TWI336771B - Optical frequency measurement method and apparatus - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係為一種光頻量測方法及其裝置，尤其是有關於一種 矛J用口或兩台鎖模雷射光梳操作於不同的脈衝重複率來量測待 測雷射的光頻率，由拍頻之量測及偏差頻率與重複率而計算出產 生邊等拍頻的光梳序數差值，進而量測出產生該拍頻的光梳序數 及待測雷射頻率之方法及其裝置。 【先前技術】 自攸1999年德國韓命教授把飛秒(femt〇sec〇n(j)脈衝雷射應用 在铯，子的D1譜線的頻率量測後，鎖模(m〇de_1〇cked)雷射^光 頻計量的應用便開始受到矚目。 如圖1所示，在頻率域上鎖模雷射是由頻率間距相等的光梳 線所組成的光梳，每一支光梳線的頻率是脈衝重複頻率（的整數 倍加上一個偏差頻率f◦，亦即第n支光梳線的頻率&可由下列式 子表示： fn=nxfr+f。； 其中η為一正整數、fr是脈衝重複頻率或簡稱為重複率以及 f〇為栽波波封偏差頻率(carrier_envd〇pe 〇ffset fr叫uency)或簡稱偏 差頻率其中偏差頻率f。可由自參考咖如笆敗㈣口此)的 技術里測出來，如圖2所示為f_2f自參考技術(f_2f seif_referencing technique) ° 然而由自蒼考技術量測鎖模雷射偏差頻率時，介於0和fr之 間會測到兩個可能的值：f。及frf。，至於何者才是正確的偏差頻率 1336771 需要進一步判斷，依照定義的不同前兩個值分別加上重 數倍也可以定義成偏差鮮。另外，針對—個測到的拍頻f ς 蜊雷射的頻率fL比光梳線高或低4都會產生同樣的拍頻^失 知雷射的頻率可能為fL=nxfr+i；±fb或 L-nxfr+(fr-fo)±fb气㈣)xfr_f。土fb，由於n還有待決定，因此 獻將待測雷射的頻率fL表示成一個通式為： 又又 鳓 fL=nxfr±f0±fb ; 後面這種絲方法是差鮮縣可能料。。以 到的光梳序數值會有差別但是都可以得到_的待二 =率，本發_容解說將以前者的絲方法録科測雷射: =，也就是說光_鮮是重複率的整數倍加上—個正的偏差 正確的偏差鮮和拍頻的符號可以藉域變重複 率’然後根據拍頻的相對變化來判斷，至於光梳序數 樂 種傳統方法可先確定。第—種是藉由侧雷射_率之歷史量測 值’而且其中數值要能解_秦，才可確定n之數值1 ，方法是_波長儀來先確認待測雷射大概的鮮，若波長儀^ j率之2確度介於±fr/4，此種方法就可以判斷待測雷射的頻率 ，罪近那-根，梳線，從而決定n之數值。一般商用波長儀的準 確度約在2ΧΗΓ左右，此不較輯於⑽⑽波長㈣射而十， 會造成鮮上之不確度約為视此，因此光梳的_至少要°在 160MHz以上才可以配搭_波長儀來制光頻。 方法是馬龍生等人發表的方法，不需要利用波長儀就 可以決疋光梳的序號n。他們姻_台光梳測量在多組不同重複 6 1336771 率fr及fr'時與待測雷射的拍頻’同時紀錄重複率改變時光梳序數 的改變量m，得到一個公式可以計算光梳序數η (他們是用一般 文獻的表示方法來推導）： η唯f。’-(士f0)+m fr，士fb’-(士fb)]/(frf/) ⑴ 其中m為重複率由fr變為fr時光梳序數的改變量，&、y分 別為待測雷射和光梳的拍頻’ fr、fr·及f。、f。，分別為光梳被調整前 後的重複率和偏差頻率。