基于頻移反饋腔的全光纖射頻調制脈沖激光研究?

楊宏志 趙長明 張海洋 楊蘇輝 李晨

(北京理工大學光電學院,北京 100081)

基于頻移反饋腔的全光纖射頻調制脈沖激光研究?

楊宏志 趙長明 張海洋?楊蘇輝 李晨

(北京理工大學光電學院,北京 100081)

激光射頻調制,脈沖激光,頻移反饋腔,調制深度

1 引 言

光載微波激光雷達是指利用微波調制的激光作為探測載波,對目標進行測距、測速和其他特性探測的一種激光雷達.與傳統的激光雷達、微波雷達不同,其以激光作為探測載波,具有激光雷達空間分辨率高的特點,同時又利用微波信號進行探測,具有微波雷達較強的抗大氣擾動的能力,是一種結合了激光雷達和微波雷達各自的優點、又在一定程度上克服了二者不足的一種新型激光雷達,具有廣泛的應用前景[1?6].同時,該體制借鑒新型的微波光子雷達,在光纖上實現微波信號的產生、處理以及轉換,并將其作為探測載波用于目標探測[7].在光載微波激光雷達系統中,激光源作為其中的核心部件,在一定程度上決定了雷達的工作模式、作用距離、探測精度等.當前,遠距離目標的激光探測廣泛地使用脈沖激光作為發射機.但受限于單脈沖工作體制,脈沖上升沿較窄,這對后端的脈沖激光放大、回波接收等提出了較高的要求.為了解決上述問題,部分學者提出了采用具有射頻調制的脈沖激光,即利用脈沖激光高峰值功率和射頻信號高精度的特性實現遠距離、高精度的目標探測[1,8,9].其中,Brunel等[9?11]結合雙頻脈沖激光和頻移反饋腔實現了雙頻脈沖激光射頻信號的相位鎖定,并將其用于目標的速度測量.Zhang等[12]將調Q脈沖激光注入頻移反饋環中,通過脈沖疊加,實現了脈沖的射頻調制.

頻移反饋激光是在常規的Fabry-Perot腔(或者環形腔)內插入移頻器,使得激光每次通過移頻器時頻率都發生變化.頻移反饋激光在鎖模脈沖產生、光域的實時傅里葉變換、頻率梳產生、啁啾光源與寬譜光源產生等方面有特殊的應用[13?18].本文根據聲光斬波器的調制特性設計了基于頻移反饋腔的全光纖射頻調制脈沖激光.理論方面,建立了基于頻移反饋腔的激光外差相干理論模型,數值仿真了頻移反饋環路長度和斬波器觸發信號周期對射頻調制脈沖的影響,驗證了光纖放大器增益系數對射頻調制深度的影響.實驗上,利用聲光斬波器構建頻移反饋腔,通過精確控制斬波周期和頻移反饋環路的長度,使得脈沖激光反復通過聲光斬波器,獲得了具有脈內射頻調制的脈沖激光.同時,在反饋環路中加入光纖放大器,通過改變光纖放大器的輸出功率實現了射頻信號調制深度的調節.與之前的研究相比,該方案具有以下特點:1)通過連續匹配斬波實現對納秒級短脈沖的射頻調制;2)通過改變光纖放大器的輸出功率可以實現射頻調制深度的連續可調;3)采用全光纖器件,可靠性、穩定性以及體積方面具有一定的優勢.基于頻移反饋腔的全光纖射頻調制脈沖激光的研究為新體制光載微波雷達的研究奠定了理論和實驗基礎.

2 模型及仿真

2.1 頻移反饋激光理論模型

基于頻移反饋腔的射頻調制脈沖激光原理圖如圖1所示.單頻種子激光從光纖合束器的一端輸入,經光纖放大器后被聲光斬波器調制,產生移頻脈沖光,再經光纖分束器2,其中一路反饋進入環形腔中,另外一路輸出觀測.設兩個耦合器的傳輸矩陣為[aij],種子激光電場為Eseed,輸出頻移反饋激光為EFSF,頻移反饋環路中的激光電場詳見圖1(a).

根據聲光斬波器調制特性,當觸發信號周期為Trep時,聲光斬波器產生重復頻率為1/Trep的激光脈沖;當脈沖觸發信號的周期等于脈沖激光在環形腔內的傳輸時間,之前被調制的脈沖激光經光纖環路延遲后會被再次調制,即同一調制脈沖會多次通過聲光斬波器,產生射頻調制的脈沖激光.

