一种激光种子源展宽光谱测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及激光技术领域，具体是涉及一种高精度激光种子源展光谱测量装置。


背景技术：

2.在高功率窄线宽光纤激光器中，需要通过相位调制的方式来展宽窄线宽种子源激光器的光谱以抑制受激布里渊散射(stimulated brillouin scattering,sbs)非线性效应带来的系统风险，限制了激光器能达到的最高放大功率。不同的展宽光谱形状对sbs效应的抑制效果不一样。为了达到最高的放大器功率，需要通过优化相位调制的波形来精确控制展宽光谱的谱型。种子源展宽光谱的优化控制依赖于有效的高精度光谱测量手段。
3.在高精度光谱测量方案上，传统的基于衍射光栅的光谱分析仪(optical spectrum analyzer,osa)在1um波段下的分辨率有限，如现有的商用横河光谱仪分辨率仅有0.2nm，无法精细观察带宽仅有几十ghz的展宽光谱。在2005年，subias等人研究了基于sbs的光谱分析技术(j.m.s.domingo,j.pelayo,f.villuendas,c.d.heras and e.pellejer,"very high resolution optical spectrometry by stimulated brillouin scattering,"in ieee photonics technology letters,vol.17,no.4,pp.855-857,april 2005.)实现了高分辨率的光谱测量，但是基于sbs的测量方案对实验环境的温度和振动等十分敏感，并且需要价格昂贵的可调谐激光器。在2002年，douglas等人研究了基于相干拍频的高精度光谱分析方案(d.m.baney,b.szafraniec and a.motamedi,"coherent optical spectrum analyzer,"in ieee photonics technology letters,vol.14,no.3,pp.355-357,march 2002.)，但是其使用波段是针对1550nm波段的光谱，基于的假设是用于扫频的激光器功率维持不变，故而在测量上存在一定误差；并且无法对光谱进行反馈控制，因此需要在此结构基础上进行相关改进以应用于激光种子源光谱展宽的测量和控制场景。


技术实现要素：

4.为了解决上述线有技术中存在的缺陷和不足，本实用新型提供一种激光种子源展宽光谱测量装置，通过相干拍频方式对相位调制展宽后的光谱进行高精度测量。
5.本实用新型的技术解决方案如下：
6.一种激光种子源展宽光谱测量装置，其特征在于，包括：
7.激光种子源模块，用于输出预设波长和功率的连续窄线宽的光信号，并输入光谱展宽模块；
8.光谱展宽模块，受主控计算机控制以响应输入的光信号，并输出展宽后的光信号作为待测光信号，并输入所述拍频测量模块；
9.扫频激光源模块，用于输出不同中心频率的拍频信号，并输入所述拍频测量模块；
10.拍频测量模块，由依次放置的光耦合器、光电探测器和低通滤波器构成，所述待测光信号和拍频信号经所述光耦合器合束后，经所述光电探测器和低通滤波器输出拍频的电
信号；
11.电功率计模块，用于测量所述电信号的功率；
12.主控计算机，用于控制所述扫频激光源模块扫频，读取所述电功率计模块的功率数并输出测量光谱数据，以及控制所述光谱展宽模块的参数改变输出光谱。
13.进一步地，本装置所采用的扫频激光源模块，由窄线宽半导体激光器和包含电流驱动功能和tec温度控制功能的激光器驱动模块构成。通过计算机控制驱动电流的大小可在小范围(ghz量级)调节激光器的中心频率，达到高精度扫频的效果。同样，通过激光器驱动模块控制tec工作温度可在更大的范围(thz)量级粗略设定激光器的输出波长，使本装置使用于测量不同的种子源波长的展宽光谱，覆盖宽度可达几十纳米。
