CN105651492A - 一种基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统及方法，系统包括待测激光器、光隔离器、2×2光纤耦合器、集成光电探测器、频谱分析仪以及移频光纤环，移频光纤环连接在2×2光纤耦合器的输出端口D与输入端口C之间，至少包括由电光调制器和可调射频源组成的移频装置以及光纤延时线，可调射频源用于为电光调制器提供移频量可调的射频驱动信号。方法将光拍频信号一部分注入到光纤环形腔中继续循环、另一部分注入光电探测器转变成电信号，通过控制可调射频源注入到电光调制器的调制频率实现移频量的实时可调。本发明扩大移频量，将可调带宽范围扩大至10GHz，线宽测量极限达到1Hz。

Description

一种基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统及方法

技术领域

本发明涉及窄线宽激光器线宽测量领域，具体涉及一种基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统及方法。

背景技术

近年来，窄线宽激光器(kHz及kHz以下量级)被广泛的应用于光纤通信，光纤传感和光学精密测量等领域。伴随着光通信产业的成熟与发展，大批高性能激光器的成本不断降低，尤其是半导体激光器，其输出功率和线宽特性均有很大提升。因此，准确的测量激光器线宽对评价一个激光器的性能显得尤为重要。已有的激光器线宽测量方法可以分为两类：仪器测量法和外差测量法。仪器测量法指通过光谱仪或者法布里-珀罗干涉仪利用输出光谱直接测量激光器的线宽。这两种仪器虽然在技术上比较成熟，但其测量精度和分辨率远远无法满足目前激光器线宽已达到千赫兹量级的测量要求。外差测量法包括延时自外差法和损耗自补偿循环延时自外差法。其中延时自外差法利用双光路干涉的原理实现了激光线宽的自外差测量。与传统的仪器直接测量法相比，延时自外差法的测量精度有所提高。但由于延时自外差法的测量精度和测量范围均受光纤延时线长度的限制，因此无法适应未来激光器线宽持续变窄的发展趋势。而损耗自补偿循环延时自外差法利用多光束干涉的原理，将光纤延时线和掺铒光纤放大器连接在了光纤环形腔中，使得光信号能在环形腔中多次循环，克服了光纤延时线长度对系统测量精度的限制。因此，该方法是满足半导体激光器未来发展趋势的激光线宽测量方式。

损耗自补偿循环延时自外差法具有灵敏度高，实时性好等优点，已在激光线宽测量领域具有广泛的应用。在前期研究过程中我们发现传统的损耗自补偿循环延时自外差法的移频部分采用的是声光调制器，它的移频范围只到兆赫兹量级，并且频率可调范围较小。而在保证系统灵敏度的前提下，移频器移频量越高，相邻拍频谱间隔越大，则测量值越准确，并且移频器的可调带宽越宽则线宽的测量范围越大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对窄线宽激光器测量存在的上述不足，提出了一种基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统及方法，扩大移频量和可调带宽范围，减少光信号在系统中传输时的损耗，最终获得波形更为稳定，强度更高的拍频信号。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统，包括待测激光器、光隔离器、2×2光纤耦合器、集成光电探测器、频谱分析仪以及移频光纤环，待测激光器的输出端经光隔离器与2×2光纤耦合器的输入端口A相连，2×2光纤耦合器的输出端口C与光电探测器的输入端相连，光电探测器的输出端与频谱分析仪连接，移频光纤环连接在2×2光纤耦合器的输出端口D与输入端口C之间，至少包括由电光调制器和可调射频源组成的移频装置以及光纤延时线，可调射频源用于为电光调制器提供移频量可调的射频驱动信号。

按上述方案，所述移频光纤环具体包括光纤延时线、偏振控制器、电光调制器、可调射频源、1×2光耦合器、光谱分析仪、光放大器和光滤波器，2×2光纤耦合器的输出端口D、光纤延时线、偏振控制器、电光调制器、光放大器、光滤波器、2×2光纤耦合器的输入端口B依次首尾连接组成光纤环形腔，可调射频源与电光调制器连接，电光调制器的一个输出端经1×2光耦合器后一路与光放大器连接、另一路与光谱分析仪连接。

