CN110081974A - 一种激光线宽测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光线宽测量系统，光耦合器用于将由其第一端口输入的待测激光分成两路，由光耦合器的第二端口输出的一路光依次经过光控制器、第一反射器传播而后原路返回到光耦合器，光控制器用于控制光改变相位，由光耦合器的第三端口输出的一路光依次经过移频器、第二反射器传播而后原路返回到光耦合器，移频器用于将光移频；光电探测器用于接收由光耦合器的第四端口输出的、由光控制器和移频器返回的两路光的混频光并转换为电信号，数据处理器用于根据获得的电信号计算出待测激光的频谱线宽。本激光线宽测量系统与现有技术相比，可避免采用较长的延迟光纤，能够降低受1/f噪声影响而引起相位抖动的问题，提高测量准确性。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别是涉及一种激光线宽测量系统。
背景技术
窄线宽激光器因具有低噪声、高相干性、高稳定性等优势，而广泛应用于光电子学、微波光子学和量子光学等领域。尤其在激光雷达、引力波探测和相干光通信等探测和通信系统中备受重视。在上述应用中，为实现高数据传输速率和高探测精度，通常采用高阶数字调制格式以及激光外差干涉测量技术，因此对激光光源的线宽性能要求极为苛刻。例如在引力波探测系统中，只有满足高探测精度、高抗噪声干扰能力的kHz水平窄线宽激光光源，才能通过精确测量引力波，来测定黑洞的质量、自旋、分布和引力波的极化特性。此外，在100Gbps甚至超100Gbps的超高速光通信中，灵敏度较高的高阶8-QAM、16-QAM和64-QAM等数字相干调制格式，其对线宽的最低要求在100kHz以内。由此可见，激光线宽直接决定各领域应用的精确度和准确性。因此，如何科学地表征窄线宽激光的线宽特性，已经是目前窄线宽激光器研究领域的一项重要任务。
随着窄线宽激光器的快速发展，激光线宽已经逐渐从MHz量级降低到Hz量级，同时也推动着线宽表征技术的快速进步。较早提出的线宽表征技术是Fabry-Perot(F-P)干涉仪，该方法采用改变F-P谐振腔长度，来获得不同波长干涉条纹的方法进行线宽测量。但是受一定腔长长度的限制，分辨率在MHz水平，难以满足超窄线宽激光器研制和应用的需求。
随后相继提出的延迟自零差法、延迟自外差法分别在分辨率上大有提高，可以表征出kHz甚至Hz量级的窄线宽激光器线宽。其中延迟自零差法是以零频为中心频率进行拍频，受温度、微振荡等外界因素影响较大。而自外差法是通过调制激光将差拍信号移频到中频，虽然这种技术消除了噪音问题，但是为了分辨率的性能提升，仍旧较普遍地依赖于长光纤延迟线的复杂测量系统，例如实现10kHz以内的最小线宽分辨率，需要光纤延迟线长度高达20km，这导致受1/f噪声的影响大，引起激光相位发生抖动，影响线宽测量结果的准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光线宽测量系统，与传统自外差法相比，能够降低受1/f噪声影响而引起相位抖动的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种激光线宽测量系统，包括光耦合器、光控制器、第一反射器、移频器、第二反射器、光电探测器和数据处理器，各器件之间通过光纤连接；
所述光耦合器用于将由其第一端口输入的待测激光分成两路，由所述光耦合器的第二端口输出的一路光依次经过所述光控制器、所述第一反射器传播而后原路返回到所述光耦合器，所述光控制器用于控制光改变相位，由所述光耦合器的第三端口输出的一路光依次经过所述移频器、所述第二反射器传播而后原路返回到所述光耦合器，所述移频器用于将光移频；
所述光电探测器用于接收由所述光耦合器的第四端口输出的、由所述光控制器和所述移频器返回的两路光的混频光并转换为电信号，所述数据处理器用于根据获得的电信号计算出待测激光的频谱线宽。