由於他們當時無法唯一決定f。、f,、忿、 fb’的符號，上述公式t的堪均無m必f要^兩 個或兩個以上不同喊的量測結果才能夠在不同的組合中，把正 ，光梳序數η值計算出來’而^他們是藉由逐漸“重複率的 同時把光梳序數得變化逐一數出來，對於低重複率的雷射， 的光梳序數變化量將達上百，這樣的方法並不切實際。 ^述三種光頻量測方法，分別需要足夠之歷史量 及逐漸變化重複率把光梳序_總變化1全部“ 來，如此才旎彳于到待測雷射的頻率， 簡潔及適用於各種重複率之光頻量測方:、方法亚非一種明確、 方法利用鎖模雷射絕對量測光梳序數的 以適用於廣觀，95139292號翻巾請案），可 化方向可以判斷拍頻的符號，鈇， 设率W後根據拍頻的變 化方向判斷鎖模雷射的正$變偏差頻率，依據拍頻的變 法來說就是偏差頻率的符 頻率（如果以一般文獻的表示方 梳序數的方法是用兩種不^如圖3A及圖3B所示。其決定光 生拍頻，待測雷射_率可表^率的賴雷射光梳和待測雷射產 7 1336771 1336771 (2) (3) (4) 單地用微波頻率計數 fi=n fr丨+fol±fb| fL=(n+m) fr2+f〇2±fb2 由公式(2)及公式(3)可以推得： n=[m fr2+f〇2-f〇 I ±fb2-(±fb, )]/(fr, .fr2) 公式(4)中fr丨，fr2, f。丨，f〇2, fb丨，心都可以簡丁w卞_丨取 二里測’正確的f。】，f；2以及fbl，fb2的符號可以透過前述的方法決 定A式（4)和馬龍生等人導出的結果，除了偏差頻率的表示法 不同外二公式其實是-樣的。另外不同岐彭_等人揭示了一 種較為簡單的紐序數差值的制方法，敘述如下：由公式⑷ 可以導出m並且表示成下列的式子： / η m = — f〇l ± fb2 _ (土fbl) 'rl ' 11 "" if ^LZlsLy % -IlL·. j~〇2 ~ f〇i 土 fb2 _ (土fhl ) (5) frl f, « 其中正確的偏差頻率和拍頻的符號可用前述的方法 他們利用改變一個光梳序數所需的脈衝重複頻 率欠化里來$測出frl/n’如圖4A至圖4D所示，進用 公式（5) m的值計算出來’這樣的方法雖然 頭到尾把光梳序數的變化逐—數出來，已觀 ^ 的方法簡便，但是仍然需要逐漸改變重複率， 撼 頻是否恢復到原來的值兩次來判斷是否完成' 數的變化’這樣的方法依然耗時，不容易構成 的光頻量測儀器，無法快速完成光頻量測。Q目動化 緣此，本發明之發明人係研究出-種可《不需要掃猫 8 重複率就可以量測出 及待測雷射的頻率， 量測裝置。 m值的方法， ’以及一插裉搞 '万法’進而量測出光梳序數以 種根據這個方法設計的光頻率 【發明内容】 冬一種光頻量測方法及裝 以量測出鎖模雷射在不同 進而達成量測光梳序 本發明之主要目的係為提供· 置，其係不需要掃瞄重複率就可以 重複率量測光頻時的光梳序數差值 數及待測雷射頻率之目的。 目的’本發明係提供—縣頻量測方法 於f測一待測雷射之頻率，包含： 以至乂 口穩頻鎖模雷射光梳操作在不同之重複率 分別與該待測雷射產生兩拍頻； ^色散裝置量測待測雷射的概略頻率，並由該概略頻 率计异出與該待測雷射拍頻的概略光梳序數；以及 由重複率、偏差頻率、拍頻和該概略光梳序數計算產 生該兩拍頻的光梳線的光梳序數差值；或是 …將鎖模雷射光梳操作在第三種不同的重複率，這個重 複率和前兩重複率之一者相接近，使得其參與拍頻的光梳 序數疋相同的，由重複率、偏差頻率和拍頻量測計算出不 同光梳序數的差值；以及 由重複率、偏差頻率、拍頻以及該光梳序數差值計算 參與拍頻的光梳序數，進而量測出該待測雷射的頻率。 