測量半導體激光器瞬時調(diào)諧光譜的方法
【專利摘要】一種測量半導體激光器調(diào)諧瞬時光譜的測量方法，步驟：經(jīng)光電放大探測器接收短時延自外差測量系統(tǒng)在鋸齒波電流調(diào)諧下的激光外差電壓信號，送數(shù)字示波器存儲；將獲取的激光外差電壓信號進行分層；利用直流電壓和光電放大探測器的轉(zhuǎn)換系數(shù)推算激光器的瞬時輸出功率；確定載波信號的瞬時頻率，推算激光器的瞬時輸出波長；由噪聲信號確定激光器輸出信號的線型和瞬時線寬；利用上述步驟中得到的瞬時輸出光功率、光波長及線型、線寬模擬瞬時調(diào)諧光譜。這種測量方法，能夠同時獲知調(diào)諧過程中的瞬時輸出光功率、光波長及線型、線寬，并利用這些瞬時參數(shù)模擬瞬時調(diào)諧光譜，實現(xiàn)對其進行精準測量的目的，方法簡單可靠，準確率高。
【專利說明】
測量半導體激光器瞬時調(diào)諧光譜的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種半導體激光器在連續(xù)電流調(diào)諧狀態(tài)時的瞬時輸出光譜的測量方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光器在連續(xù)電流調(diào)諧過程中的瞬時輸出光譜是一個以瞬時波長為中心頻率、有 一定線寬的洛倫茲線型信號，其幅度、中心波長均受電流調(diào)諧，是電流的函數(shù)，線寬則呈現(xiàn) 隨機性，在厘米級短光程差相干測量中，譜線線寬與差拍信號中的攜帶的噪聲密切相關(guān)。
[0003] 要描述瞬時調(diào)諧光譜，需要獲知在連續(xù)電流調(diào)諧過程中的瞬時光功率、光波長、光 線寬及線型。雖然可以用光功率計測量激光器的輸出光功率，再用光譜儀測量光波長和線 寬，但是測量過程繁瑣，不僅光譜參數(shù)不能同時獲得，并且在電流連續(xù)調(diào)諧時，激光器輸出 的功率、波長、線寬是瞬變的，光功率計和光譜儀無法滿足測量要求。近年來，用光外差方法 獲得差拍信號，利用時頻分析方法可以獲知調(diào)諧過程中的瞬時線寬，精度高，測量設備結(jié)構(gòu) 簡單，但是目前沒有一個能同時獲知輸出光功率、線寬、線寬和波長，進而獲知半導體激光 器瞬時調(diào)諧光譜的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決半導體激光器在連續(xù)電流調(diào)諧過程中的瞬時光譜測量的技術(shù)問題，本發(fā) 明提供一種同時獲知調(diào)諧過程中的瞬時輸出光功率、光波長及線型、線寬，并利用這些瞬時 參數(shù)模擬瞬時調(diào)諧光譜的測量方法。
[0005] 解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種測量半導體激光器調(diào)諧瞬時光譜的測量方法，該測量方法包括下述步驟：
[0007] (1)經(jīng)光電放大探測器接收短時延自外差測量系統(tǒng)在鋸齒波電流調(diào)諧下的激光外 差電壓信號，送數(shù)字示波器存儲；
[0008] (2)將獲取的激光外差電壓信號進行分層，分離出直流電壓、純載波及噪聲信號三 部分；
[0009] (3)利用直流電壓和光電放大探測器的轉(zhuǎn)換系數(shù)推算激光器的瞬時輸出功率；
[001 0] (4)確定載波信號的瞬時頻率，推算激光器的瞬時輸出波長；
[0011] (5)由噪聲信號確定激光器輸出信號的線型和瞬時線寬；
[0012] (6)利用上述步驟中得到的瞬時輸出光功率、光波長及線型、線寬模擬瞬時調(diào)諧光 譜。
[0013] 分離純載波的方法是重構(gòu)載波，步驟如下：
[0014] (1)截取整周期的差拍信號XB(n)，分別取差拍信號每個周期的正、負極值點值，進 行線性插值得到信號的上、下包絡線e u(n)、ei(n)，求其均值m(n) = (eu(n)+ei(n))/2;
[0015] (2)判斷均值是否為零，若m(n)辛0,令x(n)=XB(n)-m(n)，重復步驟（1)~（2)，直 到滿足m(n)=0的條件為止;此時x(n)是滿足單分量信號條件的調(diào)幅調(diào)頻信號；
[0016] (3)求x(n)的希爾伯特變換H[x(n)]，構(gòu)造解析函數(shù)辦)=A1>小-.//_/[.咖)]=， 將信號的幅度a(nW#i n進行線性擬合，信號的相位扒〃)對。進行三階線性擬合；