按上述方案，所述2×2光纤耦合器采用90/10的2×2耦合器，10％光信号耦合入光纤环形腔中。

按上述方案，所述光放大器采用掺铒光纤放大器。

按上述方案，所述光滤波器采用可调光栅滤波器。

按上述方案，所述光电探测器采用带放大电路的光电二极管。

本发明还提供了一种上述基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统的测量方法，包括以下步骤：

S1、待测激光器发出的光经光隔离器注入到2×2光纤耦合器中，2×2光纤耦合器输出端的其中一路光耦合到光纤环形腔中、另一路光进入光电探测器；

S2、注入光纤环形腔中的光信号经过一段光纤延时线进行延时得到延时光信号；

S3、利用偏振控制器调整步骤S2中所获得的延时光信号的偏振态，使其有利于后期电光调制器的调制以及光信号的拍频；

S4、偏振态调制后的延时光信号注入到电光调制器中进行调制得到调制波形信号，并由可调射频源为电光调制器提供射频驱动信号，在电光调制器的输出端连接一个1×2光耦合器，光耦合器输出端的其中一路调制波形信号注入到光谱分析仪中监控输出光的调制波形、另一路调制波形信号注入到光放大器中；

S5、步骤S4获得的调制波形信号注入到光放大器中进行放大，补偿步骤S2中经过光纤延时线产生的功率损耗；

S6、步骤S5中放大后的光信号经光滤波器进行滤波，剔除经光放大器放大后产生的自发辐射噪声；

S7、步骤S6获得的光信号重新注入到2×2光纤耦合器中进行光拍频，产生新的拍频信号；

S8、步骤S7获得的光拍频信号一部分注入到光纤环形腔中继续循环，另一部分注入到光电探测器中将光拍频信号转变成电信号，并对其进行放大；

S9、步骤S8获得的电信号注入到频谱分析仪中显示其拍频谱曲线，并对频谱数据进行采样；

S10、步骤S9中的采样结果交由计算机进行数据拟合，最终得出待测激光器的线宽。

按上述方案，所述步骤S4中的电光调制器是工作在载波抑制工作点的马赫增德尔电光调制器，通过控制可调射频源7输出信号的频率实时调整拍频信号的频移量，当拍频谱最稳定的时候提取拍频信号。

按上述方案，所述步骤S4中的可调射频源是自制的射频信号源模块，通过计算机对其进行3kHz～3GHz的射频信号输出控制，频率分辨率为1Hz，电平范围为-110dBm～10dBm。

按上述方案，所述步骤S10中的数据拟合采用洛伦兹拟合获得拟合曲线，通过测量拟合曲线的3dB带宽，最终计算得到待测激光器输出光谱的半高全宽值。

本发明的工作原理：

假设待测激光器输出光的振幅为E₀，角频率为ω_c，相位差为φ(t)，则待测激光器的输出光场方程为：

E(t)＝E₀exp{j[ω_ct+φ(t)]}

电光调制器调制后的输出光场方程为：

$E\left(t\right)=2{\mathrm{jE}}_0\exp \{j\[{\mathrm{\ω}}_{c}t+\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\φ}\left(t\right)\]\}\·J_1\left(\mathrm{\β}\right)\·sin\left({\mathrm{\ω}}_{RF}t\right)$

式中J₁(β)为一阶贝塞尔函数，ω_RF为可调射频源输出信号的频率。

对于延时自外差系统，光电探测器输出信号的功率谱密度函数可表示成：

$S_0(\mathrm{\ω},{\mathrm{\ω}}_{RF})=\frac{{\mathrm{\α}}^2}{2}{I}_0^2\frac{2/{\mathrm{\τ}}_c}{{(2/{\mathrm{\τ}}_c)}^2+{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_{RF})}^2}$