聲光斬波器是利用聲光效應同時實現強度調制和頻率調制的器件,如圖1(b)所示;強度調制為當觸發信號上升沿到來時,輸入的連續激光通過聲光晶體,產生脈沖激光;頻率調制為布拉格衍射使得激光頻率發生改變.其強度傳輸函數模型,如(1)式所示:

其中,Gauss(t)為聲光斬波器產生的脈沖包絡;δ為狄拉克函數,用來對脈沖包絡進行周期拓展;Trep是觸發信號的周期.

合束器1輸出端的激光電場E1為頻移反饋環路內分束器2的輸入端激光電場E2為

其中S(t)ejωft是聲光斬波器的調制函數,G是光纖放大器增益,τ為激光在環形腔中的傳輸時間,γ為腔內的其他損耗.分束器2的兩輸出端激光電場分別為Eloop和EFSF,

將(2)和(3)式代入(4)式中,可得到

調制脈沖激光在頻移反饋腔中多次循環調制后,得到頻移反饋環路內的電場Eloop(t?nτ):

圖1 (a)基于頻移反饋腔的射頻調制脈沖激光原理圖;(b)聲光斬波器原理圖Fig.1.(a)Principle of radio frequency-modulated pulse based on frequency-shifted feedback(FSF)loop;(b)principle diagram of acousto-optic chopper.

將(7)式多次迭代并簡化:

根據(4),(5)和(8)式,得到頻移反饋激光電場為

根據光電探測器的光強響應特性,頻移反饋激光的光強I(t)為

圖2 聲光斬波器觸發信號周期對射頻調制脈沖的影響,其中激光在環形腔內的單次傳輸時間為50μs,光纖放大器增益為6Fig.2.The in fluence of trigger period on radio frequency-modulated pulse by simulation.The roundtrip time is 50μs and optically ampli fier gain coefficient is 6.

2.2 仿 真

根據聲光斬波器的傳遞函數(1)式和頻移反饋激光的光強表達式(10),對輸出的頻移反饋脈沖激光進行數值仿真.設耦合器的電場傳輸矩陣聲光頻移量ωf=100 MHz;激光在環形腔內的傳輸時間為50μs;斬波器觸發信號周期可調;同時考慮到連接損耗、長光纖引入的損耗等,設γ=0.5.

設激光在頻移反饋腔內的傳輸時間τ=50μs,調節聲光斬波器觸發信號周期,可以得到不同調制形式的脈沖,如圖2所示.

由圖2可知:聲光斬波器產生脈沖寬度為110 ns的激光;當斬波器的觸發信號周期(反饋腔對應的固定延遲為50μs)從49.7μs逐漸增大到50μs時(如圖2左側一列),脈沖激光經過無調制-右側調制-對稱調制過程;當斬波器的斬波周期從50μs逐漸增大至50.3μs時(如圖2右側一列),脈沖激光經過了與之前完全相反的過程,即對稱調制-左側調制-無調制.通過調節斬波周期與頻移反饋腔的長度,可以實現:1)射頻調制的脈沖激光;2)調制形式的多樣化(脈沖前、后沿調制).

當調節聲光斬波器的斬波周期等于頻移反饋腔內激光的傳輸時間時,仿真增益系數對輸出脈沖光的影響,如圖3所示.當增益系數G=1時,脈沖內射頻信號的調制深度η=0.1隨著增益系數的提高,調制深度逐漸增大;當放大器增益系數G=6時,調制深度達到η=0.67.仿真結果表明,通過調節光纖放大器的增益系數可以調節脈沖內射頻的調制深度,增益系數越大,調制深度越大.

圖3 不同光纖放大器增益系數的射頻調制脈沖仿真圖,其中觸發信號周期為50μs,頻移反饋環路長為10 kmFig.3.The simulation diagrams of radio frequency-modulated pulse with different gain coefficients.Trigger period is 50μs and loop length is 10 km.

3 實 驗

3.1 實驗裝置

實驗裝置如圖4所示.窄線寬連續激光(波長1080 nm,線寬<2 kHz,最大輸出功率10 mW)通過光纖耦合器1注入頻移反饋腔中,摻Yb3+光纖放大器(最大輸出功率500 mW)提供腔內增益,被放大后的激光經過長約10 km的光纖延時后通過光纖聲光斬波器,產生脈沖激光,光纖耦合器2的一個端口作為輸出端與帶寬為3.5 GHz高速光電探測器相連;另一輸出端接耦合器1的輸入端,脈沖激光再次進入頻移反饋腔內重復上述過程.光纖放大器輸出的輸出功率可以通過改變激光二極管(LD),抽運光功率實現,觸發信號由任意波形發生器提供,其方波周期可調,其余實驗參數同仿真參數設置.

