超低噪聲單頻可調諧抗振激光器的研究

1單頻光纖激光器光纖云南省是光纖通信中最前景的光源。其中,單頻光纖激光器在過去的20年中得到了長足發展,并在分布式傳感、相干光通信、雷達等領域有著廣泛的應用。在獲得單頻光纖激光輸出的眾多方法中,分布布拉格反射方法是較為常用的一種,由該方法獲得的單頻光纖繳光器具有窄線寬、頻率可調、相干長度長以及噪聲低等性能。陣列式及分布式的光纖傳感技術通常可以滿足各種民用監測的需求,故在橋梁、建筑物、公路和石油化工等領域得到了廣泛的應用。使用該技術可制作出專門針對超遠距離、超高精度和超高敏感度應用市場的窄線寬單頻光纖激光器,再利用微波雷達上的連續波調頻(FrequencyModulationContinuousWave,FMCW)技術可對超遠距離目標進行高精度的相干探測,從而改變市場對光纖傳感、激光雷達和激光測距等的固有觀念。利用光纖本身直接傳感可以構建低成本的分布式傳感網絡,具有巨大的經濟效益和現實意義。目前,國際上有多家公司正在開發此類面向分布式傳感,低噪聲的單頻激光器。經過十多年的努力,已開發出了多種形式的低噪聲激光器,但這些激光器仍未完全達到應用系統對激光器噪聲、抗振性、波長調諧范圍的要求。在國際市場上,所有商用單頻激光器在低頻段都存在高噪聲問題,例如在1Hz頻率,其相位噪聲大多超過50μrad/sqrt(Hz)/mOPD,而1~100Hz是聲波探測的最重要的頻率段。用戶切換通道時,希望激光器波長調諧范圍寬、波長轉換時間短,而多數窄線寬單頻激光器無法達到滿意的調諧范圍或調諧速度(波長調諧范圍多數小于0.2nm)。基于單頻光纖激光器巨大市場的需求,在目前主流產品在噪聲、抗振性、波長調諧范圍方面均不能滿足用戶需求的背景下,本文自主研發了一款中心波長為1550nm的超低噪聲單頻可調諧高抗振保偏光纖激光器。2激光設計2.1單頻光纖激光器如圖1所示,單頻噪聲可調諧光纖激光器(TunableSingleFrequencyFiberLaser,TSF-FL)主要由單頻激光諧振腔和保偏光纖放大器以及監控反饋光路組成。激光諧振腔輸出的信號光按一定比例進入到反饋光路中。反饋光路有兩條支路,一路檢測光功率,另一路檢測光波長(頻率)。利用光電探測器測量功率,鑒頻器檢測波長(頻率),主要是一個法布里-珀羅標準具。利用反饋光路以及相應的電路,通過反饋控制使激光器的出光功率和波長處于穩定狀態。功率反饋回路同時作用于激光諧振腔和光纖放大器,以保證激光器輸出光的功率穩定。整個光路中采用的是單模保偏光纖,單頻光纖激光器的輸出既是單縱模又是單橫模。通過控制諧振腔溫度,激光器輸出波長的可調諧范圍最大為3nm。為了保證輸出波長、功率穩定,噪聲超低的激光,本文采用了精密穩定的閉環溫控技術,使得激光器的工作溫度極其穩定,溫度控制分辨率達0.001℃;使用了鑒頻部件及配套閉環系統實現激光的輸出頻率和功率鎖定。該閉環系統既保證了波長和功率的穩定輸出,也大大降低了激光器的低頻噪聲水平,同時制備的激光器光學膜還有效地提高了激光損傷閾值。通常來說,獲得單頻激光器的方案主要有環形腔,短腔法,腔內插入選模元件,扭轉模,預激光,種子注入等。TSFFL主要采用種子注入再放大的方式,而種子光采用光柵反饋及外腔耦合的方式保證單頻輸出。3性能測試和結果表明3.1性能試驗3.1.1干涉信號的測量相位噪聲(或頻率噪聲)測量采用間接測量的方式,通過高穩定性的光纖干涉儀將波長(或頻率)漂移轉化為強度變化。如圖2所示,激光信號經過光隔離器,光衰減器后進入到10m光程差的邁克爾遜光纖干涉儀,干涉儀的輸出信號經過光隔離器后輸入到光電探測器中,光電探測器將光信號轉換成電信號,使用示波器及動態信號分析儀測量干涉信號。測量相位噪聲時,從動態信號分析儀上讀取噪聲值,通過換算獲得頻率噪聲或相位噪聲。3.1.2功率譜密度測量激光器的相對強度噪聲(RelativeIntensityNoise,RIN)測量是通過探測器直接測量光功率及其功率譜密度來實現的。