一种非互易光学可调相位偏置调制器的制作方法

1.本发明属于光纤激光技术领域，尤其涉及一种非互易光学可调相位偏置调制器。


背景技术：

2.自上世纪90年代以来，超快激光技术受到了各个国家的重点关注，超快光纤激光器成为超快领域的研究热点。随着技术的迅猛发展，飞秒光纤激光器已广泛应用于精确计量、眼科、医疗成像、微加工等领域，成为了各类光学系统优先选用的种子光源。
3.在实际应用中，研究全保偏飞秒光纤激光器，并进一步提升其性能，具有十分重要的意义。传统的被动锁模方式包括可饱和吸收体(sa)、非线性偏振旋转锁模(npr)和非线性放大环形镜(nalm)。其中nalm光纤锁模激光器有“8”字形和“9”字形两种腔结构，具有可实现全保偏结构的优势，但锁模的实现需要在谐振腔内相向传输的两路光积累一定的非线性相移差。受制于有限的腔长，两种激光器一般都存在自启动难和重复频率较低的应用瓶颈，然而非互易移相器的出现和应用解决了这一难题。
4.光学非互易性表征的是光沿两个方向传输呈现不同性质的特性。法拉第旋光器利用磁光效应，辅以不同波片组合，使得通过波片的激光脉冲在具有法拉第效应的磁场中获得附加旋转后具备了非互易性，是一种最常见的具有光学非互易性质的器件。
5.在传统nalm锁模激光器的透射率与腔内积累非线性相移的关系曲线中，“8”字形腔的脉冲形成初始状态对应在曲线的零偏置、零斜率处，自启动存在困难；“9”字形腔初始状态则位于曲线零斜率处，同时相移差在(0，π)区间，所对应的透射率呈单调递减，不仅自启动存在问题，而且无法达到稳定锁模的状态。因此在光腔中加入非互易相移，为环路中相向传输的两路光引入初始相移差，使初始状态下的透射曲线数值和斜率均不为零，且相移差在(0，π/2)区间单调递增，将更容易实现稳定锁模。同时，非互易移相器引入的初始相移差使得锁模不完全依赖谐振腔内循环传输所积累的非线性相移差，从而提高了激光器重复频率的设计上限。
6.已报道的非互易移相器大多选用波片引入π/2的固定初始相移差，以促进激光器锁模自启动。不同于依赖厚度精准控制的波片晶体，电光调制晶体利用电光效应，即某些晶体或液体在外加电场的作用下，其折射率会发生变化，实现对光波的相位、频率、强度和偏振态等的控制。
7.除应用于nalm锁模激光器，非互易相移结构还可应用于微波-光学鉴相器。jungwon kim等人在optics letter上发表的论文《subfemtosecond synchronization of microwave oscillators with mode-locked er-fiber lasers》中使用基于光纤sagnac环结构的微波-光学鉴相器，通过非互易移相器引用了四分之一波长偏置，将光脉冲序列锁定在微波信号的过零点。德国的menlo systems公司同样利用jungwon kim等在文章中提出的非互易移相器和相位偏置法，构成了一种锁模激光器，并取得了专利申请《laser with non-linear optical loop mirror》(us201500711322)。国内方面，张志刚等的专利申请《一种相位偏置器及应用相位偏置器的光纤激光器》(专利号：cn 204992240 u)，以及《集成
化反射式相位偏置器及光纤激光器和光波-微波鉴相器》(专利号cn 1049797470 a)均采用非互易移相器实现相位偏置，并将其应用于光纤激光器或微波-光学鉴相器。上述相移结构均为法拉第旋光器配合双折射晶体波片，为双向传输光引入特定初始相移差均为法拉第旋光器配合双折射晶体波片，为双向传输光引入特定初始相移差大小取决于波片的材料、组合和厚度，因此移相器只能提供固定且离散的相位偏置值，而无法实现连续精密调节，提供调谐裕度，这对非互易移相器在各应用场景的深入研究和创新优化具有一定的限制性。


技术实现要素：

8.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种非互易光学可调相位偏置调制器，利用电光晶体的电光调制特性，实现光学非互易相位偏置的自由调谐，同时还可根据应用需求实现相位调制功能。