為達上述目的，本發明一 用於量測-待測雷射之頻率上頻量測裝置，係 頻率二鎖分別鎖在不同的參考 ·午也疋鎖疋於特定的頻率； 測雷射； —色散裝置， 之光梳色散開來， 光偵測器； 一光偵測器， 梳之間的拍頻； 一射頻濾波器 拍頻； 光麵合裝置，制於㈤合該等鎖模 雷射光梳和一待 係將通過該_合裝置之該等鎖模雷射 並將與待'貞彳雷射相同色散路徑之光打入 係用於偵測待測雷射所在的位置及與光 ，係用來過濾出該光偵測器所偵測到的 射頻頻率計數器，係用來量測該拍頻； 中央控制單70，係分別與該等射頻濾波器、計數哭 該，控制單元係用來執行本發明之光頻量測方： 並以,，，，員不單元顯示量測結果； =色散裝置掃目g控制II ’係分別與該中央控制單元及 色散裝置連接’該色散裝置掃瞄控制器係用以控制色散裝 置之位置以偵測待測雷射所在之位置並提供待測雷射‘ 概略頻率；以及 一鎖模雷射控制器，係分別與該中央控制單元及該等 鎖模雷射連接以控制該等鎖模雷射的頻率。 κ > 1336771 為使*審查委員對於本發明之結構目的和功 更進-步之了解與認同1配合圖示詳細說明如後。 【實施方式】 本發明的光頻量财法和前述之_ 的方法不同點是在於量測光梳序數差值爪的方法里== ^用於-台鎖模雷射光梳依序操作在不同的重複率量測 頻’或是用兩台_雷射光梳同時操作在不同的 =夺量測拍頻。待測雷射_率在不同重複率和各拍頻的 :述公式（2)和公式⑺所示，光梳序數η和光 ^序數差值_如前述公式⑷和公式（5)所示，並中 ，確的偏差解和拍頻㈣號可以藉由改變重複率或偏錢 率，然後根據拍頻的相對變化來判斷。 準確=述（5)中，…。““，冰 準確罝測，而m疋-個正整數，如果η可以先概略知道而 目對不確定度遠小於1/m ’那麼此η之值就足以提 = t 因此吾人只要在雙鎖模雷射光梳測頻的 裝置中加入類似單光儀⑽n〇chr〇meter)或者是光譜儀 (optical Spectrum anaJyzer)的架構就可以先大概確定待測 雷射的波長。 :本發月巾待測备射的概略頻率可以由光速除以波 長和空氣的折射率而得到，空氣的折射率值可視為I，並 誤差不會超過1/1000，如果需要較精確的空氣折射率也可 ^Edldn公式來得到。由這個 就可以把η概略量測出來，代入須羊和先梳的重複率 算出來，正確的m值是由公式（A5；M)，m值就可以計 近整數。再將正確的m值代（J异所得數值之最接 來，正確的η是最接近由公式(：)式可以把^量測出 公式（2)或（3) ^ 此外光梳絲的差值也相二Μ 模雷射的重解操作在三種不 到··該等鎖 率的值差別很小以致於參與拍中兩種重複 頻的光；序妻 ，而W &的差距小到使得參與拍 ㈣光k序數維持在n，假設 測雷射的解相表為： ㈣k在f。,，則待 fL-nxfr3+fOI±fb3 丄. (6) 从-ΰ ~— a式（2)⑶和（6)可以得到光梳序數的差值： »^_(Q — fr，)[C，一 f». 土 f. _ \ι π Λ (7) π、f公式f 7)計算正確的爪值，職待人公式⑷就 二η °十"出來。由公式⑷和公式（6)也可以把光 梳序數η推導出來： n=[±fb3-(±fb,)]/(frl-fr3) (g) 由於待測雷射是維持和同—根光梳產生拍頻，因此 frl-fr3的值很小’通常±fbH土fM)的不確定度會遠大於 12 1336771 frl-fr3，因此由公式（8)得到的n值的不確定度會遠大於 1，因此由公式（8)得到的η值只能說是概略光梳序數， 必翯將公式（8 )計算得到的η值代入公式（5 )中計算正 確的m，然後代入公式（4)才可以把精確的η計算出來， 這也疋本發明的精髓所在：先量測出光梳序數的差值，再 由光梳序數的差值計算得到正確的光梳序數。