式中I₀是入射光强度，τ_c是激光器固有时间。

当光信号在光纤环形腔中传输之后，由于多光束干涉的影响，m阶拍频谱的频谱函数S(ω)可以表示成：

$S\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}^m}{{(1-\mathrm{\α})}^2}P\left(\mathrm{\ω}\right)S_0(\mathrm{\ω},{\mathrm{m\τ}}_0,{\mathrm{m\ω}}_{RF})$

$P\left(\mathrm{\ω}\right)=\mathrm{\α}+\frac{(1-\mathrm{\α})({\mathrm{\γ}}^2-\mathrm{\α})}{1+{\mathrm{\γ}}^2-2\mathrm{\γ}\cos \[(\mathrm{\ω}+{\mathrm{m\ω}}_{RF}){\mathrm{\τ}}_0\]}$

式中γ为光纤环形腔的增益，α为2×2光纤耦合器的分光比，τ₀是光纤延时线的延迟时间。测量时当调节系统参数使得γ²＝α即可消除多光束干涉对拍频谱的影响，从而实现对激光器线宽进行直接测量。

与其他类型的激光线宽测量方法相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用电光调制器和自制的可调射频源组成了一个新的移频装置，使用电光调制器作为移频器，相对于声光调制器，电光调制器的移频量级扩大至吉赫兹，具有更小的插入损耗更低的驱动电压，从而使相邻拍频谱能够完全分离开来，提高了系统的测量精度；

2、利用可调射频源为电光调制器提供调制信号，通过控制射频源注入到电光调制器的调制频率从而实现移频量的实时可调，该方法能随时连续改变移频器的移频量，确保最终获得稳定的拍频谱线；

3、该移频方式能广泛的应用于延时自外差激光线宽测量法和损耗自补偿循环延时自外差激光线宽测量法中，在实际测量中，我们利用该系统对100kHz线宽量级激光器实现了分辨率为±7kHz的激光线宽测量；将可调带宽范围扩大至10GHz，线宽测量极限达到1Hz。

附图说明

图1为本发明基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统的结构图；

图1中，1-待测激光器，2-光隔离器，3-2×2光纤耦合器，4-光纤延时线，5-偏振控制器，6-电光调制器，7-可调射频源，8-1×2光纤耦合器，9-光谱分析仪，10-光放大器，11-光滤波器，12-光电探测器，13-频谱分析仪；

图2为本发明电光调制器输出光谱图；

图3为本发明光电探测器输出频谱图；

图4为本发明频谱分析仪采样的频谱数据与计算机拟合曲线结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。

参照图1所示，本发明所述的基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统，包括待测激光器1、光隔离器2、2×2光纤耦合器3、集成光电探测器12、频谱分析仪13以及移频光纤环，待测激光器1的输出端经光隔离器2与2×2光纤耦合器3的输入端口A相连，2×2光纤耦合器3的输出端口C与光电探测器12的输入端相连，光电探测器12的输出端与频谱分析仪13连接，移频光纤环连接在2×2光纤耦合器3的输出端口D与输入端口C之间，至少包括由电光调制器6和可调射频源7组成的移频装置以及光纤延时线4，可调射频源7用于为电光调制器6提供移频量可调的射频驱动信号。

实施例中，移频光纤环具体包括光纤延时线4、偏振控制器5、电光调制器6、可调射频源7、1×2光耦合器8、光谱分析仪9、光放大器10和光滤波器11，2×2光纤耦合器3的输出端口D、光纤延时线4、偏振控制器5、电光调制器6、光放大器10、光滤波器11、2×2光纤耦合器3的输入端口B依次首尾连接组成光纤环形腔，可调射频源7与电光调制器6连接，电光调制器6的一个输出端经1×2光耦合器8后一路与光放大器10连接、另一路与光谱分析仪9连接。

实际测量中2×2光纤耦合器3选用90/10的2×2耦合器，并且10％光信号耦合入光纤环形腔中。当光纤环形腔总的增益设置为0.95时即可消去多光束干涉的影响，使输出谱线能够直接测量。