9.本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种非互易光学可调相位偏置调制器，包括：第一保偏光纤、第一准直透镜、第一法拉第旋转器、线性电光调制晶体、第二法拉第旋光器、第二准直透镜、第二保偏光纤、dc输入端和rf输入端；其中，所述线性电光调制晶体通过dc输入端和rf输入端与偏置器相连接；以激光传输方向为z轴，偏振方向沿第一保偏光纤慢轴的入射光，经过第一准直透镜准直为平行光后入射到第一法拉第旋光器，此时激光偏振方向向顺时针或逆时针旋转45
°
，与线性电光调制晶体的感应主轴x'或y'平行，产生相位延迟量经线性电光调制晶体的出射光经过第二法拉第旋光器，偏振方向向顺时针或逆时针再旋转45
°
，与第二保偏光纤(7)慢轴平行，接着透镜耦合到第二光纤(7)输出；偏振方向沿第二保偏光纤慢轴入射的光，经过第二准直透镜，入射至第二法拉第旋光镜，其偏振方向沿逆时针或顺时针旋转45
°
，与线性电光调制晶体的感应主轴y'或x'平行，产生相位延迟量且光从线性电光调制晶体出射后入射至第一法拉第旋光器，偏振方向沿逆时针或顺时针再旋转45
°
，，并经第一准直透镜耦合后进入到第一保偏光纤慢轴继续传输；相向传播的两束激光获得非互易相移差且由dc输入端施加在线性电光调制晶体上的直流偏置电压决定。
10.上述非互易光学可调相位偏置调制器中，所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤均为单慢轴传输，且保偏光纤的工作轴与线性电光调制晶体的感应主轴x'或y'夹角为45
°
。
11.上述非互易光学可调相位偏置调制器中，所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋光器均对入射光起偏振方向旋转
°
的作用；当所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋光器两个法拉第旋光器对同向传输光的旋转方向一致时，第一保偏光纤和第二保偏光纤的慢轴互相垂直，且互为输入输出；当所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋光器两个法拉第旋光器对同向传输光的旋转方向相反时，第一保偏光纤和第二保偏光纤的慢轴互相平行。
12.上述非互易光学可调相位偏置调制器中，所述线性电光调制晶体的两通光面互相平行，并分别加工有镀金电极，通过两引线将偏置器输出的电压信号施加到两电极上。
13.上述非互易光学可调相位偏置调制器中，偏置器包括射频输入端口、直流偏置端口以及射频和直流输出端口；其中，直流偏置端口连接可调直流电压源，射频输入端口连接压控振荡器vco，射频和直流输出端口均与dc输入端和rf输入端相连接。
14.一种光纤激光器，包括：非互易光学可调相位偏置调制器、泵浦源、波分复用器、增益光纤、光纤耦合器和光纤反射镜；其中，
15.泵浦源的输出光从波分复用器的端口
①
输入，从波分复用器的公共端口
③
输出的泵浦光经增益光纤产生光放大后，通过光纤耦合器的端口
④
分束，其中，光纤耦合器的端口
⑥
输出的光则经过光纤反射镜反射后返回光纤耦合器再次分束，并产生在环形腔内相向传输的两路光，其中光纤耦合器的端口
④
输出在环内逆时针传输光，光纤耦合器的端口
⑤
输出在环内顺时针传输光；顺时针传输光沿光纤波导传输，首先耦合进入非互易光学可调相位偏置调制器一端的保偏光纤，并在另一端输出时获得的相移；逆时针传输光则首先经过保偏增益光纤、波分复用器，再经由非互易光学可调相位偏置与调制器获得的相移，两路光因此具有的初始相移差；根据nalm锁模机制，环形腔内循环相向传输的两路光在光纤耦合器处干涉，产生类可饱和吸收体效应，从而实现锁模输出。
16.上述光纤激光器中，光纤耦合器的端口
⑦
作为激光器输出端口。
17.一种光纤激光器，包括：非互易光学可调相位偏置调制器、光纤环形器、第二光纤耦合器和平衡光电探测器；其中，
18.锁模光脉冲序列经由光纤环形器的端口
①
输入，并从光纤环形器的端口
②
传输到第二光纤耦合器的端口
④
后被分束，第二光纤耦合器的输出端口
⑥
和第二光纤耦合器的端口
⑦
分别与非互易光学可调相位偏置调制器两端的保偏光纤连接，构成sagnac光纤环路；其中，第二光纤耦合器的端口
