CN111189619B - 一种激光器调谐精度的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器调谐精度的测量装置及方法，该测量装置包括：待测激光器及测量模块，待测激光器的输出端连接第一耦合器的输入端，第一耦合器的输出端分为两路，第一路通过延时光纤连接第二耦合器的输入端，第二路连接第二耦合器的输入端，第二耦合器的输出端连接探测器的输入端，探测器的输出端连接时频分析模块；待测激光器在离散调谐信号的作用下产生输出信号，输出信号经过所述测量模块得到待测激光器的调谐精度。本发明实施例提供的激光器调谐精度的测量装置可以在外部离散调谐精度的控制下通过延时自相干结构测量得到待测激光器的调谐精度，解决了现有技术中无法实现对单纵模窄线宽激光器的调谐精度的准确测量的技术问题。

Description

一种激光器调谐精度的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，具体涉及一种激光器调谐精度的测量装置及方法。

背景技术

自光纤问世以来，光纤通信技术得到了飞速发展，以单模光纤和单纵模激光器为主的光通信器件逐渐占据了市场主体。为提升光通信系统容量，各种复用技术不断被提出，其中最成熟、应用最为广泛的便是对激光器频率(波长)的复用。从最初的波分复用、密集波分复用到光正交频分复用、副载波复用等，对于激光器频率的划分越来越细、利用率也越来越高。与此同时，为提升系统传输距离，改善接收端灵敏度与抗放大器自发辐射噪声的能力，频率(相位)调制/相干检测技术正逐步取代传统的强度调制/直接检测技术，这无疑进一步提升了光通信系统对激光器频率特性的要求。

此外，在光纤传感尤其是高灵敏度振动传感方面，一个单纵模窄线宽的光源将是必不可少的，但其频率特性同样十分重要，过快的频率漂移将会恶化信号质量，严重时甚至使整个传感系统失效。因此有必要对激光器尤其是单纵模窄线宽激光器的频率调谐特性进行测量，进而找到精准抑制其频率漂移的方法。

然而，由于单纵模窄线宽激光器的波长在正常工作情况下仅会在极小范围内(约0.01nm即GHz量级)发生变化，对光谱仪不可见。若采用另一激光器与其拍频，则两激光器的中心频率之差难以稳定在光电探测器的响应带宽范围内，且激光器的相位噪声会干扰测量结果，无法顺利实现光域到电域的转换测量。因此，现有技术无法实现对单纵模窄线宽激光器的调谐精度的准确测量。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种激光器调谐精度的测量装置及方法，以解决现有技术中无法实现对单纵模窄线宽激光器的调谐精度的准确测量的技术问题。

本发明提出的技术方案如下：

本发明实施例第一方面提供一种激光器调谐精度的测量装置，该测量装置包括：待测激光器及测量模块，所述测量模块包括第一耦合器、延时光纤、第二耦合器、探测器及时频分析模块，待测激光器的输出端连接所述第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的输出端分为两路，第一路通过所述延时光纤连接所述第二耦合器的输入端，第二路连接所述第二耦合器的输入端，所述第二耦合器的输出端连接探测器的输入端，所述探测器的输出端连接所述时频分析模块；待测激光器在离散调谐信号的作用下产生输出信号，所述输出信号经过所述测量模块得到待测激光器的调谐精度。

可选地，该激光器调谐精度的测量装置还包括：偏振模块，所述偏振模块的输入端连接所述第一耦合器的第二路输出端，所述偏振模块的输出端连接所述第二耦合器的输入端。

可选地，所述偏振模块为扰偏器。

可选地，所述偏振模块为偏振控制器。

可选地，该激光器调谐精度的测量装置还包括功率计，所述功率计连接在所述探测器和所述时频分析模块之间。

可选地，所述延时光纤的长度大于100km。

可选地，所述离散调谐信号为方波信号或脉冲信号。

可选地，所述离散调谐信号的脉冲为O.3ms-0.9ms，所述离散调谐信号的占空比大于等于50％。

可选地，所述探测器为平衡探测器。

可选地，该激光器调谐精度的测量装置还包括：信号发生器，所述信号发生器连接待测激光器的输入端，用于产生离散调谐信号输入至待测激光器，所述信号发生器的初始值为信号发生器的最低值。

本发明实施例第二方面提供一种激光器调谐精度的测量方法，应用于如本发明实施例第一方面及第一方面任一项所述的激光器调谐精度的测量装置，包括如下步骤：根据待测激光器的线宽和频飘确定延时光纤的长度；根据延时光纤的长度确定离散调谐信号的脉宽和占空比；打开待测激光器，将微扰脉冲调到最低值，观测时频分析模块是否可以观测到频率信号，当观测不到某一确定的频率信号时，逐步调大离散调谐信号的脉冲幅度，直到观测到确定的频率信号作为待测激光器的调谐精度。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的激光器调谐精度的测量装置方法，通过将离散调谐信号作为外部微扰信号输入至待测激光器，待测激光器在微扰信号的控制下产生输出信号，该输出信号通过第一耦合器、延时光纤、第二耦合器、探测器及时频分析模块组成的延时自相干结构，即可检测得到待测激光器的调谐精度。因此，本发明实施例提供的激光器调谐精度的测量装置可以在外部离散调谐精度的控制下通过延时自相干结构测量得到待测激光器的调谐精度，解决了现有技术中无法实现对单纵模窄线宽激光器的调谐精度的准确测量的技术问题。

