[发明专利]基于相干解调的光学谐振腔自由谱线宽度在线测试系统及方法

权利要求书

1.一种应用基于相干解调的光学谐振腔自由谱线宽度在线检测系统的检测方法，所述的在线检测系统包括可调谐激光器、第一光纤分路器、相位调制器、第二光纤分路器、第一声光移频器、第二声光移频器、第三声光移频器、第三光纤分路器、光学谐振腔、第四光纤分路器、光电转换器构成的光学系统以及第一信号解调模块、第一信号处理模块、反馈锁定模块、第二信号解调模块、第二信号处理模块构成的信号处理系统；

所述可调谐激光器的输出端与第一光纤分路器的输入端相连，第一光纤分路器的两路输出分别与相位调制器、第三声光移频器相连，相位调制器的输出与第二光纤分路器的输入端相连，第二光纤分路器的两路输出分别与第一声光移频器、第二声光移频器相连，第一声光移频器、第二声光移频器的输出端分别与第三光纤分路器的输入端相连，第三光纤分路器的输出端与光学谐振腔的输入端相连，光学谐振腔的输出端、第三声光移频器的输出端分别与第四光纤分路器的输入端相连，第四光纤分路器的输出端与光电转换器的输入端相连，光电转换器具有两路输出，分别与第一信号解调模块、第二信号解调模块相连，第一信号解调模块、第一信号处理模块、反馈锁定模块与可调谐激光器的调谐端依次相连，第二信号解调模块与第二信号处理模块相连；

其特征在于，所述的检测方法包括以下步骤：

1)相位调制：由可调谐激光器发出的激光，通过第一光纤分路器分为功率相同的两束，其中一束通过相位调制器调制，调制信号为U₁(t)；

2)信号变频：经过相位调制器的光，通过第二光纤分路器分成相同功率的两束，其中一束经过第一声光移频器移频，另一束经过第二声光移频器移频，移频后的两束光经过第三光纤分路器合成一束，并输入光学谐振腔；第一光纤分路器分成的另一束光经过第三声光移频器移频，移频后与光学谐振腔的输出光通过第四光纤分路器合成一束光；具体地：第一声光移频器的驱动信号为U₂(t)，第二声光移频器的驱动信号为U₃(t)，第三声光移频器的驱动信号为U₄(t)，每两束移频后的光再次混频就会得到频率为驱动信号频差的拍频信号，由此实现由光频域到射频域的下变频；

3)拍频信号解调：第四光纤分路器的输出信号经过光电转换器后分成两路电信号，其中一路电信号在第一信号解调模块中通过带通滤波器得到U₂(t)与U₄(t)的差频信号，再经过平方运算实现自混频，然后与U₁(t)相乘，经过第一信号处理模块中的低通滤波器后得到低频信号U₅(t)，输入到反馈锁定模块，其输出用于调整可调谐激光器的中心频率，使经过第一声光移频器后的激光锁定在光学谐振腔任意谐振峰的谐振频率上；另外一路电信号在第二信号解调模块中通过带通滤波器得到U₃(t)与U₄(t)的差频信号，经过平方运算实现自混频，然后与U₁(t)相乘，经过第二信号处理模块中的低通滤波器后得到低频信号U₆(t)；

4)自由谱线宽测量值输出：第二信号解调模块的输出值U₆(t)经过标定后得到U₇(t)，该信号反映了U₂(t)、U₃(t)的差频与整数倍的自由谱线宽的差频，调整U₃(t)的频率使U₂(t)、U₃(t)的差值在自由谱线宽的一倍频附近，此时U₇(t)与U₂(t)、U₃(t)差值的和作为自由谱线宽的测量值，输出至数据记录仪。

2.一种应用基于相干解调的光学谐振腔自由谱线宽度在线检测系统的检测方法，所述的在线检测系统包括可调谐激光器、第一光纤分路器、相位调制器、第二光纤分路器、第一声光移频器、第二声光移频器、第三声光移频器、第三光纤分路器、光学谐振腔、第四光纤分路器、光电转换器构成的光学系统以及第一信号解调模块、第一信号处理模块、第一反馈锁定模块、第二信号解调模块、第二信号处理模块、第二反馈锁定模块构成的信号处理系统；

所述可调谐激光器的输出端与第一光纤分路器的输入端相连，光纤分路器的两路输出分别与相位调制器、第三声光移频器相连，相位调制器的输出与第二光纤分路器的输入相连，第二光纤分路器的两路输出分别与第一声光移频器、第二声光移频器相连，第一声光移频器、第二声光移频器的输出端分别与第三光纤分路器的两路输入端相连，第三光纤分路器的输出与光学谐振腔相连，光学谐振腔、第三声光移频器的输出端分别与第四光纤分路器的输入端相连，第四光纤分路器的输出端与光电转换器相连，光电转换器的两路输出分别与第一信号解调模块、第二信号解调模块相连，第一信号解调模块、第一信号处理模块、第一反馈锁定模块与可调谐激光器调谐端依次相连，第二信号解调模块、第二信号处理模块、第二反馈锁定模块与第二声光移频器调制信号输入端依次相连；

其特征在于，所述的检测方法包括以下步骤：

1)相位调制：由可调谐激光器发出的激光，通过第一光纤分路器分为功率相同的两束，其中一束通过相位调制器调制，调制信号为U₁(t)；

2)信号变频：经过相位调制器的光，通过第二光纤分路器分成相同功率的两束，其中一束经过第一声光移频器移频，另一束经过第二声光移频器移频，移频后的两束光经过第三光纤分路器合成一束，并输入光学谐振腔；第一光纤分路器分束后的另一束光经过第三声光移频器移频，移频后与光学谐振腔的输出光通过第四光纤分路器合成一束光，具体地：第一声光移频器的驱动信号为U₂(t)，第二声光移频器的驱动信号为U₃(t)，第三声光移频器的驱动信号为U₄(t)，每两束移频后的光再次混频就会得到频率为驱动信号频差的拍频信号，由此实现由光频域到射频域的下变频；

3)拍频信号解调：第四光纤分路器的输出信号经过光电转换器后分成两路电信号，其中一路电信号在第一信号解调模块中通过带通滤波器得到U₂(t)与U₄(t)的差频信号，再经过平方运算实现自混频，然后与U₁(t)相乘，在第一信号处理模块中经过低通滤波器后得到低频信号U₅(t)，输入到第一反馈锁定模块，第一反馈锁定模块的输出用于调整可调谐激光器的中心频率，使经过第一声光移频器后的激光锁定在光学谐振腔任意谐振峰的谐振频率上；另外一路电信号在第二信号解调模块中通过带通滤波器得到U₃(t)与U₄(t)的差频信号，经过平方运算实现自混频，然后与U₁(t)相乘，输出到第二信号处理模块，经过低通滤波器后得到低频信号U₆(t)；

4)自由谱线宽测量值输出：第二信号处理模块的输出值U₆(t)反映了U₂(t)、U₃(t)的差频与整数倍的自由谱线宽的差频，将该信号输出到第二反馈锁定模块，第二反馈锁定模块中的数字频率合成器生成驱动信号U₂(t)，使经过第二声光移频器移频后的光锁定在相邻的谐振峰上；此时U₂(t)与U₃(t)的差频作为自由谱线宽的测量值，输出到数据记录仪。