激光频率检测装置和方法与流程

1.本技术涉及光通信领域，尤其涉及一种激光频率检测装置和方法。


背景技术：

2.激光器广泛应用于光电测量、光通信等领域，其输出的光信号经过调制传输后再接收，能够承载大量的信息。激光通常为单纵模输出，经调制后，输出光谱也会限制在特定波段内。如在波分复用系统中应用，激光器的中心波长通常视作一个稳定参量并与链路滤波器的通带范围相匹配。激光器的输出光频率与激光承载信息的获取密切相关，而环境温度波动、驱动电流不稳定和激光器内部的非线性效应等因素都会造成激光器输出光频率的变化和抖动。激光器频率变化会引起光纤传输光信号光谱的整体漂移，使之与链路滤波器件不匹配从而引入额外损耗。因此，需要激光频率检测装置来检测激光频率的变化，以及时应对和调整。
3.在光电测量系统中，激光频率的变化也会加载到测量参量上，引起测量结果的不准确。在高精度测量应用当中，激光频率的高稳定性是测量精度的保证。现有的激光频率检测装置测量范围有限且往往结构稳定性差，易受温度和环境振动的影响，测量有较大误差。


技术实现要素：

4.鉴于此，本技术实施例提供了一种激光频率的检测装置和方法，提高了激光频率测量的精度，稳定性高。
5.第一方面，本技术实施例公开了一种激光频率检测装置，包括：
6.至少两个干涉仪和解调器，至少两个干涉仪包括第一干涉仪和第二干涉仪，第一干涉仪外用温度系数为第一系数的材料封装，第二干涉仪外用温度系数为第二系数的材料封装；
7.至少两个干涉仪用于改变待测激光源发出的光的相位，第一干涉仪所引起的第一待测光的相位变化值为第一相位变化值，所述第二干涉仪所引起的第二待测光的相位变化值为第二相位变化值，所述第一待测光为所述待测激光源发出的一束光，所述第二待测光为所述待测激光源发出的另一束光或从所述第一干涉仪输出的光；
8.解调器用于根据第一系数、第二系数、第一相位变化值和第二相位变化值确定待测激光源发出的光的频率。
9.组成第一干涉仪和第二干涉仪的波导材料(不包括封装材料)折射率相同，一般这里的波导材料是指干涉仪中实际涉及腔体长度δl的波导材料。
10.一种可能的设计中，所述激光频率检测装置还包括第一分光器，第一分光器用于将所述待测激光源发出的一束光分束得到上述第一待测光和第二待测光；第一干涉仪用于改变第一待测光的相位；第二干涉仪用于改变第二待测光的相位。
11.一种可能的设计中，所述激光频率检测装置还包括环形器和调制器；调制器用于对所述待测激光源发出的一束光调制进行脉冲调制并移频得到所述第一待测光；
12.环形器用于接收所述第一待测光并输出给所述第一干涉仪；
13.第一干涉仪用于改变第一待测光的相位得到第二待测光；
14.第二干涉仪用于接收第二待测光并改变所述第二待测光的相位得到第三待测光；
15.环形器还用于接收第三待测光并输出至上述解调器。
16.一种可能的设计中，第一相位变化值包括第一干涉仪中第一待测光的频率引起的第一子相位变化值和第一干涉仪所处的环境温度引起的第二子相位变化值，第二子相位变化值与第一系数有关；
17.第二相位变化值包括第二干涉仪中第二待测光的频率引起的第三子相位变化值和第二干涉仪所处的环境温度引起的第四子相位变化值，第四子相位变化值与第二系数有关。
18.一种可能的设计中，解调器用于根据第一系数、第二系数、第一子相位变化值、第二子相位变化值、第三子相位变化值、第四子相位变化值、第一相位变化值、第二相位变化值以及第一干涉仪的腔体长度和第二干涉仪的腔体长度确定待测激光源发出的光的频率，腔体长度为干涉仪内用于传输光信号的两段波导的长度的差值。
19.一种可能的设计中，所述激光频率检测装置还包括反射部件，反射部件用于将经过第一干涉仪的第一待测光和经过第二干涉仪的第二待测光反射到解调器。
20.一种可能的设计中，第一干涉仪或第二干涉仪是如下干涉仪中的任意一种：法布里-珀罗(fp)干涉仪、马赫曾德(mach-zehnder)干涉仪、迈克尔逊(michelson)干涉仪或塞格纳克(sagnac)干涉仪。
21.一种可能的设计中，调制器是声光调制器或电光调制器。
22.第二方面，本技术实施例公开了一种激光频率检测方法，包括：
23.将待测光分束得到第一待测光和第二待测光；
24.第一干涉仪接收第一待测光，第一干涉仪外用温度系数为第一系数的材料封装，第一干涉仪所引起的第一待测光的相位变化值为第一相位变化值；
25.第二干涉仪接收第二待测光，第二干涉仪外用温度系数为第二系数的材料封装，第二干涉仪所引起的第二待测光的相位变化值为第二相位变化值；
26.依据第一系数、第二系数、第一相位变化值和第二相位变化值确定待测光的频率。