圖4 實驗裝置圖Fig.4.Schematic diagram of experiment setup.

圖5 基于頻移反饋腔的射頻調制脈沖時域圖 (a)聲光斬波器的觸發信號;(b)射頻調制脈沖激光;(c)射頻調制脈沖激光局部放大圖Fig.5.The experiment investigation of radio frequency-modulated pulse based on FSF loop in time domain:(a)Trigger signal of acousto-optic chopper;(b)radio frequency-modulated pulse train;(c)a larger version of radio frequency-modulated pulse train.

圖6 基于頻移反饋腔的射頻調制脈沖頻譜圖 (a)輸出脈沖激光射頻調制頻譜(分辨率帶寬為1 kHz);(b)第一階調制頻譜圖(中心頻率100 MHz,分辨率帶寬為1 kHz)Fig.6.Experimental spectral power of radio frequency-modulated pulse:(a)Output radio frequencymodulated pulse spectral power(resolution bandwidth is equal to 1 kHz);(b) first order radio frequencymodulated spectrum(central frequency 100 MHz,and resolution bandwidth is equal to 1 kHz).

3.2 實驗結果

激光脈沖在聲光斬波器觸發信號上升沿處產生,如圖5(a)和圖5(b)所示:調節聲光斬波器的周期,使得Trep=τ,聲光斬波器產生的脈沖激光經過環形腔后可以再次被調制,此時聲光斬波器周期為49.135μs.調節光纖放大器的輸出功率為80 mW,此時輸出的射頻調制激光脈沖的脈沖寬度為110 ns,調制深度為0.67,如圖5(c)所示.同時,測量該脈沖的功率譜密度,如圖6(a)所示.射頻調制的最高調制頻率達到了700 MHz(7ωf).基頻的頻譜寬度約為9.5 MHz(圖6(b))對應于110 ns的脈沖寬度,符合脈沖信號時間帶寬積基本定律.

圖7 實驗探究光纖聲光斬波器周期對射頻調制脈沖的影響Fig.7.The in fluence of trigger signal period on radio frequency-modulation pulse in experiment.

當調節觸發信號周期,使得聲光斬波器觸發信號周期不嚴格地對應頻移反饋腔的腔長時,會產生偏移調制的激光脈沖,如圖7所示.這是由于聲光斬波器產生的脈沖經過環形腔后不能完全對應再次通過.當斬波周期小于49.135μs(斬波周期小于脈沖激光在環形腔內的傳輸時間)時,聲光斬波器開啟觸發信號,前一脈沖還未到達聲光斬波器,因此脈沖前沿產生了無射頻調制的脈沖;隨著時間的增加,前一脈沖激光通過了聲光斬波器,而此時如果還處于聲光斬波器的開啟階段,那么脈沖后沿就具有了射頻調制.同樣當斬波周期從49.135μs增加到49.3μs時,調制信號實現了從對稱調制-前沿調制-無調制的過程.與仿真結果(圖2)相比,實驗中反饋腔對應的周期為49.135μs(仿真為50μs),這主要是由于:1)反饋腔的長度除包含了10 km長度的光纖外,還有光纖耦合器、聲光斬波器以及光纖放大器引入的長度;2)單模光纖的折射率不嚴格等于1.5.但對比可以發現,仿真結果與實驗的變化趨勢是相符合的.

如圖8所示,當改變光纖放大器的輸出功率時,脈沖內射頻信號的調制深度會隨之發生變化,這是由于光纖放大器補償了腔內移頻光的損耗,改變了移頻光和非移頻光的幅度比,最終表現為射頻信號調制深度的變化.當光纖放大器輸出功率為80 mW時,得到了調制深度η=0.67具有射頻調制的脈沖激光,此時輸出脈沖的峰值功率約為10 mW.與仿真結果(圖3)相比,實驗中是通過控制光纖放大器的輸出功率,實現了射頻調制的改變,這主要是由于光纖放大器本身為輸出功率控制而非增益控制.但對比可以發現,仿真結果與實驗的變化趨勢相符合,即提高輸出功率(增益),調制深度也隨之增加.

圖8 實驗上不同光纖放大器輸出功率對射頻信號調制深度的影響Fig.8.The in fluence of optically ampli fier output power on the modulation depth of radio frequencymodulated pulse in experiment.

