技术领域

本发明涉及一种基于超声光栅的可调谐光学变 频器，特别涉及一 种基于超声光栅移频、 循环移频和滤波技术的宽带调谐的变频器。 背景技术

光学频率下转换、 上转换的本质是差频、 和频技术。 相比传统的 谐波产生方法， 差频、 和频合成技术系统的最大优势在于系统便携、 紧凑， 同时包含更丰富的频率成份。 目前， 有频率间距二分法、 光学 参量振荡器法、 非线性晶体光学法、 激光二极管四波混频法、 光频梳 发生器法等。在这些方法中频率间距二分法和 光频梳发生器法比较有 特色。这两种方法的宗旨就是将一个大的光学 频率间距分割成若干个 与已知频率成一定关系的更小频率间距，而这 个已知频率通常可以采 用现有手段来测量出来， 这为频率探测技术提供了极其便捷的手段。

从另外一个角度来看，如果能够通过不断移动 可测量的小间距的 频率而最终获得大间距的任意频率，而且这些 任意的光频率也能够得 到测量， 那将是一件非常不错的想法。 比如事先知道了某一已知频率 ω 现在仅在原有频率 ί¾的附近实现已知频率 的若干次的倍增或 倍减， 最终通过原有频率 ί¾可以得到任意期望的频率 ± niy _r/ 。 而此 时每个频率的大小又可以通过一个类似于频率 "显示屏"的滤波器显 示出来。如果真能够实现该想法， 那么该技术不仅可以满足光频测量 的要求， 而且还可以获得我们任意需求的光源频率。 为了实现该想法，本发明公开了一种基于超声 光栅的可调谐光学 变频器。 该发明将变频激光器的结构大大筒化， 成本大幅降低， 使其 庞大的光学实验室得以小型化一一台这样的可 调谐光学变频器就可 以取代数十台到数百台的激光器，从而使光学 实验的综合成本幅度降 低， 有望在科学研究、 工业生产等方面获得广泛应用。 发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种紧凑、 便携， 易于集成， 宽调谐且调谐效率高的宽带调谐变频器。

解决本发明技术问题的技术方案是：提供一种 基于超声光栅的可 调谐光学变频器， 其包括激光器、 第一光隔离器、基于超声光栅移频 的循环移频模块；所述激光器输出的光经过第 一光隔离器后输入到所 述循环移频模块中进行反复移频，然后经可调 谐滤波器滤波和第二光 环行器分离， 再从循环移频模块的端口输出变频光。

所述激光器为工作波长在 lOOnm-lOOOOOnm 波段内的半导体激 光器、 气体激光器、 固体激光器或光纤激光器。

所述基于超声光栅移频的循环移频模块的闭环 增益系数的最佳 值为 1 , 次佳值为 1以外的其它正整数值， 再次佳值为 1以外的其它 正整数的倒数值。

所述基于超声光栅移频的循环移频模块由光耦 合器、 超声光栅、 k透镜、 L ₂ 透镜、 光放大器、 第二光隔离器、 第一光环行器、 光纤布 喇格光栅、 第二光环行器、 可调谐滤波器以及可调衰减器组成。 所述超声光栅为透射超声光栅， 用于相位调制。

所述超声光栅和 k透镜和 L ₂ 透镜的输出功率不能超过光放大器 的最大允许输入光功率。

所述第一光环行器为三端口环行器，第一端口 连接第二光隔离器 的输出端， 第二端口连接光纤布喇格光栅的输入端， 第三端口连接吸 收负载， 所述吸收负载吸收光纤布喇格光栅的反射光。

所述第二光环行器为三端口环行器，其第一端 口连接光纤布喇格 光栅的输出端口， 第二端口连接可调谐滤波器的输入端口， 第三端口 作为循环移频模块的光输出口。

所述基于超声光栅移频的循环移频模块中各部 件的工作频率带 宽不小于循环移频模块输出端口的最高输出频 率与激光器光源的频 率差。

所述第一光隔离器、基于超声光栅移频的循环 移频模块中各部件 的工作波段与激光器的工作波段一致。

所述可调谐滤波器为窄带滤波器，将需要滤取 的窄带光反射到第 二光环行器的第三端口输出，而将其它频率的 光透射到光衰减器的输 入端，所述变频器的频率变化值等于可调谐滤 波器的窄带输出光的频 率与所述激光器的输出光的频率之差，变频器 的频率调节范围不大于 可调谐滤波器的窄带输出光的频率可调范围。