27.一种可能的设计中，第一相位变化值包括第一干涉仪中第一待测光的频率引起的第一子相位变化值和第一干涉仪所处的环境温度引起的第二子相位变化值，第二子相位变化值与第一系数有关；
28.第二相位变化值包括第二干涉仪中第二待测光的频率引起的第三子相位变化值和第二干涉仪所处的环境温度引起的第四子相位变化值，第四子相位变化值与第二系数有关。
29.一种可能的设计中，根据第一系数、第二系数、第一子相位变化值、第二子相位变化值、第三子相位变化值、第四子相位变化值、第一相位变化值、第二相位变化值确定待测光的频率。
30.第三方面，本技术实施例还公开了一种激光频率检测方法，包括：
31.将待测光调制处理得到第一待测光；
32.第一干涉仪改变第一待测光的相位并得到第二待测光，第一干涉仪外用温度系数
为第一系数的材料封装，第一干涉仪所引起的第一待测光的相位变化值为第一相位变化值；
33.第二干涉仪接收第二待测光，第二干涉仪外用温度系数为第二系数的材料封装，第二干涉仪所引起的第二待测光的相位变化值为第二相位变化值；
34.依据第一系数、第二系数、第一相位变化值和第二相位变化值确定待测光的频率。
35.一种可能的设计中，第一相位变化值包括第一干涉仪中第一待测光的频率引起的第一子相位变化值和第一干涉仪所处的环境温度引起的第二子相位变化值，第二子相位变化值与第一系数有关；
36.第二相位变化值包括第二干涉仪中第二待测光的频率引起的第三子相位变化值和第二干涉仪所处的环境温度引起的第四子相位变化值，第四子相位变化值与第二系数有关。
37.一种可能的设计中，根据第一系数、第二系数、第一子相位变化值、第二子相位变化值、第三子相位变化值、第四子相位变化值、第一相位变化值、第二相位变化值确定待测光的频率。
38.第四方面，本技术实施例公开了一种激光频率检测系统，系统包括激光器、第二分光器以及如第一方面中的任意一种激光频率检测装置；
39.激光器用于发射激光；
40.第二分光器用于耦合出一部分激光作为业务信号，耦合出另一部分激光作为待测光，并将待测光输出到激光频率检测装置。
41.本技术公开的激光频率检测装置，通过引入两种不同温度系数的材料封装的干涉仪来进行测量，有效的避开了温度对激光频率测量所带来的误差，稳定性高。
附图说明
42.图1为现有的一种激光频率检测装置的结构示意图；
43.图2是本技术实施例公开的一种激光频率检测装置200；
44.图3是本技术实施例公开的一种激光频率检测装置300；
45.图4是本技术实施例公开的一种干涉仪的结构；
46.图5为本技术实施例公开的一种激光频率检测装置500；
47.图6为本技术实施例公开的一种激光频率检测装置600；
48.图7为本技术实施例公开的一种激光频率检测装置700
49.图8为本技术实施例公开的一种激光频率检测系统。
具体实施方式
50.图1是现有的一种激光频率检测装置结构示意图。该激光频率检测装置包括激光器101、参考光源102、耦合器103、探测器104和频谱检测器105。激光器101输出的激光与参考光源102输出的参考光经过耦合器103耦合之后再被探测器104接收，频谱检测器105检测耦合光的频谱，即可得到激光器101输出的激光与参考光之间的频率差，实现激光器频率变化的检测。该方案虽然能够直接测量激光的频率变化，但严重依赖参考光源频率的稳定与准确性，参考光源和频谱检测器的带宽也限制了激光器频偏的测量范围。
51.干涉仪具有固定相位差的两列准单色光的叠加将导致振幅发生变化，从而可以通过测量较容易测量光的振幅来获取光的相位信息。一般来说，干涉仪对入射光引起的相位变化通过由两部分和组成。第一部分是干涉仪的频率变化引入的相位变化，干涉仪对通过其的光信号引入的相位变化和光信号频率f之间满足
52.(n是干涉仪内波导材料折射率，c为真空中的光速)，(1)
53.即在不考虑除光信号频率之外的其他因素的情况下，对于相同频率的光，干涉仪由于激光频率f引入的相与干涉仪的腔体长度δl成正相关关系，其中，腔体长度δl通常为干涉仪内传输的光信号的路径长度之差(一般干涉仪中存在两种不同的光信号)。第二部分是是温度t导致的干涉仪引起的光相位变化，干涉仪可以由温度系数为k的材料封装，通过温度系数k来表征温度导致的干涉仪引起的光的相位变化干涉仪的封装材料可以是树脂、热缩套管等。
54.图2是本技术实施例公开的一种激光频率检测装置200。如图2所示，激光频率检测装置200包括干涉仪系统201和解调器202。该干涉仪系统有至少两个干涉仪，其中包括第一干涉仪和第二干涉仪，第一干涉仪外由温度系数为第一系数k1的材料封装，第二干涉仪外由温度系数为第二系数k2的材料封装。
