可调谐半导体激光器在调谐过程中的瞬时光谱特性, 如瞬时的波长、 调谐率、 功率、 线型和线宽等参数影响着以激光器为光源的光学测量和光相干通信系统的精度。 然而, 能够同时测量这些瞬变参数的技术至今未见报道。 提出了一个基于时频分析的测量半导体激光器在调谐过程中瞬时光谱参数的方法, 利用一个短时延外差测量系统, 利用激光器瞬时光谱参数与差拍信号瞬时参数的关系, 最终获得了半导体激光器在连续电流调谐过程中的瞬时光谱。 测量系统采用了10 cm光程差的Mach-Zehnder干涉仪, 调谐电流是幅度为20~120 mA、 频率是1 kHz的锯齿波, 差拍信号可视为直流信号、 载波信号与噪声的叠加, 按照短时延相干光测量原理, 差拍信号中的直流分量幅度的大小反映了激光器输出光信号的功率; 载波信号是一种多项式相位信号, 由其频率可以推算激光器输出光谱的中心频率或波长; 噪声信号则与激光器输出光谱的线型和线宽相关, 通过对噪声信号进行时频分析, 可以获知激光器在连续电流调谐过程中每一时刻或每个电流下的瞬时线型、 线宽。 采用了趋势局部均值分解方法对差拍信号进行了准确分离, 并对分离信号分别进行处理, 同时获知了半导体激光器在调谐过程中的瞬时输出光功率、 光波长、 调谐率及线型、 线宽。 在去掉弛豫部分后截取的整周期差拍信号对应的调谐电流60~115 mA变化范围内, 半导体激光器(FRL15DDR0A31-18950, Furukawa)瞬时输出光功率变化范围是5.16~10.6 mW, 瞬时光波长变化范围为1 579.2~1 579.6 nm; 激光器的瞬时调谐率在0.004 8~0.011 5 nm·mA-1范围内单调变化; 线宽是852.55~954.95 kHz, 呈非线性随机分布。 基于短时延、 局部均值分解和时频分析方法的瞬时光谱参数测量系统可以准确得到各瞬时光谱参数, 测量结果与激光器的静特性相符, 且测量系统结构简单, 使我们更深入地理解激光器的工作原理, 具有广阔的应用前景。

半导体激光器的线宽通常采用激光外差测量技术, 通过差拍信号的功率谱密度函数来确定, 受傅里叶变换方法的限制, 得到的均是在一定时间段内的静态平均线宽。 为了获得半导体激光器在电流调谐过程中的瞬时线宽特性, 提出了利用时变功率谱获知调谐瞬时线宽的相干和非相干测量方法, 并分别进行了理论分析和实验验证。 首先对半导体激光器输出光信号及差拍信号进行了时间-频率域下的数学描述, 确定了时变功率谱与调谐瞬时线宽的关系; 其次, 针对差拍信号的趋向性特征, 提出了趋势局部均值分解方法, 并研究了利用分解出的乘积函数建立差拍信号及激光器输出光信号的时变功率谱的方法; 最后利用非相干和相干测量法分别获得了分布反馈式半导体激光器在50~51及50~100 mA锯齿波电流调谐过程中的瞬时线宽。

为了测量半导体激光器在电流调谐下的动态波长, 提出了基于光纤延时自外差法的测量方案, 阐述了测量原理, 研究了拍频与动态波长的递推关系。 应用该实验系统测量了分布反馈式半导体激光器调谐的动态波长特性, 与由光谱仪测量的稳态波长特性比较。 结果表明, 动态波长与稳态波长随电流变化特性有着类似的非线性规律, 在20~100 mA调谐范围内二者差异小于0.002 nm。 此外, 通过气体CO2的两条吸收谱线与HITRAN谱库中标准吸收线位置比对, 辨识出半导体激光器调谐的动态波长, 该辨识出的动态波长值与由延时自外差法推算出的动态波长值比较, 二者误差为1 pm, 进而验证了该测量系统的可靠性。