本发明实施例提供的激光器调谐精度的测量装置在测量模块中采用延时自相干结构，可避免不同激光器拍频产生的过大频漂和相位噪声干扰，提升拍频信号稳定性，降低探测器的带宽要求。同时，本发明实施例提供的激光器调谐精度的测量装置，无需移频器、放大器等额外器件，成本低廉；接收端无需复杂的分析处理算法，简单易行。并且，延时光纤、微扰脉冲等参数均可根据实际可以根据需要自行调节，提高了该测量装置的适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中激光器调谐精度的测量装置的结构原理图；

图2为本发明实施例中激光器调谐精度的测量装置的待测激光器的频率随电流/温度信号变化的曲线图；

图3为本发明另一实施例中激光器调谐精度的测量装置的结构原理图；

图4为本发明实施例中激光器调谐精度的测量方法的测量流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种激光器调谐精度的测量装置，如图1所示，该测量装置包括：待测激光器1及测量模块，测量模块包括第一耦合器3、延时光纤2、第二耦合器4、探测器5及时频分析模块6，待测激光器1的输出端连接第一耦合器3的输入端，第一耦合器3的输出端分为两路，第一路通过延时光纤2连接第二耦合器4的输入端，第二路连接第二耦合器4的输入端，第二耦合器4的输出端连接探测器5的输入端，探测器5的输出端连接时频分析模块6；待测激光器1在离散调谐信号的作用下产生输出信号，输出信号经过测量模块得到待测激光器1的调谐精度。其中，时频分析模块6可以选择频谱仪，也可以选择示波器。

具体地，由于窄线宽激光器在驱动电流或环境温度变化的情况下会产生微小频率漂移，因此可采用控制电流或温度的方法来微调激光器频率。对于窄线宽激光器频率的最小调谐精度，可以通过微小电流或温度的逐步逼近来求得激光器调谐精度与电流/温度的对应关系，进而实现窄线宽激光器整个调谐范围内的频率特性测量与精准控制。

本发明实施例提供的激光器调谐精度的测量装置测量原理如下：假设待测激光器具有良好的输出功率以及足够高的电流/温度——频率响应速度，则可给其施加一周期性离散调谐微扰电流/温度信号。如图2所示，通常情况下激光器频率在小范围内与微扰电流/温度呈现近似线性关系，因此在微扰信号的控制下激光器频率也会产生相同规律的变化(即周期性跳频信号)。当此跳频信号输入测量模块时，两路会产生相同且存在固定延时差的跳频光信号。通过时频分析模块检测此光外差频率的大小，即可得到待测激光器的调谐精度。

本发明实施例提供的激光器调谐精度的测量装置，通过将离散调谐信号作为外部微扰信号输入至待测激光器，待测激光器在微扰信号的控制下产生输出信号，该输出信号通过第一耦合器、延时光纤、第二耦合器、探测器及时频分析模块组成的延时自相干结构，即可检测得到待测激光器的调谐精度。因此，本发明实施例提供的激光器调谐精度的测量装置可以在外部离散调谐精度的控制下通过延时自相干结构测量得到待测激光器的调谐精度，解决了现有技术中无法实现对单纵模窄线宽激光器的调谐精度的准确测量的技术问题。

本发明实施例提供的激光器调谐精度的测量装置在测量模块中采用延时自相干结构，可避免不同激光器拍频产生的过大频漂和相位噪声干扰，提升拍频信号稳定性，降低探测器的带宽要求。同时，本发明实施例提供的激光器调谐精度的测量装置，无需移频器、放大器等额外器件，成本低廉；接收端无需复杂的分析处理算法，简单易行。并且，延时光纤、微扰脉冲等参数均可根据实际可以根据需要自行调节，提高了该测量装置的适用范围。

在一实施例中，待测激光器1可以选择单纵模窄线宽激光器，例如，待测激光器1的线宽可以小于1MHz，频飘可以小于1GHz/min。并且，对于线宽越窄、频飘越低的激光器，采用本发明实施例提供的测量装置测量得到激光器的调谐精度越精确。同时，激光器的线宽越窄、频漂越低，则采用的延时光纤2长度可以尽可能长。例如，激光器的线宽低至kHz量级，频漂低至MHz/min量级，则延时光纤2可以选择大于或等于200km的长度。较大的延时可增加光电转换后外差信号的持续时间，从而提高信号的信噪比。若激光器的线宽或频漂较大，或输出功率过低，则可以选择延时光纤的长度大于等于100km小于等于200km。