*> 前述之方法亦可以是fr3很接近心，使得參與拍頻的光 梳序數維持在n+m ’假設此時偏差頻率是在f。2，則待測雷 射的頻率可以表為： fL=(n+m).fr3+f〇2±fb3 (9) 由公式（2)、（3)和（9)可以得到光梳序數的差值 n -fr2) m (10) 2將本發明之技術稍做延伸，勤ff3和ff2並非小到 使得參與拍頻的光梳序數會相同，而是有些許的變化，作 m許的光梳序數的變化量可以藉由逐漸變化心至 r3把，數的變化數出來，假設這時的光梳序數變為 n+一 ’也就是說待測雷㈣解可以表為 艾為 ^(n+m+k).fr3+f〇2±fb3 ⑴） 量逐漸變化W &把光梳序數的變化 數出I延日守m就可以表示成 m (12) 1336771 <像的万法亦不背離本發明〜π ' 光頻量測方法中，偏差頻率可以控制成：：：：發听的 表示法來說’其符號也是—樣），這樣可以在計管 先^序數或其差值時把偏差鮮消掉以簡化量測的計算。 使用兩台鎖模雷射光梳測頻的好處是不同重複 的拍頻可以同時量測，透過選擇適#的拍頻以及同

= ==*待測雷射的頻率擾動在計算光梳序 值或疋光^序數時中可以被消除掉，因此光梳序數 鄕值或是光梳序數的量測不受待測雷射頻率擾動的影 曰，可以快速完成光頻率的量測。使用一台 雖然沒有前義優點，但是在較長_分日㈣或 的重複率差距，上述方法亦可以完成待測f射頻率的量 測0

本發明的光頻量測裝置中包含兩台鎖 裝置係如圖5所示，包含： 模雷射光梳的 第一鎖模雷射5〇a與一第二鎖模雷射5〇b，立重複 率分別鎖在不㈣參考财上且偏差解也是敎 定的頻率； 一光耦合裝置52’係用於耦合該等鎖模雷射5〇a、5〇b 之光梳和一待測雷射51 ; 一組色散裝置53，係將經過光耦合裝置52之該第一 鎖模雷射50a與第二鎖模雷射5〇b之光梳色散開來，並將 與待測雷射51相同色散路徑之光打入光偵測器54 ; 14 1336771 —組光偵測器54，係u田松，上 位置以及與光梳之間的於偵測待測雷射W所在的 出的拍頻射頻濃波為55 ’係以用來過遽光偵測器54所測 一組射頻頻率計數哭 55連接，以用來量測拍；；係、刀別與該等射頻濾波器 号53 =單元57,齡财料射㈣波器、計數 元57包含一顯示單元(未示出)， 、控fi早7G 57係用來執行本發 以顯示單元顯示量栽果； ㈣里射法並 一色散裝置掃瞄控制器58 (或 器)’係分別與該中央控制單元及色散襄’置制 該^裝置掃抑制器58係用以控制色散裝置53之^置 雷射51所在之位置並提供待測雷射51之概略 及第一 Π!!，59,係分別與該中央控制單元57 3第鎖杈每射50a以及第二鎖模雷射5〇b連接 弟-鎖模雷射50a以及該第二鎖模雷射5%的頻率。工μ 為使本發明之裝置及方法更容易明瞭，請來 實施例，其t之it件連接方式係與圖5相同，故不再賛述。 如圖6所示，兩台穩頻的鎖模光纖雷射6 〇 a、的匕之 梳分別操作在不同的重複率，關於鎖模光纖雷射的 15 1336771 以參閱參考文獻（J.-L. Peng, H. Ahn，R.