器21叠加在一起，经过第四加法器24后输入到第二压控振荡器23的电压调谐端口，其中斜波信号用于扫描边带信号的频率，高频调制信号用于调制边带信号的频率。由于第二压控振荡器23的输出信号频率与输入电压具有约85MHz/V的线性响应关系，第二压控振荡器23输出调制的正弦波信号加载到第二保偏光纤电光调制器19的调制端口，第二保偏光纤电光调制器19的调制带宽为20GHz，则输入单光子信号经过相位调制后产生左右一阶边带，对应的光谱示意图如图2所示。选择合适的边带频率，使得保偏光纤光栅6的慢轴透射频率能够与右边带信号共振。经过保偏光纤光栅6透射输出的单光子信号进入保偏光纤耦合器7，保偏光纤耦合器7第一输出端输出信号由单光子探测器8采集，并输出对应强度的数字脉冲信号，数字脉冲信号的分布概率被8.2kHz正弦波调制，即数字脉冲携带8.2kHz调制信息。

单光子探测器8输出的第一路数字脉冲进入第一锁相放大器11进行解调，第一锁相放大器11的积分时间为1ms，滤波斜率为24dB，对应的滤波带宽为78.1Hz。第一锁相放大器11只解调8.9kHz位置处对应的调制信号，滤除了8.2kHz处的噪声信号，第一锁相放大器11输出对应的误差信号进入第一模拟比例积分微分控制器14进行优化，同时在示波器15上进行同步监视。第一模拟比例积分微分控制器14输出优化的误差信号经过第二加法器13后加载到第一压控振荡器12的电压调谐端口，关闭第一射频源9输出的斜波扫描信号，选择合适的直流偏置，使右边带信号与保偏光纤光栅6的快轴透射频率完全共振，通过优化实验参数使示波器15上观察到的误差信号幅度最小，相应的激光频率起伏小于3.5MHz，则实现了锁定第一激光器1的频率到保偏光纤光栅6的快轴透射峰。

单光子探测器8输出的第二路数字脉冲进入第二锁相放大器22进行解调，第二锁相放大器22的积分时间为1ms，滤波斜率为18dB，对应的滤波带宽为93.75Hz。第二锁相放大器22只解调8.2kHz调制频率处对应的调制信号，滤除8.9kHz处的噪声信号，第二锁相放大器22输出对应的误差信号进入第二模拟比例积分微分控制器25进行优化，同时在示波器15上进行同步监视。第二模拟比例积分微分控制器25输出优化的误差信号经过第四加法器24后加载到第二压控振荡器23的电压调谐端口，关闭第二射频源20输出的斜波扫描信号，选择合适的直流偏置，使右边带信号与保偏光纤光栅6的慢轴透射频率完全共振，通过优化实验参数使示波器15上观察到的误差信号幅度最小，相应的激光频率起伏小于3.9MHz，则实现了锁定第二激光器16的频率到保偏光纤光栅6的慢轴透射峰。

本实用新型采用对激光信号进行相位调制产生单光子边带信号，利用偏振复用结合单光子多波长调制通过分别独立解调离散的数字脉冲信号提取对应单一调制频率的误差信号，将误差信号加载到相应压控振荡器的电压调谐端口，通过改变输出射频信号频率从而调谐单光子边带频率，实现了实时锁定双激光器频率到一台保偏光纤光栅的快轴透射峰与慢轴透射峰，同时获得了两束高频率稳定性激光输出。本发明设计合理，结构紧凑，操作方便，稳定性高，系统成本低且工作效率高，可应用于精密测量、量子通信、高分辨光谱等领域。

应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本实用新型的保护范围。