4 結 論

射頻調制的脈沖激光是光載微波雷達的重要組成部分.根據頻移反饋腔和聲光斬波器的頻率和強度調制特性,建立了基于頻移反饋腔的激光外差相干理論模型,仿真了聲光斬波器觸發信號的周期、光纖放大器增益對射頻調制脈沖的影響,并進行了實驗研究.通過連續匹配斬波實現了對納秒級脈沖的射頻調制;通過改變光纖放大器的輸出功率可以實現射頻調制深度的連續可調.基于頻移反饋腔的射頻調制脈沖激光是一種新體制下的脈沖激光,與傳統的脈沖激光相比,其獨特的反饋腔結構使得脈沖內產生了射頻調制,同時又利用脈沖內射頻調制深度的可調節,在窄脈寬激光調制以及水下探測等領域將具有廣闊的應用前景.

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All- fiber radio frequency-modulated pulsed laser based on frequency-shift feedback loop?

Yang Hong-ZhiZhao Chang-Ming Zhang Hai-Yang?Yang Su-HuiLi Chen

(School of Opto-Electronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

6 April 2017;revised manuscript

11 May 2017)

Lidar-radar by using an radio frequency modulated(RF-modulated)laser transmitter is a powerful technique for applications involving remote sensing.The method is based on the use of an optically carried RF signal in order to acquire the merits of both the directivity of the optical beam(lidar)and the accuracy of RF signal processing(radar).Compared with single-frequency coherent lidars,lidar-radars are less sensitive to atmospheric turbulence and the speckle noise induced by target roughness.For long range detection,pulsed operation is usually required because of the high peak power.In order to meet the requirement for long range detection,an RF-modulated pulse train based on an all- fiber frequency shifted feedback loop is proposed in this paper.A continuous-wave single-frequency fiber laser(seed laser)is coupled into a fiber link and an acousto-optic chopper is used as a frequency shifter and beam chopper.A Yb3+-doped f i ber ampli fier is used to compensate for the loss of the signal in the fiber loop.The pulse duration is determined by the open time of acousto-optic chopper,which is fixed at 110 ns.A square wave generated by an arbitrary waveform generator is used as a trigger signal of the acousto-optic chopper.The RF within the pulse results from the interference of frequency shifed pulse with the seed laser.By inserting a 10 km fiber in the loop and accurately controlling the trigger cycle of the acousto-optic chopper equal to the roundtrip time of the loop,the pulse train generated by acousto-optic chopper can circulate in the loop,leading to the generation of RF-modulated pulse with about 20 kHz repetition rate and 110 ns width.The gain provided by fiber ampli fier in the loop partially compensates for the loss.By adjusting the gain of f i ber ampli fier,the modulation depth of RF within the pulse can be continuously adjusted and the maximum modulation depth is 0.67.We also present an time-delayed scalar interference model which includes the loop length,trigger cycle,frequency-shift,and the gain.According to the theoretical model,the RF-modulated pulse affected by trigger cycle and fiber ampli fier is numerically simulated.The experimental results accord well with theoritical predictions.The RF-modulated pulse has the advantage of high pulse-to-pulse coherence,which provides potential applications in lidarradar detection.Besides,with an additional frequency doubling stage one can obtain a source for underwater detections and communications.Extension of the scheme to the 1.5μm telecommunication window is straightforwardfor various radio-over- fiber applications.

laser with radio frequency-modualtion,pulse laser,frequency shifted feedback loop,modulation depth

PACS:42.60.Fc,42.79.Jq,42.60.Rn,42.68.WtDOI:10.7498/aps.66.184201

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61308054).

?Corresponding author.E-mail:ocean@bit.edu.cn

(2017年4月6日收到;2017年5月11日收到修改稿)

射頻調制的脈沖激光是激光雷達探測領域內的一項重要研究內容.根據聲光斬波器的強度和頻率調制特性,設計了基于頻移反饋腔的全光纖射頻調制脈沖激光.理論上,建立了基于頻移反饋腔的激光外差相干理論模型,并進行了數值仿真.根據理論模型,實驗上嚴格控制頻移反饋腔的長度和聲光斬波器觸發信號的周期,在100 MHz的射頻信號驅動下,產生了脈沖寬度110 ns、重復頻率約20 kHz的具有最高700 MHz射頻調制的脈沖激光(脈內調制激光);同時微調斬波周期可以實現脈沖前沿或后沿的多樣性射頻調制.通過改變反饋腔內光纖放大器的輸出功率實現了射頻調制深度的連續可調,最高達到了0.67.

10.7498/aps.66.184201

?國家自然科學基金(批準號:61308054)資助的課題.

?通信作者.E-mail:ocean@bit.edu.cn