在一实施例中，离散调谐信号可以是方波信号或脉冲信号。离散调谐信号的脉冲可以选择O.3ms-0.9ms，离散调谐信号的占空比可以选择大于等于50％。此外，当确定延时光纤的长度后，可以由该长度确定离散调谐信号的脉宽和占空比。例如，选择的延时光纤的长度为100km，则脉宽可设定为0.5ms。占空比以50％为最佳，此时外差信号可获得最高的信噪比。

在一实施例中，可以在第一耦合器3的第二路输出端连接偏振模块，即在第一耦合器3和第二耦合器4之间连接的两路光路中，可以选择一路设置延时光纤2，另一路设置偏振模块。偏振模块可以保证两路光信号的偏振一致性。

可选地，该偏振模块可以选择扰偏器，也可以选择偏振控制器。如图3所示，当偏振模块为偏振控制器7时，还可以在探测器5和时频分析模块6之间设置功率计8。可以通过监测功率计8的示数调整偏振控制器7，当功率计8监测到的拍频信号功率达到最大时，说明两路光信号的偏振一致。

在一实施例中，该测量装置还可以包括信号发生器，信号发生器连接待测激光器1的输入端，用于产生离散调谐信号输入至待测激光器，具体地，在应用该测量装置进行测量时，可以先打开待测激光器1并待其运行稳定后，将信号发生器产生的离散调谐信号输入其对应端口，初始幅度可设置为信号发生器的最低值，调节光路中的偏振控制器7，使得最终外差信号的包络达到最大，同时观察此信号的时频分析模块的时频分析结果。若观测不到某一确定的频率信号，则逐步调大信号发生器的脉冲幅度，直至刚刚能观测到频率信号为止。此时的信号频率即为激光器频率调谐精度，脉冲幅度即为对应的电流/温度调谐量。

在一实施例中，探测器5可以选择平衡探测器，平衡探测器中内置两路通道，使用两个特性接近的PD管作为光电转换，其中一路加入延迟线，或者前端使用马赫曾德干涉仪，调整一路的相位反偏。后端使用的是差分放大器，放大差模信号，抑制共模信号。将两路相加后，噪声完全相抵，大幅度放大输出幅度。因此，选择平衡探测器作为探测器可以获得较高的信噪比，从而可以获得更为精确的调谐精度。

本发明实施例还提供一种激光器调谐精度的测量方法，如图4所示，首先可以判断待测激光器的线宽和频飘，即判断待测激光器的适用性，当待测激光器的线宽小于1MHz，频飘小于1GHz/min时，采用该测量装置测得的结果更精确；之后可以根据待测激光器的线宽和频飘确定延时光纤的长度，根据延时光纤的长度确定微扰脉冲(离散调谐信号)的脉宽和占空比；在确定各参数后，可以打开待测激光器，将微扰脉冲调到最低值，观测时频分析模块是否可以观测到频率信号，若观测不到某一确定的频率信号，则逐步调大信号发生器的脉冲幅度，直至刚刚能观测到频率信号为止。此时的信号频率即为激光器频率调谐精度，脉冲幅度即为对应的电流/温度调谐量。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (8)

1.一种激光器调谐精度的测量装置，其特征在于，包括：待测激光器及测量模块，所述测量模块包括第一耦合器、延时光纤、第二耦合器、探测器及时频分析模块，

待测激光器的输出端连接所述第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的输出端分为两路，第一路通过所述延时光纤连接所述第二耦合器的输入端，第二路连接所述第二耦合器的输入端，所述第二耦合器的输出端连接探测器的输入端，所述探测器的输出端连接所述时频分析模块；

待测激光器在离散调谐信号的作用下产生输出信号，所述输出信号经过所述测量模块得到待测激光器的调谐精度，所述延时光纤的长度大于等于100km，所述离散调谐信号的脉冲为0.3ms-0.9ms，所述离散调谐信号的占空比大于等于50％。

2.根据权利要求1所述的激光器调谐精度的测量装置，其特征在于，还包括：偏振模块，所述偏振模块的输入端连接所述第一耦合器的第二路输出端，所述偏振模块的输出端连接所述第二耦合器的输入端。

3.根据权利要求2所述的激光器调谐精度的测量装置，其特征在于，所述偏振模块为扰偏器。

4.根据权利要求2所述的激光器调谐精度的测量装置，其特征在于，所述偏振模块为偏振控制器。

5.根据权利要求4所述的激光器调谐精度的测量装置，其特征在于，还包括功率计，所述功率计连接在所述探测器和所述时频分析模块之间。

6.根据权利要求1所述的激光器调谐精度的测量装置，其特征在于，所述离散调谐信号为方波信号或脉冲信号。

7.根据权利要求1所述的激光器调谐精度的测量装置，其特征在于，所述探测器为平衡探测器。

8.一种激光器调谐精度的测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的激光器调谐精度的测量装置，包括如下步骤：

根据待测激光器的线宽和频飘确定延时光纤的长度；

根据延时光纤的长度确定离散调谐信号的脉宽和占空比；

打开待测激光器，将微扰脉冲调到最低值，观测时频分析模块是否可以观测到频率信号，当观测不到某一确定的频率信号时，逐步调大离散调谐信号的脉冲幅度，直到观测到确定的频率信号作为待测激光器的调谐精度。

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