一種基于電光調(diào)制器和可調(diào)射頻源的激光線寬測(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，窄線寬激光器(kHz及kHz以下量級(jí)）被廣泛的應(yīng)用于光纖通信，光纖傳感 和光學(xué)精密測(cè)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(cè)量激光 器線寬對(duì)評(píng)價(jià)一個(gè)激光器的性能顯得尤為重要。已有的激光器線寬測(cè)量方法可以分為兩 類(lèi):儀器測(cè)量法和外差測(cè)量法。儀器測(cè)量法指通過(guò)光譜儀或者法布里-珀羅干涉儀利用輸出 光譜直接測(cè)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(cè)量精度和分辨率 遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足目前激光器線寬已達(dá)到千赫茲量級(jí)的測(cè)量要求。外差測(cè)量法包括延時(shí)自外差 法和損耗自補(bǔ)償循環(huán)延時(shí)自外差法。其中延時(shí)自外差法利用雙光路干涉的原理實(shí)現(xiàn)了激光 線寬的自外差測(cè)量。與傳統(tǒng)的儀器直接測(cè)量法相比，延時(shí)自外差法的測(cè)量精度有所提高。但 由于延時(shí)自外差法的測(cè)量精度和測(cè)量范圍均受光纖延時(shí)線長(zhǎng)度的限制，因此無(wú)法適應(yīng)未來(lái) 激光器線寬持續(xù)變窄的發(fā)展趨勢(shì)。而損耗自補(bǔ)償循環(huán)延時(shí)自外差法利用多光束干涉的原 理，將光纖延時(shí)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(hào)能在環(huán)形腔中多 次循環(huán)，克服了光纖延時(shí)線長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的限制。因此，該方法是滿足半導(dǎo)體激光器 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的激光線寬測(cè)量方式。
[0003] 損耗自補(bǔ)償循環(huán)延時(shí)自外差法具有靈敏度高，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，已在激光線寬測(cè) 量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在前期研究過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的損耗自補(bǔ)償循環(huán)延時(shí)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(jí)，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(cè)量值越準(zhǔn) 確，并且移頻器的可調(diào)帶寬越寬則線寬的測(cè)量范圍越大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:針對(duì)窄線寬激光器測(cè)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(cè)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(hào)在系統(tǒng)中傳輸時(shí)的損耗，最終獲得波形更為穩(wěn)定，強(qiáng)度更高的拍頻信號(hào)。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)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(cè)量系統(tǒng)，包括待測(cè)激光器、光隔 離器、2X2光纖耦合器、集成光電探測(cè)器、頻譜分析儀以及移頻光纖環(huán)，待測(cè)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(cè)器的輸入端相連，光電探測(cè)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(shí)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(dòng)信號(hào)。
[0007] 按上述方案，所述移頻光纖環(huán)具體包括光纖延時(shí)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(shí)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(gè)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(hào)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)的 測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0013] S1、待測(cè)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(cè)器；
[0014] S2、注入光纖環(huán)形腔中的光信號(hào)經(jīng)過(guò)一段光纖延時(shí)線進(jìn)行延時(shí)得到延時(shí)光信號(hào)；
[0015] S3、利用偏振控制器調(diào)整步驟S2中所獲得的延時(shí)光信號(hào)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(hào)的拍頻；
[0016] S4、偏振態(tài)調(diào)制后的延時(shí)光信號(hào)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(hào)，并由可調(diào)射頻源為電光調(diào)制器提供射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在電光調(diào)制器的輸出端連接一個(gè)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(hào)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(hào)注入到光放大器中；
[0017] S5、步驟S4獲得的調(diào)制波形信號(hào)注入到光放大器中進(jìn)行放大，補(bǔ)償步驟S2中經(jīng)過(guò) 光纖延時(shí)線產(chǎn)生的功率損耗；
[0018] S6、步驟S5中放大后的光信號(hào)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(hào)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(hào)；
[0020] S8、步驟S7獲得的光拍頻信號(hào)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(cè)器中將光拍頻信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大；
[0021] S9、步驟S8獲得的電信號(hào)注入到頻譜分析儀中顯示其拍頻譜曲線，并對(duì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，最終得出待測(cè)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(diǎn)的馬赫增德?tīng)?電光調(diào)制器，通過(guò)控制可調(diào)射頻源7輸出信號(hào)的頻率實(shí)時(shí)調(diào)整拍頻信號(hào)的頻移量，當(dāng)拍頻譜 最穩(wěn)定的時(shí)候提取拍頻信號(hào)。
[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(hào)源模塊，通過(guò)計(jì)算機(jī) 對(duì)其進(jìn)行3 k Η z~3 G Η z的射頻信號(hào)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(guò)測(cè)量 擬合曲線的3dB帶寬，最終計(jì)算得到待測(cè)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(cè)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(cè)激光器 的輸出光場(chǎng)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(chǎng)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(hào)的頻率。
[0032] 對(duì)于延時(shí)自外差系統(tǒng)，光電探測(cè)器輸出信號(hào)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(shí)間。
[0035] 當(dāng)光信號(hào)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(shí)線的延 遲時(shí)間。測(cè)量時(shí)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(duì)拍頻譜的影響，從而實(shí) 現(xiàn)對(duì)激光器線寬進(jìn)行直接測(cè)量。
[0039] 與其他類(lèi)型的激光線寬測(cè)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(gè)新的移頻裝置，使用電 光調(diào)制器作為移頻器，相對(duì)于聲光調(diào)制器，電光調(diào)制器的移頻量級(jí)擴(kuò)大至吉赫茲，具有更小 的插入損耗更低的驅(qū)動(dòng)電壓，從而使相鄰拍頻譜能夠完全分離開(kāi)來(lái)，提高了系統(tǒng)的測(cè)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(hào)，通過(guò)控制射頻源注入到電光調(diào)制 器的調(diào)制頻率從而實(shí)現(xiàn)移頻量的實(shí)時(shí)可調(diào)，該方法能隨時(shí)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(shí)自外差激光線寬測(cè)量法和損耗自補(bǔ)償循環(huán)延 時(shí)自外差激光線寬測(cè)量法中，在實(shí)際測(cè)量中，我們利用該系統(tǒng)對(duì)100kHz線寬量級(jí)激光器實(shí) 現(xiàn)了分辨率為± 7kHz的激光線寬測(cè)量;將可調(diào)帶寬范圍擴(kuò)大至10GHz，線寬測(cè)量極限達(dá)到 lHz〇
【附圖說(shuō)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(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0044]圖1中，1-待測(cè)激光器，2-光隔離器，3-2 X 2光纖耦合器，4-光纖延時(shí)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(cè)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(cè)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(jì)算機(jī)擬合曲線結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本 發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0049] 參照?qǐng)D1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(cè)量系統(tǒng)， 包括待測(cè)激光器1、光隔離器2、2X2光纖耦合器3、集成光電探測(cè)器12、頻譜分析儀13以及移 頻光纖環(huán)，待測(cè)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(cè)器12的輸入端相連，光電探測(cè)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(shí)線4,可調(diào)射頻源7用于為