[0017] ⑷利用幅度與相位的電流擬合方程A(i)、<M〇，構(gòu)造載波信號為印)=鄭)_??[%(/)] =
[0018] 推算激光器的瞬時輸出功率的方法是：
[0019] 短時延測量時，參考臂與干涉臂的激光信號完全相干，每一瞬間探測器上探測的 差拍信號功率可以替代同時刻的激光器的輸出光功率;激光器的瞬時功率與接收到的差拍 信號的直流電壓V B之間的關(guān)系為P = Vb/[R(A) ? Gt ? Fa]，其中R(A)是探測器的響應度，Gt是 轉(zhuǎn)換增益，F(xiàn)a是輸出負載電阻決定的比例系數(shù)。
[0020] 激光器的瞬時波長的確定方法是：當時延t小于1納秒時，激光器輸出波長近似為
，其中fo是在初始時刻激光器輸出的光頻率值，fB (t)時瞬時差拍 頻率。
[0021] 激光器瞬時調(diào)諧光譜的模擬方法是：以瞬時波長為瞬時光譜的中心波長，瞬時功 率為瞬時光譜的中心幅度值，線型是由擬合確定的洛倫茲或高斯線型。
[0022] 本發(fā)明所公開的這種測量方法，能夠同時獲知調(diào)諧過程中的瞬時輸出光功率、光 波長及線型、線寬，并利用這些瞬時參數(shù)模擬瞬時調(diào)諧光譜，實現(xiàn)對其進行精準測量的目 的，方法簡單可靠，準確率高。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的流程圖。
[0024]圖2是短時延自外差測量系統(tǒng)原理圖。
[0025]圖3是光外差信號圖。
[0026]圖4是分解出的直流電壓圖。
[0027]圖5是構(gòu)造的純載波信號圖。
[0028]圖6是噪聲信號圖。
[0029] 圖7是瞬時功率曲線圖。
[0030]圖8是瞬時波長曲線圖。
[0031]圖9是歸一化的時變功率譜。
[0032]圖10是80mA時的譜線擬合和線寬。
[0033]圖11是瞬時線寬曲線圖。
[0034] 圖12是79.5~80mA時的瞬時調(diào)諧光譜。
[0035] 圖13是79.5~80mA時的平面模譜。
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的半導體激光器在連續(xù)電流調(diào)諧狀態(tài)時的瞬時 輸出光譜的測量方法給出詳細說明。
[0037] 半導體激光器在連續(xù)電流調(diào)諧狀態(tài)時的瞬時輸出光譜的測量方法流程如圖1所 示，首先采集圖2所示的短時延自外差測量系統(tǒng)在加入鋸齒波調(diào)諧電流時的激光外差電壓 信號。獲取激光外差電壓信號后，進行分層處理，將差拍信號分成直流電壓、純載波信號和 噪聲三部分。
[0038] 純載波信號是通過構(gòu)造來實現(xiàn)的，構(gòu)造過程如下：
[0039] 1)截取整周期的差拍信號XB(n)，分別取差拍信號每個周期的正、負極值點值，進 行線性插值，即是信號的上、下包絡線(Upper and lower envelope)eu(n)、ei(n)，求其均值 (median )m(n) = (eu(n)+ei(n) )/2 ；
[0040] 2)判斷均值是否為零，若m(n)辛0,令x(n)=XB(n)-m(n)，重復步驟1)~2)，直到滿 足m(n)=0的條件為止。此時x(n)是關(guān)于零軸對稱，且正、負極值點個數(shù)相差不大于1，即是 滿足單分量信號條件的調(diào)幅調(diào)頻信號；
[0041] 3)求x(n)的希爾伯特變換H[x(n)]，構(gòu)造解析函數(shù)：
[0042] z(n) = x(n) + JH[x(n)] - a(n)cn，'n)
[0043] 可以得到信號的幅度a(n)相位9>(?)。將a(nW#in進行線性擬合，火〃)對1進行3階 線性擬合；
[0044] 4)差拍載波信號為r(/) = /K/)_c〇s[%(/)：|，其中A(i)、％:(0分別為幅度與相位的電 流擬合方程，此時差拍載波為單分量信號，每個時刻有唯一的頻率值。
[0045] 差拍信號及其直流電壓如圖3-4所示，純載波及噪聲信號如圖5-6所示。
[0046] 短時延測量時，參考臂與干涉臂的激光信號完全相干，每一瞬間探測器上探測的 差拍信號功率可以替代同時刻的激光器的輸出光功率。激光器的瞬時功率與接收到的差拍 信號的直流電壓V B之間的關(guān)系為P = Vb/[R(A) ? Gt ? Fa]，其中R(A)是探測器的響應度，Gt是 轉(zhuǎn)換增益，F(xiàn)a是輸出負載電阻決定的比例系數(shù)。本例中，光電探測放大器采用PDA10CS-EC 時，依據(jù)使用手冊計算出的激光器瞬時功率如圖7，輸出光功率變化范圍是5.16~10.6mW， 與激光器的靜態(tài)功率相符。
