一種基于電光調(diào)制器和可調(diào)射頻源的激光線寬測量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及窄線寬激光器線寬測量領(lǐng)域，具體涉及一種基于電光調(diào)制器和可調(diào)射 頻源的激光線寬測量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，窄線寬激光器(kHz及kHz以下量級）被廣泛的應(yīng)用于光纖通信，光纖傳感 和光學(xué)精密測量等領(lǐng)域。伴隨著光通信產(chǎn)業(yè)的成熟與發(fā)展，大批高性能激光器的成本不斷 降低，尤其是半導(dǎo)體激光器，其輸出功率和線寬特性均有很大提升。因此，準(zhǔn)確的測量激光 器線寬對評價一個激光器的性能顯得尤為重要。已有的激光器線寬測量方法可以分為兩 類:儀器測量法和外差測量法。儀器測量法指通過光譜儀或者法布里-珀羅干涉儀利用輸出 光譜直接測量激光器的線寬。這兩種儀器雖然在技術(shù)上比較成熟，但其測量精度和分辨率 遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足目前激光器線寬已達(dá)到千赫茲量級的測量要求。外差測量法包括延時自外差 法和損耗自補(bǔ)償循環(huán)延時自外差法。其中延時自外差法利用雙光路干涉的原理實現(xiàn)了激光 線寬的自外差測量。與傳統(tǒng)的儀器直接測量法相比，延時自外差法的測量精度有所提高。但 由于延時自外差法的測量精度和測量范圍均受光纖延時線長度的限制，因此無法適應(yīng)未來 激光器線寬持續(xù)變窄的發(fā)展趨勢。而損耗自補(bǔ)償循環(huán)延時自外差法利用多光束干涉的原 理，將光纖延時線和摻鉺光纖放大器連接在了光纖環(huán)形腔中，使得光信號能在環(huán)形腔中多 次循環(huán)，克服了光纖延時線長度對系統(tǒng)測量精度的限制。因此，該方法是滿足半導(dǎo)體激光器 未來發(fā)展趨勢的激光線寬測量方式。
[0003] 損耗自補(bǔ)償循環(huán)延時自外差法具有靈敏度高，實時性好等優(yōu)點，已在激光線寬測 量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在前期研究過程中我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的損耗自補(bǔ)償循環(huán)延時自外差法 的移頻部分采用的是聲光調(diào)制器，它的移頻范圍只到兆赫茲量級，并且頻率可調(diào)范圍較小。 而在保證系統(tǒng)靈敏度的前提下，移頻器移頻量越高，相鄰拍頻譜間隔越大，則測量值越準(zhǔn) 確，并且移頻器的可調(diào)帶寬越寬則線寬的測量范圍越大。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對窄線寬激光器測量存在的上述不足，提出了一 種基于電光調(diào)制器和可調(diào)射頻源的激光線寬測量系統(tǒng)及方法，擴(kuò)大移頻量和可調(diào)帶寬范 圍，減少光信號在系統(tǒng)中傳輸時的損耗，最終獲得波形更為穩(wěn)定，強(qiáng)度更高的拍頻信號。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種基于電光調(diào)制器和可調(diào)射頻源的激光線寬測量系統(tǒng)，包括待測激光器、光隔 離器、2X2光纖耦合器、集成光電探測器、頻譜分析儀以及移頻光纖環(huán)，待測激光器的輸出 端經(jīng)光隔離器與2 X 2光纖親合器的輸入端口 A相連，2 X 2光纖親合器的輸出端口 C與光電探 測器的輸入端相連，光電探測器的輸出端與頻譜分析儀連接，移頻光纖環(huán)連接在2X2光纖 耦合器的輸出端口D與輸入端口C之間，至少包括由電光調(diào)制器和可調(diào)射頻源組成的移頻裝 置以及光纖延時線，可調(diào)射頻源用于為電光調(diào)制器提供移頻量可調(diào)的射頻驅(qū)動信號。