55.组成第一干涉仪和第二干涉仪的波导材料(不包括封装材料)折射率相同，一般这里的波导材料是指干涉仪中实际涉及腔体长度δl计算的波导材料，也即干涉仪内实际参与传输光信号的波导材料。那么腔体长度也即为干涉仪内用于分别传输两束光信号的两段波导的长度的差值。
56.待测激光源发出的光入射到干涉仪系统201中，干涉仪系统201改变待测激光源发出的光的相位。其中，第一干涉仪所引起的第一待测光的相位变化值为第一相位变化值第二干涉仪所引起的第二待测光的相位变化值为第二相位变化值解调器202用于根据第一相位变化值和第二相位变化值确定待测光频率f。其中，第一干涉仪的腔体长度为δl1,第二干涉仪的腔体长度为δl2，第一待测光为待测激光源发出的一束光，第二待测光为待测激光源发出的另一束光或从第一干涉仪输出的光。
57.值得注意的是，通过第一干涉仪和第二干涉仪的待测光可以是同一束光，也可以是一束激光的进行功率分束后的两束光。第一干涉仪和第二干涉仪在测量激光频率时，只要通过第一干涉仪和第二干涉仪的光来自同一激光源，并不要求通过第一干涉仪和第二干涉仪的光功率相同。
58.第一干涉仪所引起的第一待测光的相位变化值为第一相位变化值满足
[0059][0060]
其中为第一待测光的频率导致的第一干涉仪引起的相位变化值，为温度导致的第一干涉仪引起的光的相位变化值。
[0061]
同理，第二干涉仪所引起的第二待测光的相位变化值为第一相位变化值满足
[0062][0063]
其中为第二待测光的频率导致的第二干涉仪引起的光相位变化值，为
温度导致的第二干涉仪引起的光的相位变化值。
[0064]
根据前述公式(1)，由于第一干涉仪内波导材料折射率n1与第二干涉仪内波导材料折射率n2相同，可得：
[0065][0066]
由温度系数k1来表征，由温度系数k2来表征，故可得，
[0067][0068]
那么，根据公式(2)(3)(4)(5)即可得求得或例如，
[0069]
(n是干涉仪腔体折射率，c为真空中的光速)，(6)
[0070]
根据公式(6)即可求得待测激光的频率f。进一步通过持续检测待测光的频率，即可得待测激光的频率变化值。
[0071]
本技术公开的激光频率检测装置，通过引入两种不同温度系数的材料封装的干涉仪来进行测量，有效的避开了温度对激光频率测量所带来的误差，稳定性高。
[0072]
图3是本技术实施例公开的一种激光频率检测装置300。如图3所示，该激光频率检测装置300，包括分光器301、第一干涉仪302、第二干涉仪303和解调器304。第一干涉仪302外由温度系数为第一系数k1的材料封装，第二干涉仪303外由温度系数为第二系数k2的材料封装。
[0073]
组成第一干涉仪302和第二干涉仪303的波导材料折射率相同，即第一干涉仪的腔体长度δl1相关的波导材料与第二干涉仪的腔体长度δl2相关的波导材料的折射率相同。
[0074]
分光器301将待测激光源发出的一束光分成第一待测光和第二待测光，第一待测光入射到第一干涉仪302，第二待测光入射到第二干涉仪303，其中，第一干涉仪302所引起的第一待测光的相位变化值为第一相位变化值第二干涉仪所引起的第二待测光的相位变化值为第二相位变化值解调器304用于根据第一相位变化值和第二相位变化值确定待测激光源发出的光频率f。
[0075]
可选地，激光频率检测装置300还可以包括反射部件305，该反射部件305用于将经过第一干涉仪302的第一待测光反射到解调器304，以及将经过第二干涉仪303的第二待测光反射到解调器304。分光器301可以是耦合器。
[0076]
在一种可能的设计中，第一干涉仪302或第二干涉仪303可以采用马赫曾德(mach-zehnder)干涉仪结构，如图4所示，该结构包括耦合器401、耦合器402、参考臂403、信号臂404和封装结构405。第一待测光或第二待测光进入耦合器401后，被分束成两束光后分别进入参考臂403和信号臂404，再由耦合器402耦合输出。其中，信号臂404的长度为l1，参考臂403的长度为l2。干涉仪引起的光相位变化或等于光在参考臂403和信号臂404两臂上相位变化之差。干涉仪的腔体长度需要与干涉仪所测量的相位变化量相对应，因此在马赫曾德干涉仪结构下，腔体长度δl＝l
1-l2。
[0077]
图5为本技术实施例公开的一种激光频率检测装置500，如图5所示，该激光频率检测装置500包括耦合器510、第一干涉仪520、解调器530和第二干涉仪540。待测光经过耦合器510耦合分束得到第一待测光和第二待测光，第一待测光进入第一干涉仪520，第二待测
