窄線寬激光的特性與應用 - 筱曉光子AOL實驗室① 2022-07-04

激光器線寬，尤其是單頻激光器的線寬，是指其光譜的寬度（通常指半高全寬，FWHM）,以我們的一款1550nm寬光譜激光器（SLD）為例，測量它一半高度的光譜寬度，就是這個激光器的線寬，大約為40nm。

而窄線寬激光器的激光線寬在kHz量級，光譜呈針尖狀，廣泛用于傳感，雷達，測試測量，通信以及常規研究等應用。目前，市面上的光譜儀沒有哪一款分辨率是可以到kHz量級的。所以，用光譜儀直接測量窄線寬激光器線寬，是不可能測量出窄線寬激光器真正的光譜形狀的。比如說，我們的DFB激光器，激光線寬應在2MHz，用光譜儀直接測量其光譜形狀如下。然而，光譜儀顯示激光器的線寬（3.0dB Width）為0.078nm，與實際情況相差甚遠。這是因為我們使用的光譜儀本身的分辨率（Res）是0.07nm，它不可能測量出小于它本身分辨率的寬度。因此，這個0.078nm不是激光器的線寬，而是光譜儀自身的最小測量寬度。

那么，如何測量窄線寬激光器真實的線寬呢？我們有許多間接的手段可以把窄線寬激光器的線寬呈現出來。

線寬測量方法：

 線寬測試系統圖 

我們采用延時自外差法對其線寬進行了測量，它是一種精準測量單縱模窄線寬激光器線寬較好的方法。對于延時自外差法系統,激光器發出的光波經耦合器分成兩路，一路經過光纖延遲線，另一路經過聲光調制器進行移頻，兩路光波自身光頻非常大(可高達幾百太赫茲以上)，但是經過移頻，頻移量有幾十到幾百兆赫茲，此時兩路光頻相差僅為頻移量，遠遠小于光波本身頻率，滿足拍頻條件。頻譜分析儀測量的為相干疊加后得到的光電流譜線，此時可從延時光電流譜線測定窄線寬激光器的線寬。下圖是我們近期對窄線寬激光的測試結果。測量-20dB處的線寬，然后除以20，也就是1.7kHz，就是激光器的線寬。

 窄線寬激光器線寬測試圖 

 LD-PD RIO相位噪聲對比圖 

DVS系統：

DVS系統，是光纖分布式振動傳感系統，是將光纖本身作為傳感器件，反饋光纖在不同位置的振動，溫度，應力等變量，并實現精確定位的系統。這種系統采用的是φ-OTDR技術，對激光光源的線寬要求很高，最hao要達到kHz量級。下圖是我們之前使用RIO窄線寬激光器研發的DVS低成本系統。使用的激光線寬越窄，識別的振動位置精度就越高。

 DVS系統示意圖