CN103674497B - 窄线宽激光器线宽高精度测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种窄线宽激光器线宽高精度测量***,包括第一光耦合器与第二光耦合器;第一光耦合器的a端口与待测激光光源相连,其b端口通过光电探测器与信号接收单元相连,其c端口通过隔离器与第二光耦合器的f端口相连,其d端口与第二光耦合器的e端口相连;第二光耦合器的g端口经光纤延迟线与反射面相连;由反射面外腔反馈而两次经过光纤延迟线的光经第二光耦合器的g端口与其f端口的光产生拍频信号,该拍频信号经第一光耦合器的b端口输出,并由光电探测器转换为电流信号,该电流信号由信号接收单元接收并获得相应的洛伦兹线形的光电流谱线;光电流谱线的半高宽即为待测激光光源的线宽。本发明结构简单、紧凑,易实现,成本低,精度高。
Description
技术领域
本发明涉及激光线宽的测量技术,具体地说是一种窄线宽激光器线宽高精度测量***。
背景技术
随着光纤通信网络、密集波分复用(DWDM)***和相干光通信***的发展,单频激光器因其线宽窄且与通信***兼容以及在DWDM进一步扩容上的应用前景受到人们的重视。同时窄线宽光纤激光器因其线宽窄、噪声低、抗电磁干扰、安全和可远程控制等特性,广泛应用于光纤通信、光纤传感、光纤遥感、矿井检测及高精密光谱等领域。另外,大功率窄线宽单频光纤激光器在军事和测距等领域中也有着重要意义。
对于窄线宽的光源信号,其输出谱线的线宽是衡量***噪声性能的重要指标。在实际应用中,光源线宽通常在千赫兹量级,这对窄线宽激光器的线宽测量提出了很高的要求。传统的光频谱分析仪精度一般都在0.02nm,扫描式法布里-珀罗(F-P)干涉仪的光频分辨率在兆赫兹量级,均难以满足测量精度。
对于线宽在10MHz以下的光源,常采用传统的延时自零差法、延时自外差法和布里渊光纤环形激光器拍频法。传统的延时自零差法和延时自外差法的基本原理都是将一路入射光分成两路,将其中一路光用光纤延时后,使两路光相拍,经光电转换,在频谱分析仪上得到相拍后的光电流谱线,从延时光电流谱线确定出激光器线宽。不同的是前者参考光和测试光频率差为零,整个***工作在零频附近,而后者采用声光调制器使信号光与参考光产生一定的频率差,从而使得***工作在非零频的中频附近,便于在测量中数值的读取,但是这也使得***比较复杂,对实验精确性及成本的要求都很高。另外二者均要求延时光纤长度大于被测激光器的相干长度,而且线宽越窄所使用的光纤越长,否则测量结果将大于实际线宽。布里渊光纤环形激光器拍频法是指使待测激光与一束参考光干涉产生拍频,通过频谱分析仪测量拍频宽度,从而得到待测激光的线宽。这是由于作为参考光的布里渊光纤环形激光器的线宽极窄,所以待测激光谱线中心与零线宽的参考激光频率之差为拍频的频谱中心,而且拍频宽度与待测激光的线宽相等。该方法使用布里渊光纤环形激光器的二阶Stokes光作为参考激光,而且仅使用10m左右的光纤,与前两种方法相比大大简化了测量装置。二阶Stokes光具有极窄的线宽,因此测量精度高,但是该方法的最大限制是不能测量较宽的激光线宽,而且要获得二阶Stokes光需要较大的注入功率,对于低功率的激光器无法实现测试。其中Stokes散色光定义为一频率为v1的泵浦光注入光纤时,光波与介质晶体结构互作用产生一个频率为v2的声振动,在泵浦光的反方向上产生频移为v3=v1-v2的Stokes散色光。
发明内容
本发明针对上述问题,提供一种窄线宽激光器线宽高精度测量***,该***结构简单,制作成本低,体积小并且易于实现。
按照本发明的技术方案:一种窄线宽激光器线宽高精度测量***,包括第一光耦合器与第二光耦合器,所述第一光耦合器具有a、b、c、d四个端口,所述第二光耦合器具有e、f、g三个端口;所述第一光耦合器的a端口与待测激光光源相连,其b端口通过光电探测器与信号接收单元相连,其c端口通过隔离器与所述第二光耦合器的f端口相连,其d端口与所述第二光耦合器的e端口相连;所述第二光耦合器的g端口经光纤延迟线与反射面相连;由所述反射面外腔反馈而两次经过所述光纤延迟线的光经所述第二光耦合器的g端口与其f端口的光产生拍频信号,该拍频信号经所述第一光耦合器的b端口输出,并由所述光电探测器转换为电流信号,该电流信号由所述信号接收单元接收并获得相应的洛伦兹线形的光电流谱线;所述光电流谱线的半高宽即为所述待测激光光源的线宽。
