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窄线宽激光的特性与应用 - 筱晓光子AOL实验室① 2022-07-04

激光器线宽,尤其是单频激光器的线宽,是指其光谱的宽度(通常指半高全宽,FWHM),以我们的一款1550nm宽光谱激光器(SLD)为例,测量它一半高度的光谱宽度,就是这个激光器的线宽,大约为40nm。



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窄线宽激光器的激光线宽在kHz量级,光谱呈针尖状,广泛用于传感,雷达,测试测量,通信以及常规研究等应用。目前,市面上的光谱仪没有哪一款分辨率是可以到kHz量级的。所以,用光谱仪直接测量窄线宽激光器线宽,是不可能测量出窄线宽激光器真正的光谱形状的。比如说,我们的DFB激光器,激光线宽应在2MHz,用光谱仪直接测量其光谱形状如下。然而,光谱仪显示激光器的线宽(3.0dB Width)为0.078nm,与实际情况相差甚远。这是因为我们使用的光谱仪本身的分辨率(Res)是0.07nm,它不可能测量出小于它本身分辨率的宽度。因此,这个0.078nm不是激光器的线宽,而是光谱仪自身的最小测量宽度。



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那么,如何测量窄线宽激光器真实的线宽呢?我们有许多间接的手段可以把窄线宽激光器的线宽呈现出来。




线宽测量方法:



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 线宽测试系统图 




我们采用延时自外差法对其线宽进行了测量,它是一种精准测量单纵模窄线宽激光器线宽较好的方法。对于延时自外差法系统,激光器发出的光波经耦合器分成两路,一路经过光纤延迟线,另一路经过声光调制器进行移频,两路光波自身光频非常大(可高达几百太赫兹以上),但是经过移频,频移量有几十到几百兆赫兹,此时两路光频相差仅为频移量,远远小于光波本身频率,满足拍频条件。频谱分析仪测量的为相干叠加后得到的光电流谱线,此时可从延时光电流谱线测定窄线宽激光器的线宽。下图是我们近期对窄线宽激光的测试结果。测量-20dB处的线宽,然后除以20,也就是1.7kHz,就是激光器的线宽。




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 窄线宽激光器线宽测试图 




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 LD-PD RIO相位噪声对比图 




DVS系统:

DVS系统,是光纤分布式振动传感系统,是将光纤本身作为传感器件,反馈光纤在不同位置的振动,温度,应力等变量,并实现精确定位的系统。这种系统采用的是φ-OTDR技术,对激光光源的线宽要求很高,最好要达到kHz量级。下图是我们之前使用RIO窄线宽激光器研发的DVS低成本系统。使用的激光线宽越窄,识别的振动位置精度就越高。




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 DVS系统示意图 










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