优选的，所述光控制器包括光放大器和偏振控制器，所述光放大器用于将光放大功率使光发生受激布里渊散射，所述偏振控制器用于控制产生的受激布里渊光波的偏振态以调控出所需相位的光波。
优选的，所述光放大器包括掺铒光纤放大器或者掺镱光纤放大器。
优选的，所述第一反射器具体用于将光反射时将光的偏振状态旋转90度，和/或所述第二反射器具体用于将光反射时将光的偏振状态旋转90度。
优选的，还包括设置在所述光耦合器的第一端口和待测激光器之间的用于阻挡杂光通过的光隔离器。
优选的，所述移频器包括声光移频器。
优选的，在所述移频器和所述第二反射器之间连接的光纤长度大于预设值。
优选的，连接在所述移频器和所述第二反射器之间的光纤为单模光纤，其截止波长与待测激光的波长相匹配。
优选的，所述数据处理器具体用于：将由所述光控制器返回到所述光耦合器的光场分布表示为：
将由所述移频器返回到所述光耦合器的光场分布表示为：
所述光电探测器获得的电信号表示为：
其中，E1表示由所述光控制器返回到所述光耦合器的光场强度，f1表示由所述光控制器返回到所述光耦合器的光的频率，E2表示由所述移频器返回到所述光耦合器的光场强度，f2表示由所述移频器返回到所述光耦合器的光的频率，表示光信号的相位，I(t)表示光电探测器获得的电信号，α表示两路返回光的振幅比，Δv表示两路返回光的频率差，表示两路返回光的相位差；
将所述光电探测器获得的电信号经过傅里叶变换得到功率谱密度，计算获得激光的频谱宽度。
由上述技术方案可知，本发明所提供的激光线宽测量系统，光耦合器将输入的待测激光分为两路，一路光由光耦合器的第二端口输出后依次经过光控制器、第一反射器传播并原路返回到光耦合器，另一路光由光耦合器的第三端口输出后依次经过移频器、第二反射器传播并原路返回到光耦合器，其中光控制器用于控制光改变相位，移频器用于将光移频。由光控制器返回的光和由移频器返回的光在光耦合器内混频，光电探测器接收由光耦合器的第四端口输出的混频光并转换为电信号，数据处理器根据获得的电信号计算出待测激光的频谱线宽。
本发明激光线宽测量系统将由待测激光分出的一路光主动改变相位，和经过移频的另一路光混合而测量待测激光的频谱线宽，与传统自外差法相比，可避免采用较长的延迟光纤，从而能够降低受1/f噪声影响而引起相位抖动的问题，能够提高测量准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种激光线宽测量系统的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种激光线宽测量系统，包括光耦合器、光控制器、第一反射器、移频器、第二反射器、光电探测器和数据处理器，各器件之间通过光纤连接；
所述光耦合器用于将由其第一端口输入的待测激光分成两路，由所述光耦合器的第二端口输出的一路光依次经过所述光控制器、所述第一反射器传播而后原路返回到所述光耦合器，所述光控制器用于控制光改变相位；
由所述光耦合器的第三端口输出的一路光依次经过所述移频器、所述第二反射器传播而后原路返回到所述光耦合器，所述移频器用于将光移频；
所述光电探测器用于接收由所述光耦合器的第四端口输出的、由所述光控制器和所述移频器返回的两路光的混频光并转换为电信号，所述数据处理器用于根据获得的电信号计算出待测激光的频谱线宽。
待测激光通过第一端口输入光耦合器，光耦合器将输入的待测激光分为两路，一路光由光耦合器的第二端口输出后依次经过光控制器、第一反射器传播并原路返回到光耦合器，另一路光由光耦合器的第三端口输出后依次经过移频器、第二反射器传播并原路返回到光耦合器，其中光控制器用于控制光改变相位，移频器用于将光移频。由光控制器返回的光和由移频器返回的光在光耦合器内混频，光电探测器接收由光耦合器的第四端口输出的混频光并转换为电信号，数据处理器根据获得的电信号计算出待测激光的频谱线宽。