所述可调谐滤波器为带缺陷层的一维光子晶体 技术或光栅衍射 技术所制作成的频率可调谐滤波器。

所述一维光子晶体的光子禁带区不小于系统输 出的光波的频率 调谐范围， 所述一维光子晶体包含一层折射率可调缺陷层 ， 所述缺陷 层的折射率的调节方式包括电致折变、 磁致折变、 声致折变、 光致折 变、 力致折变或热致折变， 所述一维光子晶体具有一缺陷模， 所述缺 陷模随所述缺陷层的折射率的变化。

本发明提供的可调谐光学变频器体积小，光学 元件少，易于集成， 成本低， 调谐范围大， 调谐效率高， 输出功率高， 操作筒单。 附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一 步详细的说明。 图 1 是本发明基于超声光栅的可调谐光学变频器的 系统结构示 意图。

图 2 是本发明基于超声光栅的可调谐光学变频器的 第一种实施 方式的示意图。

图 3 是本发明基于超声光栅的可调谐光学变频器的 第二种实施 方式的示意图。

图 4是本发明基于超声光栅的可调谐光学变频器� �第三种实施 方式的示意图。 具体实施方式

本发明提供了一种基于超声光栅的可调谐光学 变频器，如图 1所 示， 其包括激光器 1、 第一光隔离器 2、 基于超声光栅移频的循环移 频模块 3; 所述激光器 1输出的光经过第一光隔离器 2后输入到所述 循环移频模块 3中进行反复移频，然后经可调谐滤波器 310滤波和第 二光环行器 39分离， 再从循环移频模块的端口 4输出变频光。 激光器 1为工作波长在 lOOnm-lOOOOOnm波段内的半导体激光器、 气体激光器、 固体激光器或光纤激光器。 基于超声光栅移频的循环移频模块 3 的闭环增益系数的最佳值 为 1, 次佳值为 1以外的其它正整数值， 再次佳值为 1以外的其它正 整数的倒数值。 基于超声光栅移频的循环移频模块 3由光耦合器 31、 超声光栅 32、 k透镜 33、 L ₂ 透镜 34、 光放大器 35、 第二光隔离器 36、 第一光 环行器 37、光纤布喇格光栅 38、第二光环行器 39、可调谐滤波器 310 以及可调衰减器 311组成。 超声光栅 32为透射超声光栅， 用于相位调制。超声光栅 32的频 移原理是：超声波在透明介质中传播时将引起 介质的弹性应变而作时 间和空间上的周期性变化， 导致介质的折射率也作相应变化。 若声光 作用距离较小时， 光波通过介质主要引起空间周期性变化， 最终光波 的相位得到调制。 不失一般性， 设声光介质中的超声波是沿着 X方向 传播的平面纵波， 其角频率为 ί¾, 波矢量为 k _s ( =2 r/i _s ), 其中 /l _s 为超 声波波长； 入射光为沿 z方向传播的平面波， 其角频率为 波矢量 为 k 2π/λ、, 其中 /1为真空中光波波长。 当介质的弹性应变较小时， 折射率 η随 X和时间 t的变化关系为 n(x, t) = n ₀ + ( n) _m sin(i¾ - k _s x)

( 1 )

其中 n。表示无超声波时介质的折射率，（An) _m 表示折射率的变化幅值。 当光波通过厚度为 L的超声光栅时， 引起的相位变化为

ΑΦ(χ, t) = kn(x, t)L = ΔΦ。 + ΑΦ _Μ sin(i¾i - k _s x)

(2)

其中 ΔΦ。表示无超声波时光通过 L厚度超声光栅的相位差， A(D _m 表示 位相差的变化幅度。假设光第一次通过超声光 栅时， 在 z=-L/2平面上 的电矢量为

E = Ae 则光第一次通过超声光栅后， 在 z=L/2平面上的电矢量为

E = Ae ^l

(4) 利用数学恒等式

(5)

(5) 式中， (^为第一类贝塞尔函数。 利用 （5) 式可以将（4) 式 变化为

E = CJ ₀ { )e ^iox

+CJ _n {fi)

(6) 其中， C=¾exp[/(-z^b+f _x x)]， j0=A _m 。 式（6)表示 n级衍射的平面波 电矢量叠加。 另外上述变形过程中， 已假定 k _v =k i a = nk, 其中， 表示衍射角。 若将（7 ) 式改写为

