[發明專利]一種高性能寬譜光源的產生方法及裝置

有效

• 申請號: 202011146074.8
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112511235B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 繆立軍;閆景濤;黃騰超;車雙良;舒曉武
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H04B10/50
• 分類號: H04B10/50;H04B10/556
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

本發明公開了一種高性能寬譜光源的產生方法及裝置，首先利用波分復用器將多個中心波長相近的激光器的出射光合為單一光束，然后將光束輸入至電光相位調制器的光學輸入端口，同時高斯白噪聲發生器生成的信號經放大后輸入至電光相位調制器的電學端口施加驅動效果，光束中不同波長成分的激光光譜通過外部相位調制被獨立展寬，通過彼此相互疊加得到等效的大功率寬光譜光源，最后從電光相位調制器的光學輸出端口輸出。裝置包括激光光源組、波分復用器、電光相位調制器、高斯白噪聲發生器、信號放大模塊。本發明所產生的光源兼具激光和傳統寬譜光源的特點，具有大功率、寬光譜、高波長穩定性等優點，且結構簡單，成本可控，對研究及其應用具有重要意義。

技術領域

本發明涉及光纖傳感與激光技術領域，尤其是一種高性能寬譜光源的產生方法及裝置。

背景技術

光纖傳感器具有高靈敏度、抗電磁干擾、柔韌性好、頻帶寬、動態范圍大、可植入性強等優點，廣泛應用于航天航空、工礦企業、能源環保、工業控制、醫藥衛生、計量測試、建筑、家用電器、國防等領域。光纖傳感器以光學量的轉換為基礎，通過檢測外界因素對光信號的改變來獲得被測參數。作為光纖傳感器的信號源，光源對于光纖傳感器的性能起到決定性作用。光纖傳感器常用光源按照相干性可分為相干光源和低相干光源兩類。低相干光源廣泛應用于光纖陀螺等傳感器中，以抑制背向散射、Kerr效應及偏振耦合帶來的漂移和噪聲。傳統的低相干光源主要包括超輻射發光二極管和超熒光光纖光源等。超輻射發光二極管光束發散角大，不利于耦合進單模光纖中，輸出功率低，限制了系統的信噪比；使用壽命短，波長穩定性差，影響對外部參數的精確測量。摻鉺超熒光光纖光源相較于超輻射發光二極管有一定的提升，但是中心波長穩定性仍然不足以滿足高精度場景下的應用。

作為近年來研究方向的前沿，半導體激光器依靠各類關聯技術及材料與工藝等方面的突破性進步取得了顯著發展，具有體積小、效率高、壽命長、結構簡單、成本可控、中心波長穩定等優點。目前市場上的半導體激光線寬僅為幾KHz到幾十MHz，遠遠無法滿足寬譜光纖傳感的需求。以抑制高功率激光系統中的受激布里淵散射和光纖陀螺為例，要求激光光譜的線寬達GHz量級。展寬激光光譜的主要方案是對激光器進行調制，直接調制會存在劣化波長穩定性的弊端。相較而言，基于電光相位調制器的外部相位調制方案更具優勢且已得到廣泛驗證。

對于調制器，常用的驅動信號包括三種。

一是采用正弦信號，通過特定的調制波長和調制振幅使激光器的調制光譜等效于在初始載波兩側以調制波長為間隔產生若干邊帶，且每個邊帶都是對固有譜線的復制。一般情況下，各邊帶與載波之間的距離遠大于激光自身線寬，因此彼此之間有較好的去相干性。然而原始窄帶激光載波在很大程度上被保留下來，且由于未充分利用電光相位調制器的有效帶寬范圍，調制效率低，效果差。

二是采用偽隨機二進制信號。盡管光譜展寬的效果優于正弦信號，但是調制產生大量周期性的次峰，即二階次相干峰，會在系統中引入噪聲；調制后的線寬與系統中的電子器件帶寬相等，在需要更高展寬效果時成本會大幅增加。

三是采用噪聲信號。相位噪聲是造成半導體激光器存在一定線寬的主要原因，通過在光場中引入噪聲可以對光譜進行有效展寬。只有當相位噪聲功率同其頻率相比足夠大時才能影響到光譜的線寬，否則會因調制速度過快而只能改變光譜邊翼。實際應用中，噪聲發生器產生的信號帶寬窄、功率低，尤其是在高頻部分，對激光線寬的提升有限。

在面向大功率寬光譜光源的應用場景時，由于驅動信號功率和電子器件帶寬有限，僅展寬單個半導體激光器難以滿足要求。一種解決方法是同時展寬多個激光后進行合束，以此來提高光源的譜寬和輸出功率。但是對各路激光進行獨立調制需要等量的電光相位調制器和驅動信號源，這無疑會使系統結構復雜、功耗提升、成本高昂。