光放大器10采用对应波段的光放大器。光滤波器11采用可调光栅滤波器。光电探测器12采用带放大电路的光电二极管。

电光调制器6指工作在载波抑制工作点的马赫增德尔电光调制器。由于电光调制器6的调制范围可到吉赫兹，因此通过控制可调射频源7输出信号的频率可实时调整拍频信号的移频量，当拍频谱最稳定的时候提取拍频信号。可调射频源7是自制的射频信号源模块，通过计算机中的虚拟程序对其进行3kHz～3GHz的射频信号输出控制，频率分辨率为1Hz，电平范围为-110dBm～10dBm。

本发明基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统的测量方法，通过控制可调射频源注入到电光调制器的调制频率实现移频量的实时可调，具体包括以下步骤：

S1、待测激光器1发出的光经光隔离器2注入到2×2光纤耦合器3中，2×2光纤耦合器3输出端的其中一路光耦合到光纤环形腔中、另一路光进入光电探测器12；

S2、注入光纤环形腔中的光信号经过一段光纤延时线4进行延时得到延时光信号；

S3、利用偏振控制器5调整步骤S2中所获得的延时光信号的偏振态，使其有利于后期电光调制器6的调制以及光信号的拍频；

S4、偏振态调制后的延时光信号注入到电光调制器6中进行调制得到调制波形信号，并由可调射频源7为电光调制器6提供射频驱动信号，在电光调制器6的输出端连接一个1×2光耦合器8，光耦合器8输出端的其中一路调制波形信号注入到光谱分析仪9中监控输出光的调制波形、另一路调制波形信号注入到光放大器10中；电光调制器6是工作在载波抑制工作点的马赫增德尔电光调制器，由于电光调制器6的调制范围可到吉赫兹，因此通过控制可调射频源7输出信号的频率实时调整拍频信号的频移量，当拍频谱最稳定的时候提取拍频信号；可调射频源7是自制的射频信号源模块，通过计算机中的虚拟程序对其进行3kHz～3GHz的射频信号源输出控制，频率分辨率为1Hz，电平范围为-110dBm～10dBm；

S5、步骤S4获得的调制波形信号注入到光放大器10中进行放大，补偿步骤S2中经过光纤延时线4产生的功率损耗；

S6、步骤S5中放大后的光信号经光滤波器11进行滤波，剔除经光放大器10放大后产生的自发辐射噪声；

S7、步骤S6获得的光信号重新注入到2×2光纤耦合器中进行光拍频，产生新的拍频信号；

S8、步骤S7获得的光拍频信号一部分注入到光纤环形腔中继续循环，另一部分注入到光电探测器12中将光拍频信号转变成电信号，并对其进行放大；

S9步骤S8获得的电信号注入到频谱分析仪13中显示其拍频谱曲线，并对频谱数据进行采样；

S10、步骤S9中的采样结果交由计算机进行数据拟合，最终得出待测激光器1的线宽；由于待测激光器1(单模激光器)的相位噪声谱近似为洛伦兹分布，因此对频谱分析仪13的采样结果进行洛伦兹拟合，通过测量拟合曲线的3dB带宽，最终计算得到待测激光器1输出光谱的半高全宽值。

如图2和图3所示，光谱分析仪9和频谱分析仪13分别显示电光调制器6和光电探测器12的输出谱线。测量过程中将频谱分析仪13采样的频谱数据交由计算机进行洛伦兹拟合，拟合曲线结果如图4所示，通过测量拟合曲线的3dB带宽并将值除以2，从而获得待测激光器1的线宽。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，依本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统，包括待测激光器、光隔离器、2×2光纤耦合器、集成光电探测器、频谱分析仪以及移频光纤环，待测激光器的输出端经光隔离器与2×2光纤耦合器的输入端口A相连，2×2光纤耦合器的输出端口C与光电探测器的输入端相连，光电探测器的输出端与频谱分析仪连接，其特征在于：移频光纤环连接在2×2光纤耦合器的输出端口D与输入端口C之间，至少包括由电光调制器和可调射频源组成的移频装置以及光纤延时线，可调射频源用于为电光调制器提供移频量可调的射频驱动信号。

