技术分享 | 波长可调谐窄线宽激光器的线宽特性

1 引言

窄线宽激光器具有易与光纤集成、光束质量高、相干距离长、频率稳定性高、信噪比高等特点，在多个领域中得到了广泛应用，如光纤通信、光纤传感以及相干激光雷达领域。在光频域反射（OFDR）技术中，激光器线宽会影响远距离相干探测的相干长度，且线宽越窄，相干长度越长，能测试的距离也就越长，因此，激光器的性能对于 OFDR 显得尤为重要。传统的线宽测量方法有光谱仪直接测量法和法布里-珀罗（F-P）干涉法。其中，光谱仪的波长分辨率 一般为1GHz以上，F-P干涉法的波长分辨率为MHz 量级且响应速度较慢，两种方法均难以测量kHz量级甚至更窄的线宽。为了解决该问题：Okoshi 等提出采用延时自外差法测量半导体激光器的线宽；Iiyama 等通过改进自外差法提出了反射式延迟自外差法，优化了实验结构，提高了测量分辨率；Dawson 等演示了一种具有循环延迟的自外差干涉计，采用掺铒光纤放大器补偿光纤的部分损耗；Chen 等研究了用于超窄线宽测量的 Voigt 轮廓拟合方法，该方法可滤除 1/f 频率噪声（f 为信号频率）引起的频谱展宽效应，并 从测量频谱中提取出洛伦兹线形；Deng 等在损耗补偿循环延迟自外差干涉仪中，提出了一种基于马赫-曾德尔电光调制器（MZM）的线宽测量方法；王巍等提出了基于迈克耳孙干涉仪的延时自零差实验系统，该系统可实现对窄线宽激光器线宽的测量 ；Shehzad 等提出了一种中红外量子级联激光器（QCL），通过电流反馈实现激光锁频，再基于自零差法的系统减小激光器线宽；高静等提出了一种基于短光纤循环延迟自外差技术的亚千赫兹激光器线宽测量方法，采用延迟长度为2km 的循环延迟自外差干涉仪实现了一系列不同延迟时间拍频信号的同时测量。已有研究大多集中在激光器的稳态线宽上，对激光器线宽的综合性能研究以及不同时间状态和不同波长下的线宽研究较少。因此，本文除了讨论了稳态线宽外，还对线宽的动态特性以及波长对线宽测量值的影响进行了研究。为了平衡线宽测量的速度和精度，还通过实验探究了不同接收机带宽对线宽测量值的影响。

2 基本原理

2.1实验原理

激光器输出的辐射光场可定义为一个相位有波动且幅值稳定的准单色电磁场，可表示为：

式中：E₀为振幅；ω₀为平均光频率；ϕ (t) 为导致谱线展宽的随机相位波动过程，即从时间 t 到 t + τ 的随机相位变化。对于自外差非平衡马赫-曾德尔（M-Z）干涉系统，激光器输出光场经耦合器一分为二。一束光经延迟光纤实现延时，输出光信号可表示为：

式中，τd 为延迟时间。另一束光经移频器将光频移到中高频，输出光信号可表示为：

式中：Ω 为调制器的移频量；α 为两束光的振幅比，由分光比决定。两束光分别经延时和调制后，在耦合器处得到拍频信号，经光电探测器的光敏面输出光电流。根据 Wiener-Khinchin 定理，对光电流进行傅里叶变换后就能得到拍频信号的功率谱密 度函数，可表示为：

可以发现，当 (ω - Ω )2 趋于 0 时，光功率谱密度可以取最大值，拍频信号功率谱密度的半峰全宽可表示为：

从式（5）可以发现，该方法测得的拍频谱线宽为激光器线宽 Δν 的 2 倍。

2.2实验装置

采用光纤延时自外差法测量激光器线宽，搭建的实验系统如图1所示。波长可调谐激光器（WTL）输出的光信号经隔离器（ISO）后能避免输出的光被器件反射进激光器。光束进入分光比为 50∶50 的光耦合器 1（OC 1）后再进入 M-Z 干涉系统。光束经耦合器输出 后分为两路：一路光经 60km 单模光纤的光纤延迟线 （OFD）实现延时 ；另一路光经声光移频器（AOM）实现80MHz的移频。两路光束在光耦合器 2（OC2）处产生拍频干涉，两路光束携带的信号频率不同，因此产生的拍频信号也被称为差频。OC2 处的拍频信号相当于两个相同且独立的激光源干涉得到的混频信号，混频信号经光电探测器（PD）转换成电信号，最后将转换后的电信号送入信号分析仪（SA）进行分析。

