一种保偏光纤声光移频装置

摘要

本发明公开了一种保偏光纤声光移频装置。包括：第一保偏光纤、第一准直器、声光开关装置、第二准直器及第二保偏光纤；第一保偏光纤连接第一准直器，第二准直器连接第二保偏光纤，第一准直器和第二准直器呈一定角度分别设置于声光开关装置两侧、通过声光开关装置进行空间耦合；光线经起偏后输入第一保偏光纤的慢轴、经第一保偏光纤传输后由第一准直器输出，自第一准直器输出的光线以一定角度入射至声光开关装置发生布拉格衍射产生一级衍射光，一级衍射光由第二准直器接收，一级衍射光自第二准直器输入至第二保偏光纤的慢轴、由第二保偏光纤输出。本发明能够实现线偏振光移频输出，且输出光偏振消光比较高，使得系统插入损耗较低、精度较高。

权利要求

1.一种保偏光纤声光移频装置，其特征在于，包括：

第一保偏光纤、第一准直器、声光开关装置、第二准直器以及第二保偏光纤；

所述第一保偏光纤连接所述第一准直器，所述第二准直器连接所述第二保偏光纤，所述第一准直器和所述第二准直器呈一定角度分别设置于所述声光开关装置两侧、并通过所述声光开关装置进行空间耦合；

其中，所述声光开关装置包括驱动电源和声光器件；所述声光器件包括阻抗匹配网络、电声换能器以及声光晶体，所述驱动电源输出射频功率信号经所述阻抗匹配网络后施加于所述电声换能器上，所述电声换能器将射频功率信号转换成超声波，超声波作用于所述声光晶体并在所述声光晶体上形成折射率光栅，所述第一准直器和所述第二准直器分别设置于所述声光晶体两侧、并通过所述声光晶体进行空间耦合；

外部光源发出的光线经起偏后输入至所述第一保偏光纤的慢轴、并经所述第一保偏光纤传输后由所述第一准直器输出，自所述第一准直器输出的光线以一定角度入射至所述声光开关装置发生布拉格衍射产生一级衍射光，所述一级衍射光的光斑到达第二准直器并由所述第二准直器接收，所述一级衍射光自所述第二准直器输入至所述第二保偏光纤的慢轴、并由所述第二保偏光纤输出至外部，且所述第二准直器与所述声光晶体相隔一定距离且满足如下关系：其中，L为所述第二准直器与所述声光晶体之间的距离，d为光斑的半径，θ为一级衍射光与所述光线入射至所述声光晶体后沿原光路传播方向之间的分离角。

2.根据权利要求1所述的保偏光纤声光移频装置，其特征在于，所述保偏光纤声光移频装置包括偏振探测器，所述偏振探测器的输入端口连接所述第二保偏光纤的输出端口。

3.根据权利要求2所述的保偏光纤声光移频装置，其特征在于，所述保偏光纤声光移频装置包括壳体，所述壳体内部设置有散热体；

至少所述第一准直器、所述第二准直器以及所述声光晶体设置于所述壳体内部，并且，所述声光晶体与所述散热体热耦合。

4.根据权利要求3所述的保偏光纤声光移频装置，其特征在于，所述保偏光纤声光移频装置包括第一调节机构和第二调节机构；

所述第一调节机构和所述第二调节机构均设置于所述壳体内部，所述第一准直器设置于所述第一调节机构上，所述第二准直器设置于所述第二调节机构上；

其中，所述第一调节机构用于调节所述第一准直器的输出角度，所述第二调节机构用于调节所述第二准直器的接收角度。

5.根据权利要求4所述的保偏光纤声光移频装置，其特征在于，所述第一调节机构和所述第二调节机构结构相同；

所述第一调节机构包括调节块和五维调节架；

其中，所述调节块为圆筒状，所述调节块外圈设有外螺纹，所述调节块中心设置有至少一个安装孔，通过螺钉贯穿所述安装孔将所述第一准直器固定于所述调节块上，并且，所述五维调节架一端固定于所述壳体、另一端设有内螺纹，通过所述外螺纹与所述内螺纹的螺接配合将所述调节块固定于所述五维调节架。