-H. Shu, H.-C. Chui and J. W. Nicholson, Applied Physics B 86, 49 (2007 ));待 .、 測雷射61透過光纖耦合器62和光纖雷射6〇a、6〇b之光梳 耦合在一起，调整偏極控制器62〇可以讓待測雷射6丨和 光梳的偏極投射到同一個方向，耦合的光束經過光柵63 色散開來之後’和待測雷射61㈣色散路徑的光束照射 到光偵測器64上；偵測到的拍頻經由射頻濾波器65遽出 來之後分別由兩台頻率計數器66量測拍頻，整個量測過 程由電腦67控制並顯示量測結果。 圖7為本發明之光頻量測方法中利用兩台鎖模雷射光 梳量測光頻的操作步驟，其中： 步驟71-由電腦控制鎖模雷射控制器將鎖模雷射6〇& 的重複率鎖在frl，偏差頻率鎖在f。丨，鎖定鎖模雷射6仙 的重複率鎖在L ’偏差頻率鎖在f。2，如果將正確的偏差 _ 頻率foi和f。2鎖定在相同的頻率可以簡化量測的步驟。 步驟72-將鎖模雷射光梳和待測雷射耦合在一起，以 i &散裝置渡出與待測雷射相同路徑之光打A光谓測器以 產生拍頻。如圖六所示，也就是將通往頻率量測的光梳阻 隔.，此動作可藉由關閉這一道光束的光放大器電源來執 打；然後，掃瞄光栅63使得待測雷射6丨照射到光偵測器 64上，此動作可根據光偵測器64上面的直流電壓信號來 判斷，然後讓光梳通過一起照射到光偵測器64。 步驟73-將鎖模雷射光梳分別操作在兩種不同的重複 率，量測與待測雷射產生第—和 所示，光偵測器6 4的交流輪出^―人拍頻的頻率。如圖六 頻信號，藉由㈣濾波器65 相雷射的拍 別由兩台微波頻率計數器66同步 ^過濾出來，再分 步驟％判斷拍頻的符號:稍;:::信，和心。 根據拍心和fb2的變化可^重複率&和^

判斷出正確的偏差頻 頻率^然後根據拍頻^的變化可 以判斷出正確的偏差頻率f〇2。

先梳序數差值的峨可以先經由步驟麻，由校正過 ，光栅63可以知道待難射61的概略解，由此概略頻 率及光梳錢率相計算概㈣純絲η，再由步驟 7?由么式（5)计异m值，其中拍頻的符號要依據實際 的量測做相對應的難；由於量測誤差之故，因此正確之 m值疋最接近由公式⑴計算所得數值的整數。 光梳序數差值的判斷也可以由步驟76B將重複率 或是fr2改變到第三種重複率L，並量測與待測雷射的第 二拍頻，此重複率的改變量小，因此其參與拍頻的光梳序 數沒有改變，依步驟74決定拍頻的符號後，可以經由步 驟77B，由公式（7)或（1〇)計算光梳序數差值。 步驟78-由公式（4)計算n值，其中拍頻的符號要依 據貝際的里測做相對應的調整；由於量測誤差之故，因此 17 1336771

= 由公式（4)計算料數值的整數。 其或（3)__61之頻率， 八、二二仃k要依據貝際的量測做相對應的調整。 以一 σ鎖模雷射光梳的光 步驟，只是這時在列重㈣ϋ / Μ㈣㈣㈣ 是先後經由物物麻㈣量測’而 不处所述者’僅為本發明之最佳實施態樣爾，冬 專^圍=本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申i 、了甚二/之均等變化與修倚，皆應仍屬於本發明專利 圍内’謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准月3