光进入第二干涉仪540。其中，第一干涉仪520所引起的第一待测光的相位变化值为第一相位变化值第二干涉仪540所引起的第二待测光的相位变化值为第二相位变化值解调器530用于根据第一相位变化值和第二相位变化值确定待测光频率f。
[0078]
示例性的，给出第一干涉仪520可能的一种塞格纳克(sagnac)干涉仪结构，第一干涉仪520包括耦合器521和光纤环522。
[0079]
在一种可能的设计中，第一干涉仪520或第二干涉仪540还可以采用迈克尔逊(michelson)干涉仪结构。如图6所示，第一干涉仪520包括耦合器621和反射端面622。反射端面622用于将入射到第一干涉仪520的光信号反射到解调器530。
[0080]
值得注意的是，第一干涉仪520可以采用塞格纳克(sagnac)干涉仪结构等，第二干涉仪540可以采用迈克尔逊(michelson)干涉仪结构等，即第一干涉仪520和第二干涉仪540使用的干涉仪的类型可以不相同，只需要满足组成第一干涉仪520和第二干涉仪540的波导材料的折射率相同。
[0081]
在一种可能的设计中，如图6所示，解调器530包括采集模块641、采集模块642和处理模块643。采集模块641接收第一干涉仪520输出的第一待测光，并获得第一相位变化值采集模块642接收第二干涉仪540输出的第二待测光，并获得第二相位变化值处理模块643根据第一相位变化值和第二相位变化值确定待测光频率f。
[0082]
图7是本技术实施例公开的又一种激光频率检测装置700。如图7所示，该激光频率检测装置700包括耦合器710、调制器720、环形器730、第一干涉仪740、第二干涉仪750、耦合器760和解调器760。
[0083]
待测光从耦合器710进入，耦合器710耦合出第一部分待测光进入调制器720。调制器720将该第一部分待测光进行脉冲调制后输出到环形器730的第1端口。该第一部分待测光从环形器730的第2端口依次经过第一干涉仪740和第二干涉仪750后，再从环形器的第3端口输出到耦合器760。该第一部分待测光与耦合器710耦合输出第二部分待测光在耦合器760经过耦合输出到解调器770。
[0084]
第一部分待测光和从环形器第3端口输出的第二部分待测光具有不同的光频率，可以采用相干外差的处理方式，实现接收光信号相位的获取，获取第一干涉仪740所引起的待测光的第一相位变化值以及第二干涉仪750所引起的待测光的第二相位变化值解调器770根据第一相位变化值和第二相位变化值确定原始待测光频率f。
[0085]
可选地，第一干涉仪740或第二干涉仪750可以采用法布里-珀罗(fp)干涉仪结构，还可以采用马赫曾德(mach-zehnder)干涉仪、迈克尔逊(michelson)干涉仪或塞格纳克(sagnac)干涉仪等。
[0086]
可选地，调制器720是声光调制器或电光调制器，也可以用半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，soa)和相位调制器的组合来替代。
[0087]
图8为本技术实施例公开的一种激光频率检测系统，该系统包括激光器801、分光器802、业务端设备803和激光频率检测装置804。激光器801发出激光，分光器802分出一部分激光作为待测激光进入激光频率检测装置804，分光器802将其余部分激光作为业务信号输出给业务端设备803。激光频率检测装置804可以上述实施例中的任意一种激光频率检测装置。激光频率检测装置804用于检测激光器801输出的激光的频率，保证系统稳定。
[0088]
本技术的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以本技术未描述的顺序实施。
[0089]
还需要说明的是，除非特殊说明，一个实施例中针对一些技术特征的具体描述也可以应用于解释其他实施例提及对应的技术特征。
[0090]
本技术中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，尤其，对于图8实施例而言，由于基于图2～图7对应的实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见图2～图7对应实施例的部分说明即可。
[0091]
最后应说明的是：以上仅为本技术的具体实施方式，本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。