14.为使电功率计测量的电信号功率能反映真实的被测光谱信号的强度，避免扫频激光器在不同工作频率点的功率差异带来的影响，可参考扫频激光器本身的功率波长关系对拍频后的电信号功率进行校准补偿。
15.扫频方式测试的光谱的绝对频率信息取决于扫频激光器频率的准确性，通过调节激光器驱动电流的方式来实现频率扫频，可预先对驱动电流和扫频激光的频率之间的关系进行测量校准。
16.所述的光耦合器的功率耦合比例范围为10:90到90:10，优选比例为50:50。
17.所述低通滤波器的带宽范围为10khz～500mhz，优选带宽为50mhz。
18.为实现测量反馈优化展宽模块的光谱调制参数达到最佳的展宽光谱，反馈参数的可以选取任何被测光谱和目标光谱的差函数，如两者差函数的一阶范数或更高阶范数等其他任意可以反应二者差距的函数。
19.本装置所采用的激光种子源模块和光谱展宽模块可合并为一个被测光谱产生单元。种子源模块可以是任何基于半导体或者光纤激光器产生的窄线宽激光光源。光谱展宽模块可以是本领域中任何基于相位调制方式实现光谱调制的功能的单元。合并的被测光谱单元可以是任何光谱宽度介于ghz量级的光谱信号产生装置。
20.与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
21.1)采用简单的相干拍频方案，通过一个光耦合器和光电探测器以及低通电滤波器实现对光谱展宽模块后光谱测量，测量分辨率可达到几十兆赫兹量级。并且通过将测量结果反馈于计算机以作为调整展宽模块调制参数依据，构建了一个可反馈优化输出光谱的装置。
22.2)通过简单的激光器的电流控制器底座来代替原有相干拍频方案的可调谐激光源，结构更加简单，并且可以测量的待测信号的频率动态范围可以通过更改电流控制器的电流范围来改变。并利用反馈算法将光谱调控至目标光谱，实现输出光谱的自动化校准优化。
23.3)系统简单易行，并且可通过系统反馈实现光谱谱型的优化控制。可以实现在有明确目标光谱形状的情况下，通过高精度光谱测量和反馈优化来调整展宽模块相位调制参数，逼近该目标光谱，实现最佳种子光谱展宽的效果。
附图说明
24.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特
征、目的和优点将会变得更明显：
25.图1是本实用新型激光种子源展宽光谱测量装置的示意图图；
26.图2是本基于扫频和拍频检测的光谱测量原理示意图；
27.图3是实施例得到的一个种子源展宽光谱信号的测量结果；
28.图4是实施例通过测量反馈优化控制种子源展宽光谱后得到的顶部平坦近矩形光谱的优化结果。
具体实施方式
29.下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明，但并不是对本实用新型保护范围的限制。
30.如图1所示，在本实用新型实施例中，种子源激光器采用1062nm半导体dfb激光器，典型工作电流150ma，典型输出波长1062nm和典型输出功率20dbm。光谱展宽模块是基于1um波段相位调制器，可由软件控制调制波形参数的光谱展宽功能模块。扫频激光模块由窄线宽半导体激光器和包含电流驱动功能和tec驱动功能的激光器驱动模块构成；拍频测量模块是将经过光谱展宽模块后的待测信号和扫频激光器产生的光信号经过一个光耦合器后输出到光电探测器，然后经过一个低通滤波器输出拍频的电信号的模块。
31.本实用新型实施例子的使用流程主要包括用于扫频的激光器的电流控制、光谱展宽模块部分的驱动电信号输入、展宽后光谱和参考光信号的拍频、电功率计示数的读取和光谱测量结果与预期目标的差距量化，具体包括以下步骤：
32.s1：步骤1、如图1本实用新型实施例的实验框图所示，种子源的输出波长为1062nm，功率为20dbm的保偏光信号，输入光谱展宽模块进行光谱展宽；