图 1 光纤延时自外差测量激光器线宽的实验系统

实验采用的WTL（Agilent 81640A）波长调谐范围为1510~1640nm，AOM 的射频频率为80MHz，由射频驱动（RF driver）对调制器进行驱动。AOM中激光束和声波的相互作用产生仅包含一个衍射级的光束，该衍射光束的光频变化等于声波的频率，从而将光频移到中高频，避免零频处的高频干扰。PD的3dB 带宽为200MHz，饱和功率为95μW，因此在实验前必须检测OC2的输出，避免功率超出探测器的饱和功率 ，导致实验结果不准确 。SA 为 MXA Signal Analyzer N9020A，带宽为 20~3. 6×109Hz。3

分析与讨论

采用延迟自外差法进行激光器线宽特性研究，两路光束产生的拍频信号经光探测器输出得到电信号，对采集到的时域信息进行傅里叶变换，得到光电流的功率谱曲线，并对比原始数据与洛伦兹拟合后的数据。 

3.1稳态线宽特性

信号分析仪采集到的光电流功率谱曲线如图2 所示。可以发现，视频带宽（VBW）为3 MHz时，光电流的功率谱曲线上出现了两个主峰。其中，零频处的主峰1为信号分析仪的零频基线，反映的是信号分析仪

图 2 光电流的功率谱曲线。（a）VBW 为 3 MHz；（b）VBW 为 51 Hz自带的频率噪声。

采用延时自零差法测量激光器线宽 容易受零频处主峰的干扰，因此，使用声光调制器对光 频进行调制，分析移动到 80MHz 处的主峰2可以得到更准确的线宽值。观察零频处的功率谱曲线发现，主峰1两侧各有一个由强度噪声引起的次峰，两个次峰 和主峰 1 之间的频率间隔就是激光器的弛豫振荡峰值 频率：次峰的峰值越高，弛豫振荡峰值相对强度噪声（RIN）越 大 ；次峰离主峰的频率越远 ，表明激光器的RIN峰值频率越高。为了更清晰地看到主峰的功率大小，调整信号分析仪的VBW能消除频谱底噪，更方便 地观察实验数据，同时不会对测量结果产生影响，如图2（b）所示。在稳态线宽实验中，设置波长可调谐激光器的中心波长为 1550nm，分别对功率谱不同衰减点处的谱宽进行测量，得到对应的激光器线宽测量值。同时，对信号分析仪采集到的数据点进行洛伦兹拟合，得到稳态线宽测量值。信号分析仪采集到的功率谱和拟合的洛伦兹曲线如图 3 所示。

图 3 信号分析仪采集的功率谱及洛伦兹拟合曲线

对比信号分析仪采集得到的谱线和洛伦兹拟合曲线−3dB、−10dB以及−20dB衰减处的谱宽，得到激光器的稳态线宽如表 1 所示。可以发现，洛伦兹拟合线宽与信号分析仪直接 测量的线宽接近 。由 于 −3dB 和−10dB 衰减处的数据波动较大，易受噪声影响且不易观察，因此，用−20dB衰减处的谱宽计算线宽，得到激光器的稳态线宽约为 232.24kHz。

3.2接收机带宽对线宽测量值的影响

信号分析仪的分辨率带宽（RBW）即为接收机带宽，是信号分析仪的最小可分辨间隔，以区别两个频率相近的信号。一般来说，RBW越小，系统的采样点数量就越多，信号的还原程度越高，测量结果也越准确。但采集点的数量不能无限制增加，原因是采集点的数量过多会增加硬件的资源压力，导致时间窗口的宽度增加。RBW设置太大，会导致扫描时间过短，从而引起信号失真 ；而 RBW设置过小，会导致扫描时间过长。激光腔输出的光频率在实际过程中会存在漂移，即频率抖动，频率抖动越剧烈，本征线宽展宽越大，且会影响测量速度。为了得到准确的线宽值，通过隔离外部环境噪声对激光器的影响，并在一定时间内对输出光场进行积分运算，将光谱线的半高全宽充当线宽的本征值，保证得到的数据匹配测量仪器参数，并符合工程应用需求。为了探究 RBW对线宽测量结果的影响，得到准确的测量值，同时平衡测量速度与测量精度，得到不同 RBW的线宽测量结果如图 4 所示。可以发现：当 RBW为5kHz时，测量的线宽最小，但时间窗口最宽 ，存在的频率抖动最多 ，测量速度也最慢 ；当 RBW为51kHz时 ，测量的线宽最大 ，但时间窗口最窄，光频随时间的漂移最小，存在的频率抖动最少，得到的数值也最准确。因此，本系统在 RBW 为51kHz既具备较快的测量速度，又能得到准确的测量数据，即激光器的线宽为221kHz。