所述反射面为耦合器二输出端融合形成的环形镜构成的反射面。
所述反射面为具有反射特性的马赫曾德干涉器、法布里-泊罗干涉仪或萨格奈克干涉仪。
所述反射面为一八度角APC跳线头与一陶瓷套管表面黏贴介质膜构成的外腔。
所述反射面为一平角PC跳线头与一陶瓷套管表面黏贴介质膜构成具有一定反射率的法布里珀罗腔构成的外腔。
所述反射面为表面涂有介质膜的裸光纤平切面。
所述介质膜为非金属介质膜或金属介质膜;所述非金属介质膜的材料为石墨烯或碳化硅,所述金属介质膜的材料包括金银铜铁铝锌。
所述介质膜为采用电镀、化学镀、脉冲激光沉积、化学气相沉积、分子束外延、溶胶凝胶、磁控溅射、氧化法、离子注入法、扩散法、电镀法、涂布法或液相生成法通过镀膜方法获得。
所述信号接收单元采用频谱分析仪、示波器或数据采集卡。
所述第一光耦合器与所述隔离器之间加入一个声光移频器,实现自外差法测量激光线宽***。
本发明的技术效果在于:本发明采用具有外腔反馈的自零差法测量线宽,结构简单、紧凑,易实现,成本低,而且相比于传统的自零差法测量线宽***,相同长度的光纤延迟线精度更高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
图1中,包括待测激光光源1、第一光耦合器2、隔离器3、第二光耦合器4、光纤延迟线5、反射面6、光电探测器7、信号接收单元8。
如图1所示,本发明是一种基于外腔反馈自零差法的窄线宽激光器线宽高精度测量***,包括第一光耦合器2与第二光耦合器4,第一光耦合器2具有a、b、c、d四个端口,第二光耦合器4具有e、f、g三个端口;第一光耦合器2的a端口与待测激光光源1相连,其b端口通过光电探测器7与信号接收单元8相连,其c端口通过隔离器3与第二光耦合器4的f端口相连,其d端口与第二光耦合器4的e端口相连;第二光耦合器4的g端口经光纤延迟线5与反射面6相连。
待测激光光源1输出光信号经第一光耦合器2后分成两路光;一路光经隔离器3进入第二光耦合器4,另一路光经第二光耦合器4和光纤延迟线5导入到反射面6上,经反射面6反馈的光信号再次经过光纤延迟线5进入第二光耦合器4并与前一路光产生拍频信号。由反射面6外腔反馈而两次经过光纤延迟线5的光经第二光耦合器4的g端口与其f端口的光产生拍频信号,该拍频信号经第一光耦合器2的b端口输出,并由光电探测器7转换为电流信号,该电流信号由信号接收单元8接收并获得相应的洛伦兹线形的光电流谱线;光电流谱线的半高宽即为待测激光光源1的线宽。
反射面6包括以下类型:1、为耦合器二输出端融合形成的环形镜构成的反射面;2、为具有反射特性的马赫曾德干涉器、法布里-泊罗干涉仪或萨格奈克干涉仪;3、为一八度角APC跳线头与一陶瓷套管表面黏贴介质膜构成的外腔;4、为一平角PC跳线头与一陶瓷套管表面黏贴介质膜构成具有一定反射率的法布里珀罗腔构成的外腔;5、为表面涂有介质膜的裸光纤平切面。
上述介质膜为非金属介质膜或金属介质膜。非金属介质膜的材料为石墨烯或碳化硅,金属介质膜的材料包括金银铜铁铝锌。
介质膜为采用电镀、化学镀、脉冲激光沉积、化学气相沉积、分子束外延、溶胶凝胶、磁控溅射、氧化法、离子注入法、扩散法、电镀法、涂布法或液相生成法通过镀膜方法获得。
信号接收单元8采用频谱分析仪、示波器或数据采集卡。信号接收单元8可以为频谱分析仪获取洛伦兹曲线的数据,也可以为示波器采集电信息再经过傅里叶变化获得洛伦兹曲线,还可以为数据采集卡获取洛伦兹曲线的数据。
第一光耦合器2与隔离器3之间加入一个声光移频器,即可实现自外差法测量激光线宽***。
单模激光可以认为是一个振幅稳定,相位有扰动的准单色电磁场
(1)
式中为振幅,为光场的中心频率,表示相位的随机波动,它导致谱线的展宽。