33.s2：步骤2、通过计算机python程序控制光谱展宽模块里相位调制的波形参数，本实例使用的是可编程逻辑门阵列(field programmable gate array,fpga)加上数模转换器(digital to analog converter,dac)实现任意波形发生器的功能来产生调制的驱动信号，经过高功率射频电放大器后进入3db模拟带宽为10ghz的保偏相位调制器，进而将种子源的光谱进行展宽得到待测光谱信号。
34.s3：步骤3、通过计算机python程序控制异步收发传输器(universal asynchronous receiver/transmitter,uart)更改扫频激光源模块的激光器驱动模块的电流，电流的调节范围设定为40ma到180ma，间隔步进为0.1ma，向激光器驱动模块输入的温度参数为22℃保持不变，并在驱动模块和激光器之间使用硅脂进行散热，最后用于扫频的激光器输出扫频的光信号。
35.s4:步骤4、将步骤3得到的光信号和步骤2得到光信号通过50比50的光耦合器进行耦合，随后输入进探测带宽为10ghz的光电探测器中进行拍频，将光信号转化为电信号，并通过一个带宽为50mhz的低通滤波器。该步骤中使用了相干拍频方案的原理，其原理示意图如图2所示，用于扫频的激光器由于其线宽很窄仅有几个mhz量级，在整个带宽量级为ghz的待测信号相比下可以认为是一个单频光，该单频光与待测信号进行拍频后，在通过低通滤波器后的信号即为图中拍频后观察范围，其只有50mhz的带宽下，也可以认为是单频光，计算这一范围的功率值即可代表该拍频信号的相对幅度。当假设扫频激光器相对幅度不变时，拍频信号的幅度只和待测信号的幅度成正比，那么将扫频信号从待测信号的最低频率
一直扫描至其最高频率范围即可得到一系列的相对幅度值，这些值所连成的曲线与待测信号的轮廓一致，进而达到了光谱测量的目的，并且由于使用的带宽为50mhz的低通滤波器，其分辨率也即能达到50mhz的高分辨率，实现了高精度的光谱测量。
36.s5：步骤5、将步骤4中的经过50mhz低通滤波器后的电信号输入到同样可以与计算机采用uart通信方式的电功率计中，电功率计采用均值功率测量，设定的电功率计测量次数为50次后进行平均以减小测量误差。以单位dbm来记录最后的均值功率。其中，记录的值还具有如下子步骤：
37.s51:(1)由于随着扫频部分激光器的电流变化，扫频激光源模块产生的光信号功率会随电流增大，影响拍频的功率结果，因此需要在实验最初预先使用光功率计将每个电流值下的光功率对应以dbm的单位记录好，该记录在后续使用系统过程不需要重复，记录完成后，步骤5中测量得到功率值减去对应电流下记录的功率值即作为光谱测量的相对幅度记录。
38.s52：(2)波长标定过程，类似上一子步骤，该过程也是实验最初预先使用波长计将每个电流值下的光信号的中心波长记录，该记录同样在后续的使用系统过程中不需要重复，记录完成后，步骤5中测量得到的相对幅度对应的中心波长就是对应电流所记录的波长。
39.s6：步骤6、采用for循环来循环步骤3和步骤5，循环的参数即为步骤3中设定的电流值序列，也即40ma到180ma间隔0.1ma的电流序列。随后步骤5将会记录一系列的功率值
40.s7：在经过上述的一轮测量后，可以得到如图3所示的一个初始的展宽后信号的光谱图，其频率范围为1062.44nm到1062.58nm，并且可以清晰的观察到在中间部分的光谱具有凹陷的形状，此形状是使用商用横河光谱仪在该波段下无法管察到的。此后，将目标光谱设定为带宽下中间部分平坦的无凹陷的光谱，经过测量得到的光谱与目标形状的差距，通过一系列反馈的过程，最终实现了如图4所示的平坦的反馈优化之后的光谱，本实施例通过微调光谱展宽模块的驱动信号并且继续使用该装置测量光谱，反复六次之后。也可以将传统的遗传算法部署到系统中，以实现自动搜索目标光谱。
41.经试验表明，本实用新型的这种可反馈的光谱高精度测量和控制方法与系统的有效性和实用行。
42.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。