6.根据权利要求4所述的保偏光纤声光移频装置，其特征在于，所述第二准直器的接收角小于零级光与一级衍射光的分离角θ。

7.根据权利要求4或6所述的保偏光纤声光移频装置，其特征在于，所述光斑的半径d大于等于0.1mm，所述θ范围为0.5°-5°。

8.根据权利要求1所述的保偏光纤声光移频装置，其特征在于，所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤为单模光纤；

所述外部光源为激光发生器。

说明书

一种保偏光纤声光移频装置

技术领域

[0001] 本发明涉及声光移频技术领域，特别是涉及一种保偏光纤声光移频装置。

背景技术

[0002] 光纤声光移频器由于插入损耗低、响应时间快、结构紧凑、无移动部件等众多优点，在激光偏转、激光移频信号处理、相干信号处理、外差信号处理等系统中有着广泛应用。

[0003] 现有技术的光纤声光移频器多采用普通单模光纤进行输入输出，然而，一些系统在对移频光信号进行处理的时候，需要保证输入输出光的偏振一致性，以减少系统的处理量，提高系统的处理精度。

[0004] 同时，用线偏振光进行光信号处理的系统，系统中会对经过移频处理的输出光再次进行起偏处理，普通单模光纤声光移频器输出光偏振态是不稳定的，受温度、外力等影响很大，因此输出光经过起偏处理后光强会随时变化，且输出光偏振消光比较差进而可能影响系统插入损耗和精度，无法满足系统的处理要求。

发明内容

[0005] 本发明主要解决的技术问题是提供一种保偏光纤声光移频装置，能够实现线偏振光移频输出，并且输出光偏振消光比较高，进而能够使得系统插入损耗较低、精度较高。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种保偏光纤声光移频装置，包括：第一保偏光纤、第一准直器、声光开关装置、第二准直器以及第二保偏光纤；第一保偏光纤连接第一准直器，第二准直器连接第二保偏光纤，第一准直器和第二准直器呈一定角度分别设置于声光开关装置两侧、并通过声光开关装置进行空间耦合；其中，外部光源发出的光线经起偏后输入至第一保偏光纤的慢轴、并经第一保偏光纤传输后由第一准直器输出，自第一准直器输出的光线以一定角度入射至声光开关装置发生布拉格衍射产生一级衍射光，一级衍射光由第二准直器接收，一级衍射光自第二准直器输入至第二保偏光纤的慢轴、并由第二保偏光纤输出至外部。

[0007] 其中，保偏光纤声光移频装置包括偏振探测器，偏振探测器的输入端口连接第二保偏光纤的输出端口。

[0008] 其中，声光开关装置包括驱动电源和声光器件；声光器件包括阻抗匹配网络、电声换能器以及声光晶体；其中，驱动电源输出射频功率信号经阻抗匹配网络后施加于电声换能器上，电声换能器将射频功率信号转换成超声波，超声波作用于声光晶体并在声光晶体上形成折射率光栅；第一准直器和第二准直器分别设置于声光晶体两侧、并通过声光晶体进行空间耦合。

[0009] 其中，保偏光纤声光移频装置包括壳体，壳体内部设置有散热体；至少第一准直器、第二准直器以及声光晶体设置于壳体内部，并且，声光晶体与散热体热耦合。

[0010] 其中，保偏光纤声光移频装置包括第一调节机构以及第二调节机构；第一调节机构和第二调节机构均设置于壳体内部，第一准直器设置于第一调节机构上，第二准直器设置于第二调节机构上；其中，第一调节机构用于调节第一准直器的输出角度，第二调节机构用于调节第二准直器的接收角度。