当采用光纤延迟零拍法时,其合成光场可表示为
(2)
式中代表两光束之间的分光振幅比,代表光纤延迟时间。
光电探测器将E(t)中相位随机波动转化为强度噪声,反映为光电流的频谱宽度。这里引入光电流自相关函数,它取决于(2)式所决定的干涉后的光场强度相关函数,如下式
(3)
式(3)中e为电子电荷,为光电探测器灵敏度,即为函数,为第一阶光电流强度相关函数,其定义为:
(4)
在该过程中,将相位随机变化设成平稳高斯随机过程。根据Wiener-Khintchine公式和,其中、分别是光电流功率谱密度函数和自相关函数,通过对自相关函数进行傅里叶变换即可得到光电流的谱密度。经推导可得
(5)
其中为光电探测器的灵敏度,(,n为单模光纤的折射率,L为光纤延迟线的长度,c为真空中传播的光速),为两束光之间的相位差,式中表现为准洛伦兹线型,其半高全宽(FWHM)为,是被测激光线宽的两倍。因此只需要测量光电流的谱宽,就可以准确的得到被测激光器的线宽。
本发明采用一种基于外腔反馈自零差法的窄线宽激光器线宽高精度测量***,相对于传统的零差法,结构更加简单、紧凑、易实现、成本低,对于相同长度的光纤延长线,精度可提高一倍。
Claims (10)
1.一种窄线宽激光器线宽高精度测量***,其特征是:包括第一光耦合器(2)与第二光耦合器(4),所述第一光耦合器(2)具有a、b、c、d四个端口,所述第二光耦合器(4)具有e、f、g三个端口;所述第一光耦合器(2)的a端口与待测激光光源(1)相连,其b端口通过光电探测器(7)与信号接收单元(8)相连,其c端口通过隔离器(3)与所述第二光耦合器(4)的f端口相连,其d端口与所述第二光耦合器(4)的e端口相连;所述第二光耦合器(4)的g端口经光纤延迟线(5)与反射面(6)相连;由所述反射面(6)外腔反馈而两次经过所述光纤延迟线(5)的光经所述第二光耦合器(4)的g端口与其f端口的光产生拍频信号,该拍频信号经所述第一光耦合器(2)的b端口输出,并由所述光电探测器(7)转换为电流信号,该电流信号由所述信号接收单元(8)接收并获得相应的洛伦兹线形的光电流谱线;所述光电流谱线的半高宽即为所述待测激光光源(1)的线宽。
2.按照权利要求1所述的窄线宽激光器线宽高精度测量***,其特征是:所述反射面(6)为耦合器二输出端融合形成的环形镜构成的反射面。
3.按照权利要求1所述的窄线宽激光器线宽高精度测量***,其特征是:所述反射面(6)为具有反射特性的马赫曾德干涉器、法布里-泊罗干涉仪或萨格奈克干涉仪。
4.按照权利要求1所述的窄线宽激光器线宽高精度测量***,其特征是:所述反射面(6)为一八度角APC跳线头与一陶瓷套管表面黏贴介质膜构成的外腔。
5.按照权利要求1所述的窄线宽激光器线宽高精度测量***,其特征是:所述反射面(6)为一平角PC跳线头与一陶瓷套管表面黏贴介质膜构成具有一定反射率的法布里珀罗腔构成的外腔。
6.按照权利要求1所述的窄线宽激光器线宽高精度测量***,其特征是:所述反射面(6)为表面涂有介质膜的裸光纤平切面。
7.按照权利要求4或5或6所述的窄线宽激光器线宽高精度测量***,其特征是:所述介质膜为非金属介质膜或金属介质膜;所述非金属介质膜的材料为石墨烯或碳化硅,所述金属介质膜的材料包括金、银、铜、铁、铝或锌。
8.按照权利要求7所述的窄线宽激光器线宽高精度测量***,其特征是:所述介质膜为采用电镀、化学镀、脉冲激光沉积、化学气相沉积、分子束外延、溶胶凝胶、磁控溅射、氧化法、离子注入法、扩散法、电镀法、涂布法或液相生成法通过镀膜方法获得。
9.按照权利要求1所述的窄线宽激光器线宽高精度测量***,其特征是:所述信号接收单元(8)采用频谱分析仪、示波器或数据采集卡。
10.按照权利要求1所述的窄线宽激光器线宽高精度测量***,其特征是:所述第一光耦合器(2)与所述隔离器(3)之间加入一个声光移频器,实现自外差法测量激光线宽***。
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