[0007] 按上述方案，所述移頻光纖環(huán)具體包括光纖延時線、偏振控制器、電光調(diào)制器、可 調(diào)射頻源、1 X 2光親合器、光譜分析儀、光放大器和光濾波器，2 X 2光纖親合器的輸出端口 D、光纖延時線、偏振控制器、電光調(diào)制器、光放大器、光濾波器、2 X 2光纖親合器的輸入端口 B依次首尾連接組成光纖環(huán)形腔，可調(diào)射頻源與電光調(diào)制器連接，電光調(diào)制器的一個輸出端 經(jīng)1X2光耦合器后一路與光放大器連接、另一路與光譜分析儀連接。
[0008] 按上述方案，所述2X2光纖耦合器采用90/10的2X2耦合器，10%光信號耦合入光 纖環(huán)形腔中。
[0009] 按上述方案，所述光放大器采用摻鉺光纖放大器。
[0010] 按上述方案，所述光濾波器采用可調(diào)光柵濾波器。
[0011] 按上述方案，所述光電探測器采用帶放大電路的光電二極管。
[0012] 本發(fā)明還提供了一種上述基于電光調(diào)制器和可調(diào)射頻源的激光線寬測量系統(tǒng)的 測量方法，包括以下步驟：
[0013] S1、待測激光器發(fā)出的光經(jīng)光隔離器注入到2 X 2光纖耦合器中，2 X 2光纖耦合器 輸出端的其中一路光耦合到光纖環(huán)形腔中、另一路光進(jìn)入光電探測器；
[0014] S2、注入光纖環(huán)形腔中的光信號經(jīng)過一段光纖延時線進(jìn)行延時得到延時光信號；
[0015] S3、利用偏振控制器調(diào)整步驟S2中所獲得的延時光信號的偏振態(tài)，使其有利于后 期電光調(diào)制器的調(diào)制以及光信號的拍頻；
[0016] S4、偏振態(tài)調(diào)制后的延時光信號注入到電光調(diào)制器中進(jìn)行調(diào)制得到調(diào)制波形信 號，并由可調(diào)射頻源為電光調(diào)制器提供射頻驅(qū)動信號，在電光調(diào)制器的輸出端連接一個IX 2光親合器，光親合器輸出端的其中一路調(diào)制波形信號注入到光譜分析儀中監(jiān)控輸出光的 調(diào)制波形、另一路調(diào)制波形信號注入到光放大器中；
[0017] S5、步驟S4獲得的調(diào)制波形信號注入到光放大器中進(jìn)行放大，補(bǔ)償步驟S2中經(jīng)過 光纖延時線產(chǎn)生的功率損耗；
[0018] S6、步驟S5中放大后的光信號經(jīng)光濾波器進(jìn)行濾波，剔除經(jīng)光放大器放大后產(chǎn)生 的自發(fā)福射噪聲；
[0019] S7、步驟S6獲得的光信號重新注入到2X2光纖耦合器中進(jìn)行光拍頻，產(chǎn)生新的拍 頻信號；
[0020] S8、步驟S7獲得的光拍頻信號一部分注入到光纖環(huán)形腔中繼續(xù)循環(huán)，另一部分注 入到光電探測器中將光拍頻信號轉(zhuǎn)變成電信號，并對其進(jìn)行放大；
[0021] S9、步驟S8獲得的電信號注入到頻譜分析儀中顯示其拍頻譜曲線，并對頻譜數(shù)據(jù) 進(jìn)行米樣；
[0022] S10、步驟S9中的采樣結(jié)果交由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，最終得出待測激光器的線 寬。
[0023] 按上述方案，所述步驟S4中的電光調(diào)制器是工作在載波抑制工作點的馬赫增德爾 電光調(diào)制器，通過控制可調(diào)射頻源7輸出信號的頻率實時調(diào)整拍頻信號的頻移量，當(dāng)拍頻譜 最穩(wěn)定的時候提取拍頻信號。
[0024] 按上述方案，所述步驟S4中的可調(diào)射頻源是自制的射頻信號源模塊，通過計算機(jī) 對其進(jìn)行3 k Η z~3 G Η z的射頻信號輸出控制，頻率分辨率為1Η z，電平范圍為-110 d B m~ lOdBm。
[0025]按上述方案，所述步驟S10中的數(shù)據(jù)擬合采用洛倫茲擬合獲得擬合曲線，通過測量 擬合曲線的3dB帶寬，最終計算得到待測激光器輸出光譜的半高全寬值。
[0026] 本發(fā)明的工作原理：
[0027] 假設(shè)待測激光器輸出光的振幅為Eo,角頻率為ω。，相位差為φ(〇,則待測激光器 的輸出光場方程為：
[0028] E(t) =Eoexp{ j[ ωct+ Φ (t)]}
