窄线宽激光器的特性与应用 - 筱晓光子AOL实验室①

2022-07-04 10:41:57

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。

而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。

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：

 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。

 窄线宽激光器线宽测试图 

 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hao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。

 DVS系统示意图