HTML
-
由上述分析延时外差法的原理可得到光电流功率谱密度的函数表达式。考虑对硬件条件的要求,实验中采用短光纤法来测量激光器线宽,这样对数据处理可能不方便,但对硬件设备要求不会很苛刻,不需要外置的保偏器件,减少了长光纤带来的损耗,测量数据也能灵活处理。
假设待测DFB半导体激光器的中心波长λ=1550nm,线宽Δν=800kHz,则依照前面的分析,该信号在时域内表现为受随机相位调制的余弦曲线,不妨设该光源的光场分布为:
式中,ν0=c/λ=1.9355×1014Hz,为待测线宽的光源输出固定频率;φ(t)均匀分布在[-π, π]区间内。
在时域中,因为相位φ(t)是一个随机的变量,因此它的光场分布也有随机性。单色光的时域图像如图 2所示。只有把此信号从时域中转换到频域中,才能得到所需的性能特性[17-18]。
由上述原理分析可以知道,光源功率谱密度曲线应为标准的洛伦兹型分布曲线。它的半峰全宽就是此线宽的2倍,而且此光谱带中心就是光频。
本文中待测光源线宽Δν=800kHz,以300m光纤延迟线为开始,采用上述的原理方法获得光功率谱密度曲线, 得到DFB激光器线宽的测量值ν′,然后每间隔300m记录一组频谱数据,共测量了20组。通过得到的光功率谱密度曲线,得到每一组长度下的测量线宽数值,得到不同光纤延迟线长度下的线宽测量值与DFB激光器线宽实际值之间的关系,如表 1所示。可见,每当光纤延迟线长度增加300m时,DFB激光器的线宽测量值就越接近实际值,当光纤延迟线长度在6000m附近时,测量值与实际值十分接近。
L/m 300 600 900 1200 1500 ν′/kHz 1414.325 1136.122 951.566 926.318 903.231 L/m 1800 2100 2400 2700 3000 ν′/kHz 883.316 868.719 856.506 844.209 832.471 L/m 3300 3600 3900 4200 4500 ν′/kHz 828.440 820.274 817.669 812.663 809.812 L/m 4800 5100 5400 5700 6000 ν′/kHz 806.375 805.228 804.879 803.849 802.221 Table 1. Linewidth measurement of light source with linewidth 800kHz at different delay fiber lengths
从理论解析知,当系统所用光纤延迟线非常短时,则干涉的光程差就非常小,干涉因素对光电流谱密度曲线就有很大影响,使光电流谱密度线型和光源光谱线的偏差就非常大。本文中在20组测量数据中选择长度分别为900m, 3000m和6000m的光纤延迟线作为典型数据,仿真出的光电流谱密度曲线图分别为图 3、图 4和图 5所示。
通过计算可以知道,此时的测量值分别是951.566kHz, 832.471kHz和802.221kHz。由图 3~图 5的功率谱密度曲线变化趋势和计算结果可以很清晰地看出, 当延时光纤的长度在1000m左右时, 所得光源的功率谱密度曲线的线型与理想光源的功率谱密度曲线线型偏差很大, 并且在该长度范围内, 光电流功率谱密度的半峰全宽值随光纤长度的变化极其不稳定。
随着光纤延迟线的延长,测量的线宽与理论线宽值很接近。另外在处理数据的过程中,作者使用的方法非常的简便清晰,产生的误差相对来说也比较小。另一面,延时光纤的长度的变化会对测量有着很大的影响,对于出现不稳定的测量区域应该去除掉。测量时的延时光纤的长度至少要在1000m以上,才能确保测量数据有着相对稳定性和准确性。理论分析中可以得知,使用的延时光纤的长度在6000m左右时,得到的光电流功率谱密度的线性非常接近标准的洛伦兹型曲线,此使得到的激光器的线宽更接近真实值。