λ ₅ sin α = ηλ ( η=0, 士 1, 士 2, )

( 8 )

观察（8 ) 式可发现该式与熟知的光栅方程的表达式非常 相似， 其中 /l _s 相当于光栅常数。 从该式可以确定超声光栅常数（即超声波波 长）、 光波波长、 不同级次衍射角三者之间的关系。

结合实际情况， 只取第一级衍射作为循环对象， 即只关心 （6 ) 式中第二行，尤其是第二项表达式。则光第 Λ/次通过超声光栅后第一 级衍射的高频部分的电矢量可以写为 , 从频率 部分可以发现有 / ¾的频率增加。

由此可见，在基于超声光栅的循环移频环节中 ，光波经过 Λ/次循 环移频后获得 / ¾的频移量，只要该频移量未使光的频率达到� ��调谐 滤波器的选取频率， 则光波会被反馈回循环移频环节中不断循环， 直 到频移量使光的频率达到滤波器的选取频率为 止。

另外， 由于第一级衍射角与光波波长和超声光栅常数 存在一定的 比例关系即 , 所以必须确定当循环移频后光波波长变化时 角度的变化范围。 假定超声光栅常数确定为 34000nm (取声速为 340m/s , 超声波频率为 10M Hz ), 那么当光波波长从一定值（例如， 1550nm )上下波动 20nm时角度的变化范围为 0.045至 0.046rad , 即 2.58。 至 2.65。 角度范围。 显然， 当光波波长变化时， 第一级^ ·射的 角度变化不大， 这对循环移频具有重要帮助， 避免了光学元件的随时 调节， 利于光学集成。

第一光环行器 37为三端口环行器， 第一端口连接第二光隔离器 36的输出端， 第二端口连接光纤布喇格光栅 38的输入端， 第三端口 连接吸收负载， 所述吸收负载吸收光纤布喇格光栅 38的反射光。 第 二光环行器 39为三端口环行器， 其第一端口连接光纤布喇格光栅 38 的输出端口， 第二端口连接可调谐滤波器 310的输入端口， 第三端口 作为循环移频模块 3的光输出口。

基于超声光栅移频的循环移频模块 3 中各部件的工作频率带宽 不小于循环移频模块输出端口 4的最高输出频率与激光器 1光源的频 率差。 第一光隔离器 2、 基于超声光栅移频的循环移频模块 3中各部 件的工作波段与激光器 1的工作波段一致。 所述超声光栅 32和！^透 镜 33和 L ₂ 透镜 34的输出功率不能超过光放大器 35的最大允许输入 光功率。

可调谐滤波器 310为窄带滤波器，将需要滤取的窄带光反射到 第 二光环行器 39的第三端口 4输出， 而将其它频率的光透射到光衰减 器 311的输入端，所述变频器的频率变化值等于可 调谐滤波器 310的 窄带输出光的频率与所述激光器 1的输出光的频率之差，变频器的频 率调节范围不大于可调谐滤波器 310的窄带输出光的频率可调范围。

优选地， 可调谐滤波器 310 为利用衍射技术加工的布喇格光栅 (如图 2所示）或带缺陷层的一维光子晶体技术制作� �成的可调谐滤 波器（如图 3所示）； 一维光子晶体的光子禁带区不小于系统输出的 光波的频率调谐范围，所述一维光子晶体包含 一层折射率可调缺陷层， 所述缺陷层的折射率的调节方式包括电致折变 、磁致折变、声致折变、 光致折变、 力致折变或热致折变， 所述一维光子晶体具有一缺陷模， 所述缺陷模随所述缺陷层的折射率的变化而变 化。