本实施例激光线宽测量系统将由待测激光分出的一路光主动改变相位，和经过移频的另一路光混合而测量待测激光的频谱线宽，与传统自外差法相比，可避免采用较长的延迟光纤，从而能够降低受1/f噪声影响而引起相位抖动的问题，能够提高测量准确性。
下面结合附图和具体实施方式对本激光线宽测量系统进行详细说明。请参考图1，图1为本实施例提供的一种激光线宽测量系统的示意图，由图可看出，本实施例激光线宽测量系统包括光耦合器11、光控制器、第一反射器14、移频器15、第二反射器16、光电探测器17和数据处理器18。
待测激光器10通过光纤与光耦合器11的第一端口110连接，发出激光通过光耦合器11的第一端口输入光耦合器11内。优选的，可在待测激光器10和光耦合器11之间设置用于阻挡杂光通过的光隔离器，光隔离器可采用光纤隔离器，能够阻挡所有被光纤连接端口反射的光。待测激光器10的输出端口可通过法兰盘连接光隔离器19，光隔离器19与光耦合器11的第一端口连接。
光耦合器11用于将由其第一端口110输入的待测激光分成两路，由所述光耦合器11的第二端口111输出的一路光依次经过所述光控制器、所述第一反射器14传播而后原路返回到所述光耦合器11；由所述光耦合器11的第三端口112输出的一路光依次经过所述移频器15、所述第二反射器16传播而后原路返回到所述光耦合器11。可选的光耦合器11可以是2×2端口，分光比为50：50，具体可采用3dB光纤耦合器。
光控制器用于控制光改变相位，本实施例中，光控制器基于受激布里渊散射效应而改变传播光的相位，具体的光控制器包括光放大器12和偏振控制器13，所述光放大器12用于将光放大功率使光发生受激布里渊散射，所述偏振控制器13用于控制产生的受激布里渊光波的偏振态以调控出所需相位的光波。光放大器12将传播光放大功率，当功率放大到一定程度时，光纤中会发生受激布里渊散射效应，产生散射光波，通过偏振控制器控制产生的受激布里渊光波的偏振态以调控出所需相位的光波。可选的，光放大器12可采用掺铒光纤放大器，其工作波长范围为1530～1560nm，或者掺镱光纤放大器，其工作波长范围为1025～1075nm，但不限于此，也可以采用其它类型的光放大器，都在本发明保护范围内。偏振控制器13可采用全光纤波片。
移频器15用于将光移频，将传播光的中心频率偏移零频，增加测量系统的频率带宽。移频器15可采用声光移频器，声光移频器是不加调制信号的移频器，其分辨率可以达到Hz-5GHz，使测量系统更为稳定。
优选的，本实施例中第一反射器14具体用于将光反射时将光的偏振状态旋转90度，和/或第二反射器16具体用于将光反射时将光的偏振状态旋转90度，这样使得光纤中前向光和后向光的偏振态彼此正交，两路光分别经两反射镜反射达到了两倍光纤延迟线的效果。第一反射器14和/或第二反射器16可采用法拉第旋转反射镜，法拉第旋转反射镜的特性是在沿着光纤的任何点，前向光波和后向光波的偏振状态始终彼此正交，而与光纤的双折射无关，相比于普通反射镜还可以降低随机偏振态漂移引起的噪声。
具体的，光放大器12与光耦合器11的第二端口111连接，光放大器12通过法兰盘连接偏振控制器13，偏振控制器13通过光纤连接第一反射器14。光耦合器11的第三端口112通过法兰盘连接移频器，移频器通过光纤连接第二反射器16。
优选的，本实施例中在所述移频器15和所述第二反射器16之间连接的光纤长度大于预设值，将这段光纤作为延迟光纤，以延迟该路光的相位。优选的，连接在移频器15和第二反射器16之间的光纤为单模光纤，其截止波长与待测激光的波长相匹配，使待测激光在光纤中以单模形式传播。
光电探测器17用于接收由所述光耦合器11的第四端口113输出的、由所述光控制器12和所述移频器15返回的两路光的混频光并转换为电信号。数据处理器18用于根据获得的电信号计算出待测激光的频谱线宽。
进一步具体的，所述数据处理器具体用于：将由所述光控制器返回到所述光耦合器的光场分布表示为：
将由所述移频器返回到所述光耦合器的光场分布表示为：
所述光电探测器获得的电信号表示为：