[0011] 其中，第一调节机构和第二调节机构结构相同；第一调节机构包括调节块和五维调节架；其中，调节块为圆筒状，调节块外圈设有外螺纹，调节块中心设置有至少一个安装孔，通过螺钉贯穿安装孔将第一准直器固定于调节块上，并且，五维调节架一端固定于壳体、另一端设有内螺纹，通过外螺纹与内螺纹的螺接配合将调节块固定于五维调节架。

[0012] 其中，一级衍射光的光斑到达第二准直器并由第二准直器接收；至少第二准直器与声光晶体相隔一定距离且满足如下关系：

[0013]

[0014] 其中，L为第二准直器与声光晶体之间的距离，d为光斑的半径， 为一级衍射光与光线入射至声光晶体后沿原光路传播方向之间的分离角。

[0015] 其中，第二准直器的接收角小于零级光与一级衍射光的分离角 。

[0016] 其中，光斑的半径d大于等于0.1mm，范围为0.5°-5°。

[0017] 其中，第一保偏光纤和第二保偏光纤为单模光纤；外部光源为激光发生器。

[0018] 本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明保偏光纤声光移频装置，通过将连接第一保偏光纤的第一准直器和连接第二保偏光纤的第二准直器与声光开关装置光耦合，由第一准直器输出的线偏振光入射至声光开关装置产生一级衍射光，然后第二准直器接收一级衍射光，该一级衍射光由第二准直器输入至第二保偏光纤的慢轴并最终由第二保偏光纤输出，能够实现线偏振光移频输出，输出光偏振态不易受到温度、外力等因素影响，其发生变化较小，输出光偏振消光比较高，进而能够使得系统插入损耗较低、精度较高。

附图说明

[0019] 图1是本发明保偏光纤声光移频装置第一实施方式的模块示意图；

[0020] 图2是图1所示保偏光纤声光移频装置第一实施方式的硬件结构示意图；

[0021] 图3是本发明保偏光纤声光移频装置第二实施方式的模块示意图；

[0022] 图4是图3所示准直器空间耦合和慢轴对准示意图；

[0023] 图5是调节块的结构示意图；

[0024] 图6是图3所示准直器通过声光器件空间耦合和慢轴对准示意图；

[0025] 图7是图3所示保偏光纤声光移频装置的光路示意图。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。

[0027] 参阅图1，图1是本发明保偏光纤声光移频装置第一实施方式的模块示意图。在本发明第一实施方式中，保偏光纤声光移频装置包括：第一保偏光纤11、第一准直器21、声光开关装置3、第二准直器22以及第二保偏光纤12。全文以第一保偏光纤11和第二保偏光纤12均为单模光纤为例进行说明。

[0028] 第一保偏光纤11连接第一准直器21，第二准直器22连接第二保偏光纤12，第一准直器21和第二准直器22呈一定角度分别设置于声光开关装置3两侧、并通过声光开关装置3进行空间耦合。

[0029] 具体的，结合图2，图2是图1所示保偏光纤声光移频装置第一实施方式的硬件结构示意图。声光开关装置3包括驱动电源31和声光器件32，声光器件32包括阻抗匹配网络321、电声换能器322以及声光晶体323。第一准直器21和第二准直器22分别设置于声光晶体323两侧、并通过声光晶体323进行空间耦合。

[0030] 其中，驱动电源31通过电极引线30连接匹配网络321，匹配网络321通过电极引线30连接电声换能器322。进一步地，驱动电源31输出射频功率信号经阻抗匹配网络321后施加于电声换能器322上，电声换能器322将射频功率信号转换成超声波，超声波作用于声光晶体323并在声光晶体323上形成折射率光栅。

[0031] 进一步地，外部光源发出的光线经起偏后输入至第一保偏光纤11的慢轴、并经第一保偏光纤11传输后由第一准直器21输出，自第一准直器21输出的光线以一定角度入射至声光开关装置3中声光晶体323上所形成的折射率光栅中发生布拉格衍射产生一级衍射光，一级衍射光由第二准直器22接收，一级衍射光自第二准直器22输入至第二保偏光纤12的慢轴、并由第二保偏光纤12输出至外部。其中，外部光源通常为激光发生器，所述激光发生器产生激光。另外，也可以用LED光源替代该激光发生器，要实现光的衍射，其产生光线的波长需要与折射率光栅的光栅常数满足一定条件，而且无论是激光发生器还是LED光源均要对其各自产生的光线做进一步处理，此处不再一一赘述。