⑥
输出的光沿顺时针传输，第二光纤耦合器的端口
⑦
输出的光则沿逆时针传输；dc输入端上施加有直流偏置电压，为相向传播的两路光提供非互易相位偏置，rf输入端则由vco输入频率为光脉冲重频整数倍的微波射频信号对传输光进行相位调制；
19.在sagnac光纤环路中运行一圈后，两路光再次经由第二光纤耦合器分束，从第二光纤耦合器的端口
④
输出的光通过光纤环形器的端口
③
入射到平衡光电探测器的一个输入端口，而从光纤环形器的端口
⑤
输出的光则直接入射到平衡光电探测器的另一输入端口；最终由平衡光电探测器的输出端口
⑩
采集到直流电平信号，即sagnac光纤环路相向传输的两路光功率之差。
20.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
21.(1)本发明提供的一种非互易可调相位偏置与调制器，可通过bias tee输入不同参数的电压信号，调控线性电光调制晶体的双折射性质，能够实现非互易相位偏置与相位调制等功能。
22.(2)与传统使用波片实现非互易相移的方法相比，由于电压具有高调谐精度和裕度，因此利用电光效应调控晶体有利于克服波片在实际应用中对入射角度、温度和波长的敏感性，同时也为非互易相移相关特性研究、集成化设计提供了便携高效的调控手段和实现途径。
23.(3)本发明用于光纤激光器，通过调节施加在线性电光晶体的直流偏置电压，可连续调谐光纤环路腔内相向传输光的初始相移差，调整锁模阈值以利于激光器自启本发明动和重复频率的提高。
24.(4)本发明用于微波-光学鉴相器，可将光纤环路中提供相位偏置的非互易相移结构和由vco调控的相位调制器，集成于一个器件从而实现精确的微波-光学相位检测，使系
统结构更简化，集成度更高。
附图说明
25.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
26.图1为本发明的一种非互易光学可调相位偏置与调制器的示意图；
27.图2为本发明的一种非互易光学可调相位偏置与调制器应用于光纤激光器的示意图；
28.图3为本发明的一种非互易光学可调相位偏置与调制器应用于微波-光学鉴相器的示意图。
具体实施方式
29.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
30.图1为本发明的一种非互易光学可调相位偏置与调制器的示意图。如图1所示，该非互易光学可调相位偏置调制器包括：第一保偏光纤1、第一准直透镜2、第一法拉第旋转器3、线性电光调制晶体4、第二法拉第旋光器5、第二准直透镜6、第二保偏光纤7以及通过bias tee为线性电光调制晶体施加直流偏置电压的dc输入端8和施加微波调制信号的rf输入端9；其中，
31.以第一保偏光纤快轴出射光的传输方向为例，对非互易的光学可调相位偏置与调制器的工作原理进行说明：偏振方向沿第一保偏光纤快轴的出射光，经过第一准直透镜准直后入射到第一法拉第旋光器，偏振方向向顺时针(或逆时针)旋转45
°
，与线性电光调制晶体的感应主轴x'(或y')平行，此时晶体外加电场不改变出射光的偏振状态，只产生相移出射后光经过第二法拉第旋光器，偏振方向向顺时针(或逆时针)再旋转45
°
，此时偏振方向较从第一保偏光纤出射时沿顺时针(或逆时针)旋转了90
°
。设置第一保偏光纤和第二保偏光纤快轴互相垂直，则此时光的偏振方向正好与第二保偏光纤的快轴平行。经第二准直透镜耦合进第二保偏光纤后偏振方向仍沿快轴进行传输。同样地，偏振方向沿第二保偏光纤快轴出射的光，经上述相反传输过程后，其偏振方向在两个法拉第旋光器的依次作用下沿逆时针(或顺时针)旋转了90
°
，与第一保偏光纤快轴方向平行，并在线性电光调制晶体的双折射作用下，产生了相移且
32.所述的第一保偏光纤和第二保偏光纤可使用不同类型的保偏光纤，如保偏增益光纤，大模场面积保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤、保偏光子晶体光纤等，且不受工作波长限制。第一保偏光纤和第二保偏光纤均为单快轴或单慢轴传输，且保偏光纤的工作轴与线性电光调制晶体的感应主轴x'(或y')平行，否则需添加起偏器达成上述条件。
