1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
2 北京控制工程研究所，北京 100190
对稳频半导体激光器的频率进行在线实时监测的需求量和迫切性一直在不断增长。特别是近几年发展起来的连续波激光雷达通常以单频半导体激光器为种子源，并通过相干检测方式获得雷达信号的频率，从而获得目标物的距离信息，这就使得种子光源的频率精度直接与测距精度密切相关，因此，对光源的频率稳定性的表征也提出了新的要求：更关注短期（在相干时间内，亚微秒~数毫秒）的频率变化模式，对长时段内（数分钟~24 h）的绝对频率高精度监测的需求减弱；同时要求频率监测系统具有在线实时监测能力。针对这些需求，基于延时自外差原理，提出了一种表征稳频激光器的频率变化的方法，经过严谨的原理推导和算法编程，使得监测系统不仅结构简单，还实现了在线实时监测功能，并测量了一台利用氰化氢（H13C14N）气体吸收谱线基于边频锁定技术的稳频分布反馈式半导体激光器（DFB-LD）频率变化曲线。测量结果是：在10 ms内稳频激光器的最大频率变化约为25 MHz，并且清楚地观察到激光器的频率变化不是单向的漂移模式。为了进一步验证该方法的精度，采用主流的飞秒光频梳拍频法离线测量了同一台稳频DFB-LD的频率变化，实验结果是：在50 min内频率变化约为30 MHz。两种测量方法的测量结果均在相同的MHz量级，证明了该方法是一个快速可靠的光频率分析手段，可应用于实时调节稳频激光器的伺服回路系统。
半导体激光器 自外差探测 频率测量 稳频 semiconductor laser self-heterodyne detection frequency measurement frequency stabilization 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230063
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 南京理工大学先进固体激光工信部重点实验室，江苏 南京 210094
3 中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东 青岛 266555
提出一种基于短光纤延时自外差法的可见光波段单频激光线宽测量方法，利用短延时光纤减小可见光在石英光纤中的损耗并降低系统低频噪声，通过频谱信号平滑方法极大地提高频谱数据的信噪比，通过非线性最小二乘法拟合还原原始信号频谱，并最终计算出可见光波段激光线宽。构建可见光波段的延时自外差测量系统，搭建127 m和500 m延时光纤的可见光波段延时自外差测量装置，测得635 nm单频外腔半导体激光器线宽为29.4 kHz，与两个相同型号激光器互拍的测量结果接近，证明了基于短光纤延时自外差方法测量可见光单频激光器线宽的可行性。
测量 线宽测量 延时自外差法 可见光激光器 光学系统 光学学报
2023, 43(21): 2112006
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
2 广西光电信息处理重点实验室，广西 桂林 541004
3 长飞光纤光缆股份有限公司光纤光缆制备技术国家重点实验室，湖北 武汉 430073
4 大族激光科技产业集团股份有限公司，广东 深圳 518000
为了探究激光器线宽的综合特性，对波长可调谐窄线宽激光器的线宽进行了理论分析。搭建了基于非平衡马赫-曾德尔干涉结构的延时自外差测量系统，以研究波长可调谐窄线宽激光器的稳态及动态线宽特性。为了平衡线宽测量的速度和精度，完成了不同接收机带宽下的线宽测试。针对激光器波长连续调谐时产生的线宽展宽问题，通过控制激光器波长调谐时的步进量保持输出功率的稳定性，补偿了线宽的测量误差。该研究不仅能完善激光器线宽特性的研究，对光频域反射技术的研究也具有重要意义。
激光器 窄线宽激光器 线宽测量 延时自外差法 拍频法 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2114003
华中科技大学武汉光电国家研究中心，光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
提出一种基于自外差探测技术的相干光载射频信号传输系统，可以借助自外差探测技术实现光学上变频。在该系统中，4个低频信号被上变频为高频毫米波信号，且在远端射频单元无需进行任何数字信号处理(DSP)。分析了对称边带串扰产生的原因并提出了在发射端消除边带串扰的方法。实验验证了通过在发射端使用4路独立、载频为10 GHz、带宽为1.6 GBaud的16-QAM射频信号和一个载频为20 GHz的单音信号，可以在接收端产生4路独立、载频为30 GHz、带宽为1.6 GBaud的16-QAM毫米波信号。在接收端不使用任何数字补偿算法的情况下，这4路毫米波信号经过50 km标准单模光纤传输后的误差矢量幅度(EVM)值均低于12.5%的阈值，复合速率达到25.6 Gbit/s。此外，发射端的数模转换采样率可以降至24 GSa/s，有效降低了系统的成本和复杂度。
光通信 模拟光载射频 毫米波通信 自外差相干探测 光学上变频 对称边带串扰 中国激光
2022, 49(12): 1206005
1 中国科学院国家授时中心时间频率基准重点实验室, 陕西 西安 710600
2 中国科学院大学, 北京 100049