其中，E1表示由所述光控制器返回到所述光耦合器的光场强度，f1表示由所述光控制器返回到所述光耦合器的光的频率，E2表示由所述移频器返回到所述光耦合器的光场强度，f2表示由所述移频器返回到所述光耦合器的光的频率，表示光信号的相位，I(t)表示光电探测器获得的电信号，α表示两路返回光的振幅比，Δv表示两路返回光的频率差，表示两路返回光的相位差；
将所述光电探测器获得的电信号经过傅里叶变换得到功率谱密度，计算获得激光的频谱宽度。
数据处理器18通过分析光电流的自相关函数获得光电流频率谱线，进一步利用洛伦兹线型或高斯线型拟合可获知激光频率谱符合何种线型分布。在激光频率谱中，从中心峰值降低3dB读取频谱宽度值的一半即为窄线宽激光器的线宽，或者从中心峰值降低20dB读取频谱宽度值除以20即为窄线宽激光器的线宽。
本实施例激光线宽测量系统基于受激布里渊散射延迟光波相位，可以应用于任意类型窄线宽激光器的线宽表征，同时使用法拉第旋转反射镜可以减少延迟光纤长度，利用受激布里渊散射效应也可增加线宽测量精度。
以上对本发明所提供的一种激光线宽测量系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种激光线宽测量系统，其特征在于，包括光耦合器、光控制器、第一反射器、移频器、第二反射器、光电探测器和数据处理器，各器件之间通过光纤连接；
所述光耦合器用于将由其第一端口输入的待测激光分成两路，由所述光耦合器的第二端口输出的一路光依次经过所述光控制器、所述第一反射器传播而后原路返回到所述光耦合器，所述光控制器用于控制光改变相位，由所述光耦合器的第三端口输出的一路光依次经过所述移频器、所述第二反射器传播而后原路返回到所述光耦合器，所述移频器用于将光移频；
所述光电探测器用于接收由所述光耦合器的第四端口输出的、由所述光控制器和所述移频器返回的两路光的混频光并转换为电信号，所述数据处理器用于根据获得的电信号计算出待测激光的频谱线宽。
2.根据权利要求1所述的激光线宽测量系统，其特征在于，所述光控制器包括光放大器和偏振控制器，所述光放大器用于将光放大功率使光发生受激布里渊散射，所述偏振控制器用于控制产生的受激布里渊光波的偏振态以调控出所需相位的光波。
3.根据权利要求2所述的激光线宽测量系统，其特征在于，所述光放大器包括掺铒光纤放大器或者掺镱光纤放大器。
4.根据权利要求1所述的激光线宽测量系统，其特征在于，所述第一反射器具体用于将光反射时将光的偏振状态旋转90度，和/或所述第二反射器具体用于将光反射时将光的偏振状态旋转90度。
5.根据权利要求1所述的激光线宽测量系统，其特征在于，还包括设置在所述光耦合器的第一端口和待测激光器之间的用于阻挡杂光通过的光隔离器。
6.根据权利要求1所述的激光线宽测量系统，其特征在于，所述移频器包括声光移频器。
7.根据权利要求1-6任一项所述的激光线宽测量系统，其特征在于，在所述移频器和所述第二反射器之间连接的光纤长度大于预设值。
8.根据权利要求7所述的激光线宽测量系统，其特征在于，连接在所述移频器和所述第二反射器之间的光纤为单模光纤，其截止波长与待测激光的波长相匹配。
9.根据权利要求1所述的激光线宽测量系统，其特征在于，所述数据处理器具体用于：将由所述光控制器返回到所述光耦合器的光场分布表示为：
将由所述移频器返回到所述光耦合器的光场分布表示为：
所述光电探测器获得的电信号表示为：
其中，E1表示由所述光控制器返回到所述光耦合器的光场强度，f1表示由所述光控制器返回到所述光耦合器的光的频率，E2表示由所述移频器返回到所述光耦合器的光场强度，f2表示由所述移频器返回到所述光耦合器的光的频率，表示光信号的相位，I(t)表示光电探测器获得的电信号，α表示两路返回光的振幅比，Δv表示两路返回光的频率差，表示两路返回光的相位差；
将所述光电探测器获得的电信号经过傅里叶变换得到功率谱密度，计算获得激光的频谱宽度。
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