图 4 不同 RBW 的线宽测量结果

3.3 动态线宽特性

线宽的动态特性是线宽真实值随时间变化的特性。理论上，本征线宽反映的是从激光腔发射出来的光学频率的最小扩散，不考虑光频随时间的漂移。但实际上，激光器线宽的测量是在一定时间范围内完成的，只能采用极小时间内的测量结果表征本征线宽。而激光器在时域上除了受自发辐射产生的相位噪声影响外，还会受到外部技术噪声的影响（如机械振动导致的噪声），因此激光器输出的光学频率在时域上是不稳定的，总会存在一定的频率抖动，且时间窗口越长，频率抖动越多，动态线宽的测量结果如图 5 所示。可以发现，随着时间的增加，激光的频率抖动会逐渐增多， 因此 150s 以后线宽的测量误差较大，不可当作线宽的本征值。动态线宽的波动范围在 200~260kHz内，置信区间为图 5 中的阴影部分，圆圈表示测量结果中置信概率小于 95% 的数据点。在激光器应用中，线宽越小，意味着光谱的纯净度越高，激光的单色性越好，对应的相干性也就越强。

图 5 动态线宽的测量结果

3.4 波长连续调谐时的线宽特性

激光器的波长可调谐，波长分辨率可达0.1pm。在 OFDR 系统中，空间分辨率与波长的扫描范围成反比 ，宽范围扫频是实现高空间分辨率测量的必要条件。为了探究波长连续调谐时激光器的线宽特性，补偿自发辐射引起的噪声以及外部环境噪声导致的展宽，通过控制激光器连续调谐，同时保持输出功率不变，得到波长连续调谐状态下的真实线宽值，测量结果如图 6 所示。其中，R2为相关系数。可以发现，在波长连续调谐的状态下，增大波长数值，线宽会有一定的展宽。主要原因有两种：一种是激光器的自身特性，为了实现激光器的波长连续调谐，需要利用滤波器等器件限制和选择增益谱内的纵模数，这会使激光器谐振腔内的多个纵模振荡，引起光学频率的漂移；第二种是测量系统的结构特性，由于激光器在波长连续调谐状态下，RF源不同波长处的一级衍射光束会包含一部分零级衍射光束，这是采用移频器调制光学频率不可避免的问题。

图 6 不同波长的线宽测量结果

在 OFDR 系统应用中，激光器线宽会对系统的测试距离产生影响，且激光器线宽越窄，对应的测试距离越长。因此，需要根据动态线宽的波动范围选择最合适的测试距离 。在 1530~1550nm处的线宽比较稳定，因此，选取该范围内的测量结果作为线宽的真实值 ，约215~220kHz，在OFDR系统中对应的测试距离为290~292m。

4 结论

在线宽理论分析的基础上，搭建了基于自外差非 平衡M-Z干涉法的线宽测量系统，使用 60km长单模光纤进行延时以及80MHz声光调制器进行移频，对拍频信号的光电流功率谱密度函数进行分析和洛伦兹曲线拟合 ，最终得到激光器的稳态线宽为232.24kHz，动态 线宽在200~260kHz范围内 。通过优化信号分析仪的参数，平衡线宽测量的速度和精度，在接收机带宽为51kHz时，对激光器进行线宽分析。结果表明，在波长连续调谐的状态下，激光器线宽会产生展宽。 本研究对于分布式光纤传感，尤其是光频域反射技术有着重要的现实意义。

[作者]：冯智宇，成煜，苑立波，李立彤，黄苏梅，李静

[来源期刊]：激光与光电子学进展

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产品出处：http://www.conquer-oc.com/cn/detail-20-43-479.html

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