[0029] 電光調(diào)制器調(diào)制后的輸出光場方程為：
[0030]
[0031] 式中Α(β)為一階貝塞爾函數(shù)，c〇RF為可調(diào)射頻源輸出信號的頻率。
[0032] 對于延時自外差系統(tǒng)，光電探測器輸出信號的功率譜密度函數(shù)可表示成：
[0033]
[0034] 式中1〇是入射光強(qiáng)度是激光器固有時間。
[0035] 當(dāng)光信號在光纖環(huán)形腔中傳輸之后，由于多光束干涉的影響，m階拍頻譜的頻譜函 數(shù)S(co)可以表示成：
[0036]
[0037]
[0038] 式中γ為光纖環(huán)形腔的增益，α為2X2光纖耦合器的分光比，το是光纖延時線的延 遲時間。測量時當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)使得γ2=α即可消除多光束干涉對拍頻譜的影響，從而實 現(xiàn)對激光器線寬進(jìn)行直接測量。
[0039] 與其他類型的激光線寬測量方法相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0040] 1、本發(fā)明利用電光調(diào)制器和自制的可調(diào)射頻源組成了一個新的移頻裝置，使用電 光調(diào)制器作為移頻器，相對于聲光調(diào)制器，電光調(diào)制器的移頻量級擴(kuò)大至吉赫茲，具有更小 的插入損耗更低的驅(qū)動電壓，從而使相鄰拍頻譜能夠完全分離開來，提高了系統(tǒng)的測量精 度；
[0041] 2、利用可調(diào)射頻源為電光調(diào)制器提供調(diào)制信號，通過控制射頻源注入到電光調(diào)制 器的調(diào)制頻率從而實現(xiàn)移頻量的實時可調(diào)，該方法能隨時連續(xù)改變移頻器的移頻量，確保 最終獲得穩(wěn)定的拍頻譜線；
[0042] 3、該移頻方式能廣泛的應(yīng)用于延時自外差激光線寬測量法和損耗自補(bǔ)償循環(huán)延 時自外差激光線寬測量法中，在實際測量中，我們利用該系統(tǒng)對100kHz線寬量級激光器實 現(xiàn)了分辨率為± 7kHz的激光線寬測量;將可調(diào)帶寬范圍擴(kuò)大至10GHz，線寬測量極限達(dá)到 lHz〇
【附圖說明】
[0043]圖1為本發(fā)明基于電光調(diào)制器和可調(diào)射頻源的激光線寬測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0044]圖1中，1-待測激光器，2-光隔離器，3-2 X 2光纖耦合器，4-光纖延時線，5-偏振控 制器，6-電光調(diào)制器，7-可調(diào)射頻源，8-1X2光纖耦合器，9-光譜分析儀，10-光放大器，11-光濾波器，12-光電探測器，13-頻譜分析儀；
[0045] 圖2為本發(fā)明電光調(diào)制器輸出光譜圖；
[0046] 圖3為本發(fā)明光電探測器輸出頻譜圖；
[0047] 圖4為本發(fā)明頻譜分析儀采樣的頻譜數(shù)據(jù)與計算機(jī)擬合曲線結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0048] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本 發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0049] 參照圖1所示，本發(fā)明所述的基于電光調(diào)制器和可調(diào)射頻源的激光線寬測量系統(tǒng)， 包括待測激光器1、光隔離器2、2X2光纖耦合器3、集成光電探測器12、頻譜分析儀13以及移 頻光纖環(huán)，待測激光器1的輸出端經(jīng)光隔離器2與2X2光纖耦合器3的輸入端口 A相連，2X2 光纖親合器3的輸出端口 C與光電探測器12的輸入端相連，光電探測器12的輸出端與頻譜分 析儀13連接，移頻光纖環(huán)連接在2 X 2光纖耦合器3的輸出端口D與輸入端口 C之間，至少包括 由電光調(diào)制器6和可調(diào)射頻源7組成的移頻裝置以及光纖延時線4,可調(diào)射頻源7用于為