提出了一种基于短光纤循环延迟自外差技术测量亚千赫兹激光器线宽的方法。采用延迟长度仅为2 km的循环延迟自外差干涉仪,实现了一系列不同延迟时间拍频信号的同时测量。通过仿真拟合了多组高阶拍频信号的功率谱,获得激光器的平均线宽为944 Hz,该结果与传统拍频法测得的激光线宽基本一致。所提方法不仅可以避免单次测量误差,而且能有效减小1/f频率噪声引起的频谱加宽,可精密测量窄线宽激光器的线宽。
测量 窄线宽激光器 线宽测量 循环延迟自外差法 短延迟光纤 拍频信号
南昌理工学院 光电材料重点实验室, 江西 南昌 330044
窄线宽激光器在光学传感领域取得广泛应用, 激光器的频率漂移和噪声大小直接影响光学传感器测量精度, 采用自外差拍频方法对窄线宽光纤激光器和半导体激光器的频率漂移和噪声特性进行了初步测量。进行了频率漂移测量理论计算, 仿真分析了延时光纤长度与频率漂移大小对应关系, 确立了延时外差光纤长度;搭建了基于自外差结构的窄线宽激光器频率漂移测试装置, 对测试装置组成进行了叙述; 基于该测试装置进行了窄线宽激光器的频率漂移和噪声测试, 测试表明光纤激光器和半导体激光器均存在明显的频率漂移, 漂移速度大约2MHz/10s, 光纤激光器的频率噪声要明显低于半导体激光器, 与两型激光器的频率噪声测试结果吻合, 提出的激光器频率漂移和噪声测试装置, 为激光器频率漂移和噪声优选对比提供了一种方便、快捷的测试方法。
半导体激光器 光纤激光器 延时自拍 自外差结构 频率漂移 semiconductor laser fiber laser delayed self-timer self-heterodyne structure frequency drift
为了测量分布反馈(DFB)单模半导体激光器线宽, 采用一种新颖的基于马赫-曾德尔干涉结构的光纤自外差测量方案, 设计了一套全光纤延时自外差法测量系统, 并进行了理论分析。在此基础上搭建了延时光纤长度分别为900m,3000m和6000m的窄带线宽测量系统, 对实验室一台中心波长为1550nm、标称线宽值为800kHz的DFB单模半导体激光器光源进行了测试, 测得激光器线宽值分别为951.566kHz,832.471kHz和802.221kHz, 并对所设计的方案进行了模拟仿真验证。结果表明, 与模拟仿真结果作对比, 延时光纤长度为6000m时的窄带线宽测量系统最优, 其误差在3%之内, 证明了所用自外差干涉原理的合理性和准确性。全光纤移频延时自外差法对测量DFB激光器线宽具有优越性和重要的实用价值。
激光技术 线宽测量 延时自外差 仿真 laser technique line-width measurement delay self-heterodyne simulation
1 中国科学院电子学研究所微波成像技术重点实验室, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
本振信号较差的相干性限制了合成孔径激光雷达(SAL)对远距离目标成像的方位/横向分辨率。研究了SAL信号相干性保持问题, 提出了一种基于本振数字延时的SAL信号相干性保持方法。通过设置本振信号参考通道, 采用自外差探测的方式, 在数字域提取本振信号频率不稳引入的相位, 并将其在数字域延时后对目标回波信号实施相位补偿。建立了激光信号模型, 对所提出的SAL信号相干性保持方法进行了误差分析, 给出了自外差探测中光纤延时长度的选取原则。理论分析和仿真实验表明, 该方法能有效保持SAL信号的相干性。
遥感 合成孔径激光雷达 信号相干性 本振数字延时 相位估计 自外差探测
华北电力大学 电子与通信工程系, 河北 保定 071003
为了减小相干瑞利噪声, 提出了一种多波长瑞利和布里渊自外差检测布里渊光时域反射系统。分析了相位调制产生多波长探测光的机理及三波长系统的自外差检测原理; 搭建单波长和三波长自外差检测布里渊光时域反射系统, 获得了沿光纤的自外差信号功率和布里渊频移。实验结果表明, 相对于单波长系统, 三波长系统有效地减小了相干瑞利噪声引起的功率波动, 信噪比提高近4.56 dB; 布里渊频移波动的均方根误差降低2.2 MHz。
光纤光学 多波长探测光 自外差检测 布里渊频移 功率 fiber optics multi-wavelength probe light self-heterodyne detection Brillouin frequency shift power
华北电力大学 电子与通信工程系, 河北 保定 071003
为简化系统结构、减小相干瑞利噪声对系统性能的影响, 提出了一种采用宽带光源的瑞利和布里渊散射自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统.分析了瑞利和布里渊自外差检测原理, 研究了布里渊频移和自外差信号功率与光纤温度和应变的关系.设计并搭建采用宽带光源的自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统, 获得了常温下沿光纤分布的自外差信号功率谱及不同温度时加温段光纤的功率谱, 验证了布里渊频移和自外差信号相对功率变化随温度的线性增加关系.通过实验数据获得的布里渊频移和相对功率变化的温度系数分别为1.07±0.01 MHz/℃和(0.37±0.09)%/℃.本文的研究结果为基于瑞利和布里渊自外差检测布里渊光时域反射传感系统的温度和应变同时测量提供了理论和实验依据.
光纤光学 布里渊散射 瑞利散射 自外差检测 布里渊频移 Fiber optics Brillouin scattering Rayleigh scattering Self-heterodyne detection Brillouin frequency shift 光子学报
2016, 45(11): 1106004