33.所述的第一准直透镜和第二准直透镜将保偏光纤输出的光进行准直，可采用渐变
折射率光纤或非球面透镜。
34.所述的第一法拉第旋光器和第二法拉第旋光器对入射光起偏振方向旋转45
°
的作用。当两个法拉第旋光器对同向传输光的旋转方向一致时，第一保偏光纤和第二保偏光纤的快轴互相垂直，慢轴也互相垂直，且互为输入输出；旋转方向相反时，第一保偏光纤和第二保偏光纤的快轴、慢轴应互相平行。
35.所述的线性电光调制晶体，两通光面x-0-y互相平行，并分别加工有镀金电极，通过两引线将偏置器(bias tee)输出的电压信号施加到两电极片上。所述的bias tee包括三个端口，射频输入端口(rf端)、直流偏置端口(dc端)以及射频和直流输出端口(rf dc端)。其中dc端口可连接可调直流电压源，rf端口可连接vco，rf dc输出端口连接晶体电极的一根引线，另一根引线则接地连接。
36.所述线性电光调制晶体的主轴x、y在沿晶体z轴的电场作用下旋转45
°
变为感应主轴x'、y'，并在x'、y'方向引入相移差大小与沿晶体z轴所加的电压成正比。因此当电光晶体和通光波长确定后，相位差的变化仅取决于外加电压。通过调整bias tee输入参数改变晶体外加电压的类型及大小，即可对电光调制晶体的相位偏置与调制功能进行改变和调谐。
37.本发明在实际设计使用中，需保持两端保偏光纤慢轴垂直(平行)摆放，且光纤光轴与线性电光调制晶体感应主轴呈45
°
夹角。第一保偏光纤1和第二保偏光纤7的慢轴平行或垂直取决于第一法拉第旋光器3和第二法拉第旋光器5的旋转方向是否一致。若光沿从左到右方向传播时，当3和5的旋转方向一致时，要求输入输出光纤慢轴垂直；当3和5旋转方向相反时，要求输入输出光纤慢轴平行。
38.这里以第一保偏光纤1慢轴出射光的传输方向为例，对非互易光学可调相位偏置与调制器的工作原理进行说明：以激光传输方向为z轴，偏振方向沿第一保偏光纤1慢轴的出射光，经过第一准直透镜2准直为平行光后入射到第一法拉第旋光器3，此时激光偏振方向向顺时针(或逆时针)旋转45
°
，与线性电光调制晶体4的感应主轴x'(或y')平行，晶体外加电场不改变光的偏振状态，只产生相位延迟量出射光经过第二法拉第旋光器5，偏振方向向顺时针(或逆时针)再旋转45
°
，此时偏振方向相较初始偏振方向沿顺时针(或逆时针)旋转了90
°
。因所述的第一保偏光纤1和第二保偏光纤7慢轴互相垂直，此时偏振方向正好与第二保偏光纤7的慢轴平行，经第二准直透镜6耦合进第二保偏光纤7后激光继续沿光纤慢轴传输。
39.同样地，偏振方向沿第二保偏光纤7慢轴出射的光，经过第二准直透镜6，入射至第二法拉第旋光镜5，其偏振方向沿逆时针(或顺时针)旋转45
°
，与线性电光调制晶体4的感应主轴y'(或x')平行，产生相位延迟量且光从晶体出射后入射至第一法拉第旋光器3，偏振方向沿逆时针(或顺时针)再旋转45
°
，此时偏振方向在两个法拉第旋光器的依次作用下，相较初始偏振方向沿逆时针(或顺时针)旋转了90
°
，与第一保偏光纤1慢轴平行，并经第一准直透镜2耦合后进入到第一保偏光纤1慢轴继续传输。综上，相向传播的两束激光经由上述结构可获得非互易相移差且由通过bias tee的dc输入端8施加在线性电光调制晶体4上的直流偏置电压决定。
40.本发明的一种非互易光学可调相位偏置与调制器，采用电光晶体代替传统非互易
移相器中的固定波长偏置波片，既可调节bias tee中dc端口直流偏置电压大小，设定相位偏置量，实现nalm光纤锁模激光器中谐振腔内初始相移差值的连续、自由设置，也可通过bias tee中dc端口和rf端口同时输入，实现非互易相位偏置和微波相位调制两种功能，可以用于nalm激光器的快速调制反馈控制或者微波-光学鉴相器等领域。下面对其应用于光纤激光器和微波-光学鉴相器的情况分别进行具体说明。
41.以图2所示的“9”字形nalm锁模激光器为例，一种应用非互易光学可调相位偏置与调制器的光纤激光器包括：泵浦源10、波分复用器11、增益光纤12、光纤耦合器13、光纤反射镜14、非互易光学可调相位偏置与调制器15。其中波分复用器11具有三个端口
①‑③
，光纤耦合器13具有四个端口
④‑⑦
，线性电光调制晶体连接有两个信号输入端