2.根据权利要求1所述的基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统，其特征在于：所述移频光纤环具体包括光纤延时线、偏振控制器、电光调制器、可调射频源、1×2光耦合器、光谱分析仪、光放大器和光滤波器，2×2光纤耦合器的输出端口D、光纤延时线、偏振控制器、电光调制器、光放大器、光滤波器、2×2光纤耦合器的输入端口B依次首尾连接组成光纤环形腔，可调射频源与电光调制器连接，电光调制器的一个输出端经1×2光耦合器后一路与光放大器连接、另一路与光谱分析仪连接。

3.根据权利要求2所述的基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统，其特征在于：所述光纤耦合器采用90/10的2×2耦合器，10%光信号耦合入光纤环形腔中。

4.根据权利要求2所述的基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统，其特征在于：所述光放大器采用掺铒光纤放大器。

5.根据权利要求2所述的基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统，其特征在于：所述光滤波器采用可调光栅滤波器。

6.根据权利要求2所述的基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统，其特征在于：所述光电探测器采用带放大电路的光电二极管。

7.一种根据权利要求1~6任意之一所述的基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统的测量方法，其特征在于：通过控制可调射频源注入到电光调制器的调制频率实现移频量的实时可调，具体包括以下步骤：

S1、待测激光器发出的光经光隔离器注入到光纤耦合器中，光纤耦合器输出端的其中一路光耦合到光纤环形腔中、另一路光进入光电探测器；

S2、注入光纤环形腔中的光信号经过一段光纤延时线进行延时得到延时光信号；

S3、利用偏振控制器调整步骤S2中所获得的延时光信号的偏振态，使其有利于后期电光调制器的调制以及光信号的拍频；

S4、偏振态调制后的延时光信号注入到电光调制器中进行调制得到调制波形信号，并由可调射频源为电光调制器提供射频驱动信号，在电光调制器的输出端连接一个1×2光耦合器，光耦合器输出端的其中一路调制波形信号注入到光谱分析仪中监控输出光的调制波形、另一路调制波形信号注入到光放大器中；

S5、步骤S4获得的调制波形信号注入到光放大器中进行放大，补偿步骤S2中经过光纤延时线产生的功率损耗；

S6、步骤S5中放大后的光信号经光滤波器进行滤波，剔除经光放大器放大后产生的自发辐射噪声；

S7、步骤S6获得的光信号重新注入到2×2光纤耦合器中进行光拍频，产生新的拍频信号；

S8、步骤S7获得的光拍频信号一部分注入到光纤环形腔中继续循环，另一部分注入到光电探测器中将光拍频信号转变成电信号，并对其进行放大；

S9、步骤S8获得的电信号注入到频谱分析仪中显示其拍频谱曲线，并对频谱数据进行采样；

S10、步骤S9中的采样结果交由计算机进行数据拟合，最终得出待测激光器的线宽。

8.根据权利要求7所述的基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统的测量方法，其特征在于：所述步骤S4中的电光调制器是工作在载波抑制工作点的马赫增德尔电光调制器，通过控制可调射频源输出信号的频率实时调整拍频信号的频移量，当拍频谱最稳定的时候提取拍频信号。

9.根据权利要求7所述的基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统的测量方法，其特征在于：所述步骤S4中的可调射频源是自制的射频信号源模块，通过计算机对其进行3kHz~3GHz的射频信号输出控制，频率分辨率为1Hz，电平范围为-110dBm~10dBm。

10.根据权利要求7所述的基于电光调制器和可调射频源的激光线宽测量系统的测量方法，其特征在于：所述步骤S10中的数据拟合采用洛伦兹拟合获得拟合曲线，通过测量拟合曲线的3dB带宽，最终计算得到待测激光器输出光谱的半高全宽值。