[0032] 继续参阅图2，图2中，保偏光纤声光移频装置还包括壳体5，壳体5内部设置有散热体6。至少第一准直器21、第二准直器22以及声光晶体323设置于壳体5内部，并且，声光晶体323与散热体6热耦合，其中，声光晶体323可以抵接散热体6以通过散热体6直接散热，或者声光晶体323可以通过其它热耦合的方式，如空气对流的方式通过散热体6散热，此处不作过多限制。增设散热体6有助于该保偏光纤声光移频装置内部散热，提高装置的可靠性和稳定性。

[0033] 保偏光纤声光移频装置还包括用于调节第一准直器21的输出角度的第一调节机构41和用于调节第二准直器22的接收角度第二调节机构42。第一调节机构41和第二调节机构42均设置于壳体5内部，第一准直器21设置于第一调节机构41上，第二准直器22设置于第二调节机构42上。

[0034] 在一具体应用实施例中，第一调节机构41和第二调节机构42结构相同。因此，此处仅对第一调节机构41具体说明。

[0035] 结合图5，第一调节机构41包括调节块400和五维调节架(图未示)。其中，调节块400为圆筒状，调节块400外圈设有外螺纹，调节块400中心设置有至少一个准直器安装孔401，通过螺钉贯穿准直器安装孔401将第一准直器21固定于调节块400上，并且，五维调节架一端固定于壳体5、另一端设有内螺纹，通过外螺纹与内螺纹的螺接配合将调节块400固定于五维调节架。当然，第一调节机构41和第二调节机构42也可以不同，只要第二准直器22能够准确接收由声光晶体323出射的一级衍射光即可，此处不作过多限制。

[0036] 本发明实施方式的保偏光纤声光移频装置，通过将连接第一保偏光纤11的第一准直器21和连接第二保偏光纤12的第二准直器22与声光开关装置3光耦合，由第一准直器21输出的线偏振光入射至声光开关装置3产生一级衍射光，然后第二准直器22接收一级衍射光，该一级衍射光由第二准直器22输入至第二保偏光纤12的慢轴并最终由第二保偏光纤12输出，能够实现线偏振光移频输出，输出光偏振态不易受到温度、外力等因素影响，其发生变化较小，并且输出光偏振消光比较高，进而能够使得系统插入损耗较低、精度较高。

[0037] 参阅图3，图3是本发明保偏光纤声光移频装置第二实施方式的模块示意图，并请结合图2。本发明第二实施方式与本发明第一实施方式的区别仅在于，本发明第二实施方式的保偏光纤声光移频装置还包括：偏振探测器100。

[0038] 偏振探测器100的输入端口连接第二保偏光纤12的输出端口，偏振探测器100的输出端口连接外部计算机终端101。

[0039] 本发明第二实施方式的工作流程简要介绍如下：

[0040] （1）完成第一准直器21和第二准直器22的成对空间耦合和慢轴对准。

[0041] 具体的，此时，不驱动声光器件32或者即使驱动声光器件32也并未产生折射率光栅。将线偏振光输入至第一保偏光纤11输入端，该线偏振光由第一保偏光纤11输出端入射至第一准直器21并经第一准直器21输出，该线偏振光随后由第二准直器22接收并输出至第二保偏光纤12输入端，通过在计算机终端101上观测由第二保偏光纤12输入至偏振探测器100的线偏振光的强度和偏振态，当线偏振光的强度最强且输入光偏振态与输出光（即进入第一保偏光纤11的线偏振光和由第二保偏光纤12输出的线偏振光）偏振态一致时即完成第一准直器21和第二准直器22的成对空间耦合和慢轴对准的过程，如图4所示。