⑧‑⑨
。
42.该激光器的锁模运行过程为：泵浦源10的输出光从波分复用器11端口
①
输入，公共端口
③
输出，进入光纤谐振腔传输。泵浦光经增益光纤12产生光放大后，通过光纤耦合器13端口
④
分束，其中端口
⑦
作为激光器输出端口，端口
⑥
输出的光则经过光纤反射镜14反射后，返回光纤耦合器13再次分束，并产生在环形腔内相向传输的两路光，其中端口
④
输出在环内逆时针传输的光，端口
⑤
输出在环内顺时针传输的光。顺时针传输光沿光纤波导传输，首先耦合进入非互易光学可调相位偏置与调制器15一端的保偏光纤，并在另一端输出时获得的相移。逆时针传输光则首先经过保偏增益光纤12、波分复用器11，再经由非互易光学可调相位偏置与调制器15获得的相移，两路光因此具有的初始相移差。根据nalm锁模机制，环形腔内循环相向传输的两路光在光纤耦合器13处干涉，产生类可饱和吸收体效应，从而实现锁模输出。初始相移差的引入不仅解决了激光器自启动困难的问题，还极大降低了对腔长的要求。
43.在该类应用中，通过在非互易光学可调相位偏置与调制器15的dc端
⑧
施加直流偏置电压，实现非互易可调相位偏置器的功能。在不改变注入泵浦功率的情况下，仅通过调谐直流偏置电压大小，产生连续变化的相位偏置量，可在不同实验条件下中灵活寻找激光器最佳自启动设置点或最佳输出运转状态，同时交流电压可用于激光器的重复频率的锁定反馈控制，实现大的调制带宽。
44.本发明的非互易光学可调相位偏置与调制器同样可以用于微波-光学鉴相器构成光生微波系统，下面以图3所示结构为例对工作原理做具体说明。装置包括：光纤环形器17、光纤耦合器18、非互易光学可调相位偏置与调制器19以及平衡光电探测器20。其中，光纤环形器17具有三个端口
①‑③
，光纤分束器18具有四个端口
④‑⑦
，线性电光晶体连接有两个信号输入端
⑧‑⑨
，平衡光电探测器20具有信号输出端口
⑩
。首先锁模光脉冲序列16经由光纤环形器17端口
①
输入，并从端口
②
传输到光纤耦合器18的端口
④
后被分束，输出端口
⑥
和端口
⑦
分别与非互易光学可调相位偏置与调制器19两端的保偏光纤连接，构成sagnac光纤环路。其中端口
⑥
输出的光沿顺时针传输，端口
⑦
输出的光则沿逆时针传输。环路中设置有非互易光学可调相位偏移与调制器19，其连接的dc信号输入端
⑧
上施加有直流偏置电压，为相向传播的两路光提供非互易相位偏置，rf信号输入端
⑨
则由vco输入频率为光脉冲重频整数倍的微波射频信号对传输光进行相位调制。
45.在环路中运行一圈后，两路光再次经由光纤耦合器18分束，从端口
④
输出的光通过光纤环形器17的端口
③
入射到平衡光电探测器20的一个输入端口，而从端口
⑤
输出的光则直接入射到平衡光电探测器20的另一输入端口。最终由平衡光电探测器20输出端口
⑩
采
集到直流电平信号，即sagnac环相向传输的两路光功率之差。由于环内非互易光学可调相位偏置与调制器19可为相向传输光提供π/2的相位偏置，使得平衡光电探测器20探测信号与激光脉冲序列和微波射频信号间相位差的关系曲线，被固定在过零点处近似成线性比例的区间内，从而实现了微波-光学鉴相器的功能。
46.本发明的非互易可调相位偏置调制器，可通过bias tee输入不同参数的电压信号，调控线性电光调制晶体的双折射性质，能够实现非互易相位偏置与相位调制等功能。
47.与传统使用波片实现非互易相移的方法相比，由于电压具有高调谐精度和裕度，因此利用电光效应调控晶体有利于克服波片在实际应用中对入射角度、温度和波长的敏感性，同时也为非互易相移相关特性研究、集成化设计提供了便携高效的调控手段和实现途径。
48.本发明用于光纤激光器，通过调节施加在线性电光晶体的直流偏置电压，可连续调谐光纤环路腔内相向传输光的初始相移差，调整锁模阈值以利于激光器自启本发明动和重复频率的提高。
49.本发明用于微波-光学鉴相器，可将光纤环路中提供相位偏置的非互易相移结构和由vco调控的相位调制器，集成于一个器件从而实现精确的微波-光学相位检测，使系统结构更简化，集成度更高。
50.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。