如圖3所示,輸出激光經過光隔離器、光衰減器后輸入到光電探測器中,光電探測器將光信號轉換成電信號,使用動態信號分析儀測量激光的相對強度噪聲,從頻譜分析儀上讀取噪聲值,再通過轉換獲得相對強度噪聲值。3.1.3多波長光纖測量線寬測量采用延時自外差零拍法。激光信號經過光隔離器和光衰減器后輸入到由2×2的3dB光纖耦合器、42km延時光纖和兩個反射鏡組成的邁克爾遜光纖干涉儀,通過干涉儀形成的干涉信號輸入到光電探測器中。干涉信號經光電探測器后,接入頻譜儀讀取頻譜密度分布。從測得的譜密度分布曲線,可以得到激光線寬的信息。不同延時光纖長度的測量結果如圖5所示,其中τ為光纖延遲時間,τc為被測激光的相干長度。可見,當延時光纖長度與被測激光器的相干長度接近時(τ與τc接近),功率譜密度顯著提升,線寬測量的精度較高,由此認為此延時光纖可以用來測量相應的激光線寬。根據計算可知,使用42km長光纖可以測量的Lorentzian型線寬達到5kHz以下。如需要測量線寬更窄的激光器,則需要用更長的延時光纖。3.2tsffl的測量特性基于前文所述的測試方法,本文對激光器的相位噪聲、相對強度噪聲以及線寬進行了測量。如圖6所示,激光器的相位噪聲隨頻率的增長呈下降的趨勢。因此,低頻段的相位噪聲就成為衡量一個激光器性能好壞的重要指標。從圖6可以看到,在1MHz以上頻段激光器的相位噪聲小于;在100kHz~1MHz,相位噪聲接近,而在100kHz以內,特別是在1Hz附近相位噪聲小于。與目前國際上流行的商用單頻激光器相比,TSFFL的相位噪聲在低頻段具有絕對的優勢。種子光源的RIN的測試結果如圖7所示。在整個測試頻率范圍內(直到10MHz),RIN均小于-140dBc/Hz,在1MHz以后RIN<-155dBc/Hz。加入放大器后,RIN會有一定的惡化(4~5dB),因為RIN反映的是激光器輸出功率的穩定性。以上這些指標說明,TSFFL可以滿足絕大多數精密測量對激光器功率穩定性的要求。圖8給出了一個典型的激光器線寬測量結果。從曲線下降3dB點可讀出頻率為4kHz,再從曲線下降20dB處,可讀出頻率為42kHz。由此估計,激光器的線寬近似為4kHz。相位噪聲或頻率噪聲反映的是激光器頻率(波長)的穩定性。盡管圖2中的光纖干涉儀經過了隔振和隔熱處理,但仍難對超低頻(<1Hz)的頻率噪聲或頻率穩定性進行測量。因此,本文采用拍頻直接測量激光器的頻率波動。測量激光器頻率漂移1h后,其測量結果如圖9所示。與國際上流行的商用激光器比較可以看到,TSFFL在1h內的頻漂小于1.5MHz,而作為對比的激光器的頻漂大約是TSFFL的9倍。因而,TSFFL展現了極好的頻率(波長)穩定性。打開激光器電源,將激光器波長鎖定在對應的ITU通道,波長控制誤差不超過±1.0pm,波長調諧范圍最大為3nm。圖10為TSFFL的典型輸出光譜圖,由圖可見其信噪比優于60dB。除了噪聲特性,激光器的抗振動性能也是一個重要的指標。這是因為外界環境所引起的機械振動會造成激光器的頻率變化,進而形成頻率噪聲。除非是在實驗室條件下有很好的隔振、恒溫措施,多數實際使用的低噪聲激光器都對振動環境有要求。測試結果顯示,TSFFL的抗振動能力已達到0.1g,而國際市場上的絕大多數商業低噪聲單頻激光器產品目前都未能達到這一指標。這為低噪聲激光器在野外惡劣條件下的使用提供了可能,尤其是在車載、船載和機載情況下的使用。TSFFL的綜合性能指標如表1所示。通過選擇不同類型的種子光源諧振腔,激光器的線寬可以控制在1~400kHz,而光纖激光器的輸出功率則由保偏摻鉺光纖放大器來調節,最大為1W。光纖放大器的使用,使得激光器最后輸出的強度噪聲要高于直接從種子光源諧振腔輸出光的噪聲。對于三能級的摻鉺光纖放大器,其輸出光的強度噪聲理論上至少要比輸入光惡化3dB,而實際上通常要惡化4~5dB;但即使如此,TSFFL仍可保證功率穩定性優于1%,相對強度噪聲優于-130dBc/Hz,而且這些指標均可在0~50℃環境下得到保證。4