[0042] 进一步的，第一准直器21、第二准直器22结构相同，准直器（21、22）内部为准直透镜组，外部为保护金属套，从准直器（21、22）中输出的光束和保护金属套基本同轴，固定在调节块400内，如图5所示，调节块400中心为准直器安装孔401、外圈为外螺纹，准直器（21、22）的保护金属套设置于准直器安装孔401上，并通过螺钉贯穿该准直器安装孔401进而将准直器（21、22）固定于调节块400上。调节块400的外螺纹同五维调节架内螺纹连接，此时准直器（21、22）同五维调节架大致是同轴的。用上述结构固定好第一准直器21和第二准直器22，即可用五维调节架完成该第一准直器21和第二准直器22的成对空间耦合和慢轴对准。

[0043] （2）通过声光器件完成第一准直器21和第二准直器22的耦合和慢轴对准。

[0044] 安装并驱动声光器件，让声光器件和第一准直器21处于同一直线，此时水平旋转第一准直器21（即旋转五维调节架），让线偏振光以布拉格角入射至声光晶体323，此时水平旋转第二准直器22以接收一级衍射光，并且，由于只有水平旋转过程，不会影响上述（1）过程中已经调节好的慢轴对准，只需调节角度至接收一级衍射光最强即可，可通过五维调节架对偏振态进行微调，以减小误差，如图6所示。

[0045] 上述实施方式中，在驱动声光晶体323形成折射率光栅后，由第一准直器21输出的光线入射至所述声光晶体323后一部分光将会沿原光路传播方向继续传播，可认为这部分光线为零级光，并且还会产生一级衍射光。如果声光晶体323和第二准直器22距离过近，由声光晶体323射出的零级光和一级衍射光的光斑均可能会达到第二准直器22，为实现对一级衍射光较好的接收效果，需要将零级光和一级衍射光完全分离，又因为该零级光由第一准直器21输出，其发散角很小，可视为准直光，其光斑半径d在光路上不随传播距离的远近而改变，假定第二准直器22与声光晶体323之间的距离为L1，此时，零级光和一级衍射光各自的光斑刚好分离，如图7所示：

[0046]

[0047] 其中，L1为声光晶体323与第二准直器22之间的距离，d为光斑的半径， 为一级衍射光与零级光之间的分离角。

[0048] 当然，要更好、更方便的实现对一级衍射光的接收，声光晶体323与第二准直器22之间的距离L只需要满足如下关系即可：

[0049]

[0050] 值得注意的是，值同光斑直径等参数没有关系，其中：

[0051]

[0052] 上述公式中， 为入射至折射率光栅的光线的波长， 为超声波的频率， 为超声波的速度，也即是 值只与 、 以及 这三个参数相关，此处不再对 的具体推导原理一一赘述。

[0053] 在一具体应用实施例中，光斑的半径d大于等于0.1mm，范围为0.5°-5°。优选地，光斑的半径d大于等于0.25mm，范围为1°-3°。

[0054] 在一具体应用实施例中，声光晶体323为氧化碲晶体、磷化镓晶体、锗砷硒玻璃、钼酸铅晶体、铌酸锂晶体、石英晶体、融石英或者重火石玻璃等声光材料。

[0055] 本发明实施方式的保偏光纤声光移频装置，能够实现线偏振光移频输出，输出光偏振态不易受到温度、外力等因素影响，其发生变化较小，且系统插入损耗较低。另外，增设偏振探测器100，有助于第一准直器21和第二准直器22的成对空间耦合和慢轴对准，使用简单、方便。

[0056] 上述实施方式具有如下优点：

[0057] （1）能够实现线偏振光移频输出，输出光偏振消光比较高，进而能够使得系统插入损耗较低、精度较高；

[0058] （2）使用简单、方便；

[0059] （3）应用领域广泛，可应用于如激光测风雷达，光纤水听器等。

[0060] 以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。