[0047] 波長的計算是先要確定差拍頻率，純載波信號的頻率g 當時延t小于 1納秒時，激光器輸出波長近似為
其中fo是在初始時刻激光器輸出的光 頻率值，瞬時波長如圖8所示。
[0048] 利用差拍信號的噪聲進行時頻分析，確定激光器輸出光歸一化時變功率譜線如圖 9所示，為了確定線型，在每個時刻，用洛倫茲曲線或高斯曲線進行擬合，相關(guān)系數(shù)接近于1 的，即為激光器的線型，本例中，洛倫茲擬合的相關(guān)系數(shù)更大，80mA處的譜線及其洛倫茲擬 合如圖10所示，瞬時線寬為918KHz，光譜分布與洛倫茲函數(shù)的相關(guān)系數(shù)是0.95。
[0049] 全部擬合并確定的激光器的線寬變化范圍是852.55~954.95KHz，如圖11所示。 [0050]由此，激光器的瞬時功率、瞬時波長及瞬時線寬和線型確定后，可進行瞬時光譜的 模擬，以瞬時波長為瞬時光譜的中心波長，瞬時功率為瞬時光譜的中心幅度值，線型是洛倫 茲線型，譜寬為瞬時線寬。本例中，給出79.5~80mA的模擬結(jié)果如圖12所示，圖13是其平面 模譜。
【主權(quán)項】
1. 一種測量半導體激光器調(diào)諧瞬時光譜的方法，其特征在于，該測量方法包括下述步 驟： (1) 經(jīng)光電放大探測器接收短時延自外差測量系統(tǒng)在銀齒波電流調(diào)諧下的激光外差電 壓信號，送數(shù)字示波器存儲； (2) 將獲取的激光外差電壓信號進行分層，分離出直流電壓、純載波及噪聲信號=部 分； (3) 利用直流電壓和光電放大探測器的轉(zhuǎn)換系數(shù)推算激光器的瞬時輸出功率； (4) 確定載波信號的瞬時頻率，推算激光器的瞬時輸出波長； (5) 由噪聲信號確定激光器輸出信號的線型和瞬時線寬； (6) 利用上述步驟中得到的瞬時輸出光功率、光波長及線型、線寬模擬瞬時調(diào)諧光譜。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量半導體激光器調(diào)諧瞬時光譜的方法，其特征在于，分離純 載波的方法是重構(gòu)載波，步驟如下： (1) 截取整周期的差拍信號XB(n)，分別取差拍信號每個周期的正、負極值點值，進行線 性插值得到信號的上、下包絡線eu(n)、ei(n)，求其均值m(n) = (eu(n)+ei(n))/2; (2) 判斷均值是否為零，若m(n)^0,令x(n)=祉(n)-m(n)，重復步驟（1)~(2)，直到滿足 m(n)=0的條件為止;此時x(n)是滿足單分量信號條件的調(diào)幅調(diào)頻信號； (3) 求x(n)的希爾伯特變換叫x(n)]，構(gòu)造解析函I將 信號的幅度a(n)對in進行線性擬合，信號的相化對in進行=階線性擬合； (4) 利用幅度與相位的電流擬合方程A(i)、腳(0,構(gòu)造載波信號為C(Z) = WHos[腳的]。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量半導體激光器調(diào)諧瞬時光譜的方法，其特征在于，推算激 光器的瞬時輸出功率的方法是： 短時延測量時，參考臂與干設臂的激光信號完全相干，每一瞬間探測器上探測的差拍 信號功率可W替代同時刻的激光器的輸出光功率;激光器的瞬時功率與接收到的差拍信號 的直流電壓Vb之間的關(guān)系為P = Vb/[R(A) . Gt ?化]，其中R(A)是探測器的響應度，Gt是轉(zhuǎn)換 增益，化是輸出負載電阻決定的比例系數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巧瞳半導體激光器調(diào)諧瞬時光譜的方法，其特征在于，激光器的瞬時 波長的確定方法是：當時延T小于1納秒時，激光器輸出波長近似夫 其中fo是在初始時刻激光器輸出的光頻率值，fB(t)時瞬時差拍頻率。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量半導體激光器調(diào)諧瞬時光譜的方法，其特征在于，激光器 瞬時調(diào)諧光譜的模擬方法是：W瞬時波長為瞬時光譜的中屯、波長，瞬時功率為瞬時光譜的 中屯、幅度值，線型是由擬合確定的洛倫茲或高斯線型。
【文檔編號】G01J3/433GK105910709SQ201610235231
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】安穎, 張景春
【申請人】華北理工大學