下面是一个实施例的各组成部分及其工作参数 。 激光器 1 选用 1550nm超窄线宽半导体连续激光器， 该激光器在 25 °C时的工作波长 为 1550nm , 输出功率为 5mW, 连续工作模式， 最大线宽为 50kHz, 输出光纤类型为 SMF-28单模光纤（9/125μΓΤΊ )。 超声光栅 32的声光 介质为纯净水， 工作频率为 10MHz, 衍射级次可以达到 3级， 衍射效 率为 96% ,超声频率最大可以达到 30M Ηζ ,衍射头体积为 4χ 4 X 2 cm ³ 。 所选用的 k透镜 33和 L ₂ 透镜 34为增透 1550nm附近波长的缩束系 统，便于将光束耦合到光纤中。 所选用的可调谐滤波器 310对中心波 长的调谐宽度达到 40nm ,几乎覆盖了整个 C-band (1528nm~1610nm) , 插入损耗为 4.0dB , 该滤波器的体积为 24χ 8.8 35 cm ³ 。 所选用的光 放大器 35的工作带宽为 40nm , 覆盖了整个 C-band。 所选用的光耦 合器 31为响应 1550nm波长的 50/50的光学元件。 所选用的第一光 环行器 37和第二光环行器 39其响应波长在 1550nm附近，带宽 40nm , 其中第一光环行器 37是连接吸波负载的光学器件，起到光隔离效� ��， 同时对反射回来的光利用吸波负载加以吸收， 该器件既起到光隔离又 起到环保作用； 而第二光环行器 39起到既参与光循环及光输出的功 能。 所选用的光纤布喇格光栅 38对载波波长 1550nm起到反射抑制 作用。 光耦合器 31将激光器 1光源输出的光与循环回来的光耦合后 作为超声光栅 32的调制信号光，在光声作用下超声光栅 32改变信号 光的频率， 使信号光的频率发生偏移， 当信号光的频率达到可调谐滤 波器 310的选取频率时，可调谐滤波器将该频率的光 反射回第二光环 行器 39的第三端口 4输出， 否则信号光会高透射到光衰减器 311的 输入端， 然后进入光耦合器 31 , 再次反馈到超声光栅 32中进行频率 移动。 此频率移动过程不断重复， 最终获得任意大小的频率移动， 这 是本方案的关键优势之一。

为了保证激光器 1 光源的功率和循环回来的光的总功率不破坏 光放大器的最大允许输入光功率，在可调谐滤 波器 310的输出端接上 可调衰减器 311。

若超声光栅 32的输出光功率较大，则在光放大器 35前必须放置 可调谐衰减器， 此时可以将可调衰减器 311放置在光放大器 35的前 面， 以确保光放大器的安全正常工作， 图 4为该实施例。

本发明相对现有变频器具有以下突出的优点：

( 1 )价格低廉。 该方案相对于目前昂贵的光学参量振荡器法、 光频梳法、 激光锁模法介绍的变频技术， 由于没有使用昂贵的激光光 源， 亦无贵重的非线性光学晶体参与， 所以极大地降低了成本。

( 2 ) 紧凑、 便携。 所述基于超声光栅移频的变频器装置全部利 用市售的普通光源、 光纤组件组装而成， 最终的体积估计不超过 40x10x35 cm ³ , 重量不超过 8kg。

( 3 ) 光路筒单。 在整个装置中， 由于全部采用光纤连接， 无一 光学元件是可动光学元件， 其它部分均易固定。 该装置极易光集成。

( 4 )调谐范围或调谐宽度大。 理论上， 该技术方案可以实现任 意频率的输出， 因此， 只要可调谐滤波器、 透镜组、 光放大器、 光衰 减器、 光环行器、 光耦合器以及传输光纤的带宽能够无穷开发， 该技 术方案将永远适用。 即便对于目前工作带宽仅为 40nm的可调谐滤波 器、光放大器等光学元件， 已经能获得 5THz的频率调谐宽度。总之， 随着可调谐滤波器、透镜组和带通放大器等一 系列光学元器件的调谐 宽度的增大， 频率移动的范围将会成比例的增大。

( 5 )调谐效率高。 该方案的调谐可以通过三个途径来实现： 一 方面固定超声光栅的工作频率， 只是改变可调谐滤波器的滤波频率， 进而达到频率改变的功能； 另一方面， 可以固定可调谐滤波器的滤波 频率，而不断改变超声光栅的工作频率；第三 种途径，二者同时调节。 任意一种调谐的方式都可以艮快获得频率的最 终改变，其调节效率非 常 τ¾。

( 6 )输出功率高。 由于基于超声光栅移频的循环移频模块的最 大增益达到 1时， 只要设置初始激光光源的输出功率， 经过循环移频 后最终可以获得与初始设置的激光光源完全相 同的输出功率，同时还 获得所期望的频率。

尽管本专利已介绍了一些具体的实例，只要不 脱离本专利权利要 求所规定的精神， 各种更改对本领域技术人员来说是显而易见的 。