[发明专利]一种基于声光作用的全光纤反射式光学移频器及移频方法

说明书

技术领域

本发明属于光信息处理领域，具体涉及一种基于声光作用的全光纤反射式光学移频器及其移频方法。

背景技术

光外差探测是光相干探测中的一种重要方式。它把不同频率的激光相干叠加形成拍频，通过对拍频信号的相位解调实现对目标的探测。特点是把频率极高的光频率转化为探测器可响应的中频频率。应用过程的关键技术包括对微弱信号的探测、拍频解调技术以及激光光源稳频技术等。相比于零差探测，光外差探测具有更高的灵敏度、精确度及抗低频噪声的干扰能力强等优点，因此已被广泛应用于激光通信、外差光谱、激光陀螺仪以及激光雷达等领域。另外光外差探测还可应用于微振动的精密探测及单个病毒及纳米粒子的探测等领域。

光学移频器是光外差探测装置中非常重要的元件，它提供了外差探测作为“尺子”的基准，光频移的稳定性和精确度极大地影响外差探测系统的准确度。光学移频器通常基于声光晶体的拉曼纳斯衍射，这种体声光调制器具有体积大、驱动功率高、热稳定性不佳、空间对准影响精确度及复色外差实现困难等缺点。光纤移频器可以解决这些问题，但是一般的光纤移频基于双模光纤，与现有光纤处理系统并不兼容。在单模光纤中，基于声光可调谐滤波器和锥形光纤搭建的上下话路耦合器，此结构在干涉光路中起到分光作用的同时，还可以作为声光可调谐移频器使用。体积庞大是该方案的一个明显缺点。除此之外，还有一个致命的缺陷，那就是耦合区域属于软连接，导致该装置无法走出实验室，进入应用。2016年，南开大学的常朋发等人提出了基于级联的声光可调谐滤波器搭建的全光纤可调谐超低移频器的方案。该套系统可以实现1Hz到100Hz的移频，具有体积小、驱动频率和功率低等优点，但是该套装置的插损较大，也不能进入应用，并且驱动的过程需要两个级连角锥，需要双倍的驱动，增加了使用成本。

总而言之，光学移频器虽然有着重要的应用，但是目前全光纤的移频器仍然无法满足实际应用。低驱动功率的全光纤单模光纤移频器是发展的趋势。

发明内容

基于以上现有技术中存在的问题，本发明经过长期的研究，提出了一种基于声光作用的全光纤反射式光学移频器及移频方法。

本发明的一个目的在于提出一种基于声光作用的全光纤反射式光学移频器。

本发明的基于声光作用的全光纤反射式光学移频器包括：吸声衬底、超声换能器、射频信号发生器、超声角锥、单模光纤和反射装置；其中，单模光纤被去掉了最外层的涂覆层，只保留中间的纤芯以及包裹纤芯的包层；通过刻蚀或拉锥，使得单模光纤的包层具有直径变细的区域，作为声光作用区，在声光作用区的两端包层的直径逐渐变化的区域分别为第一缓冲区和第二缓冲区；单模光纤的一端位于第一缓冲区同侧为光输入输出端；单模光纤的另一端位于第二缓冲区同侧设置反射装置；第二缓冲区与反射装置之间形成间隔区；在吸声衬底上设置超声换能器；超声换能器连接至射频信号发生器；在超声换能器上设置超声角锥；超声角锥的顶部连接到单模光纤的第一或第二缓冲区的外壁；声光作用区的直径与超声换能器的谐振频率相匹配，射频信号发生器的工作频率在超声换能器的谐振频率附近；射频信号发生器发出电信号至超声换能器；超声换能器将电信号转换为超声波，吸声衬底保证超声波单向传输至超声角锥；超声角锥将超声波放大后传输入至单模光纤中；光进入单模光纤后，通过反射装置的反射将两次经过声光作用区；如果超声角锥的顶部连接到单模光纤的第一缓冲区的外壁，即超声角锥的顶部与光输入输出端位于同侧，入射光从单模光纤的输入输出端入射，并且以纤芯基模即LP₀₁模的形式在单模光纤中稳定传输，当入射光满足相位匹配条件并且第一次经过声光作用区时，在超声波的作用下，纤芯基模就会被耦合到同向传输的包层模即LP₁₁模中，此时光波和超声波传输方向相同，声光效应是由同向传输的行波引起的，因而到达间隔区时，光相对于入射光会产生下频移；光传输到间隔区通过反射装置反射返回，第二次传经过声光作用区时，由于声光效应仍然是由反向传输的行波引起的，此时光波和超声波传输方向相反，在超声波的作用下，此时包层模耦合回纤芯基模，因而光相对会再次产生下频移，最终从出射端口输出的光相对于入射光会产生下频移，并且频移的频率为所加超声波频率的两倍；如果超声角锥的顶部连接到单模光纤的第二缓冲区的外壁，即超声角锥的顶部与光输入输出端位于反侧，入射光从单模光纤的输入输出端入射，并且以纤芯基模即LP₀₁模的形式在单模光纤中稳定传输，当入射光满足相位匹配条件并且第一次经过声光作用区时，在超声波的作用下，纤芯基模就会被耦合到同向传输的包层模即LP₁₁模中，此时光波和超声波传输方向相反，声光效应是由反向传输的行波引起的，因而到达间隔区时光相对于入射光会产生上频移；光传输到间隔区通过反射装置反射返回，第二次传经过声光作用区时，此时光波和超声波传输方向相同，声光效应由同向传输的行波引起的，在超声波的作用下，此时包层模耦合回纤芯基模，因而光相对会再次产生上频移，最终从出射端口输出的光相对于入射光会产生上频移，并且频移的频率为所加超声波频率的两倍。