【圖式簡單說明】 圖1係為習知技術中 基本架構圖； 圖2係為習知技術中 說明圖； 利用光梳頻率量測未知雷射頻率之 利用f-2f自參考技術量測偏差頻率之 =====量：改變- =5係為本發明光頻量測裝置之系統示意圖； 為本發明光頻量測裝置之-實施例；以及 18 1336771 圖7係為本發明光頻量測方法之流程圖。 【主要元件符號說明】 50a-第一鎖模雷射 50b-第二鎖模雷射 51- 待測雷射 52- 光耦合裝置 53- 色散裝置 54- 光偵測器 55- 射頻濾波器 56- 射頻頻率計數器 57- 中央控制單元 58- 色散裝置掃瞄控制器 59- 鎖模雷射控制器 60a-鎖模光纖雷射 60b-鎖模光纖雷射 61- 待測雷射 62- 光纖辆合器 63- 光柵 64- 光偵測器 65- 射頻濾波器 66- 射頻頻率計數器 67- 電腦 19 1336771 68- 光柵掃瞄控制器 69- 鎖模雷射控制器 620-偏極控制器

Claims (1)

1. 十、申請專利範圍： ^種光頻量測方法，用於㈣—待測雷射之頻率，包 含： 、 以至少:台穩頻鎖模雷射光梳操作在不同之第一和第 重複率刀別與该待測雷射產生第一和第二拍頻； 由該等鎖模雷射光梳的重複率、偏差頻率、該兩拍頻以 ί產生該第一拍頻和該第二拍頻的光梳序數差值計 π X兩σ鎖模雷射光梳產生該兩拍頻的光梳序數， 由^等重複率、偏差料、該等拍齡及該光梳序數計 算出該待測雷射的頻率。 2. :口申請f利範圍第！項之光頻量測方法，更包含：以色 政裝置5_待測雷射的概略頻率，並由該概略頻率、 該等穩頻鎖模雷射的重複率計算出該待測雷射的概略 光梳序數；以及 由該等鎖模f射的重複率、偏差頻率、該兩拍頻和該概 略光梳序數計算參與產生該第—拍頻和該第二拍頻的 光梳序數差值。 3. 如申凊專利範圍第1項之光頻量測方法，更包含：將該 等鎖模雷射光梳操作在不同的第三重複率與該待測雷 射產生第三拍頻，該第三重複率和該第一或第二重複率 相近，以致於使得該兩相近重復率鎖模雷射光梳參與產 生拍頻的光梳序數是相同的，由該第一、第二、第二重 複率、偏差頻率和該第一、第二、第三拍頻計算出產生 = Ϊ該第二拍頻的光梳序數差值。 化該等鎖模ίΚ二項，光頻量測方法，其更包含:變 方向判斷計算待率’錢根據拍頻的相對應變化 5.如申請專時所需之拍頻符號。 :匕，斷該等鎖模雷射的正確偏差的相對應變 置係為光栅。 法其中該色散裝 =申請專觀_ 2項之絲量财法 置係為稜鏡。 -、中忒色散裝 \種光頻量測裝置，用於量測―待測雷射之頻率，包 -至少一鎖模雷射’其重複率係分別鎖在不同的 頻率上且偏差頻率也是鎖定於特定的頻率； > 考 -光柄合裝置，係用純合該等鎖模f射之光 待測雷射； ” σ -色散裝置’係將經過該純合|置之該等鎖模 之光梳色散開來，並將與待測雷射相同色散路句 光打入光偵測器； #之 一光偵測益，係用於偵測待測雷射與光梳之間的拍頰· 一射頻濾波器’係用來過濾出該光偵測器所僧測到、的 拍頻； 22 二射頻頻率計數器’係用來量測拍頻的頻率； 控::！元’係分別與該等射頻濾波器、計數器 μ纟控制單元制來執行本發明之光頻量 —測方法独顯示單元顯示量測結果； ^^置掃％控制器’係分別與該中央控制單元及 „置連接’該色散裝置掃瞄控制器係用以控制 置之位置以偵測待測雷射所在之位置或是提 供待測雷射之概略頻率；以及 —係分別與該中央控制單元及該等 鎖核雷射連接以控制該等鎖模雷射的頻率。 請專職圍第8項之光頻量測裝置，其 制早元更包含-顯示單元。 τ天控 〇·如中4專利圍第8項之光頻量測裝置，其中 央控制單元係為電腦。 23