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DFB激光源的光谱特性研究

Gokul Krishna Srinivasan, M.S.

德克萨斯大学，阿灵顿，2012年

摘要

监督教授：Micheal Vasilyev

我们通过使用相干检测设置进行实验来确定DFB激光源的线宽特性。 我们使用仪器级外部半导体激光器件作为本地振荡器和DFB激光器作为信号。 我们使用实时示波器和RF频谱分析仪分析光电流。

我们计算光电流的自相关和功率谱密度。 我们模拟DFB的自然宽度，并将模拟图与实验数据进行比较。 我们用这个图确定DFB激光源的内在线宽。

我们设计一个LabView程序来记录节拍中心频率作为时间的函数，而两个激光器都不被调制。 使用这些数据，我们确定慢动作漂移和拍频的快速波动。

利用这些值，可以通过设计减轻激光源漂移的反馈回路来提高DFB激光器的稳定性。

第1章

介绍

激光的线宽是其光谱的宽度(通常为半高的全宽，FWHM)。它也是频率，波数或波长方面的发射电场的功率谱密度的宽度。激光的线宽与时间相干有关，其特征在于相干时间ح或相干长度cح。

为了表征和稳定激光器，确定激光器件的线宽是非常关键的。激光装置倾向于在中心频率上具有漂移。这种漂移可以分为快速波动和慢移动漂移。通过确定这两个参数，可以找出激光的漂移图案，其可以在进行测量的同时进一步补偿或者通过在后期实验阶段使用算法进行补偿。

具有非常窄的线宽(高单色度)的激光器对于各种应用是必需的，例如，作为各种光纤传感器的光源，用于光谱学，用于遥感(例如LIDAR)，相干光纤通信以及测试和测量目的。

可以以不同的方式测量激光线宽：

·对于大线宽(gt;10GHz)，传统的光谱分析技术，例如基于衍射光栅，是合适的。另一种技术是使用频率鉴别器将频率波动转换为强度波动。

·对于单频激光器，常常使用自外差技术，其中包括在激光输出与其频移和延迟版本之间记录节拍。

对于亚千赫兹线宽，普通的自外差技术还不够，但可以通过使用带有内部光纤放大器的再循环光纤回路进行扩展。通过在两个独立的激光器之间记录拍音可以获得非常高的分辨率。

光学测量总是需要频率参考。对于窄线宽的激光器，只有光学参考可以给出足够精确的参考。自外差技术是通过应用足够大的时间延迟从被测设备本身导出频率参考的方法，以避免原始波束与延迟版本之间的任何时间相干性。因此，经常使用长纤维。大多数激光应用，包括高分辨率光谱，光学遥感，冷却/捕获和光纤通信，都高度依赖于激光的光谱性能。

本文的主题是通过分析DFB激光器和ANDO激光器之间的跳动模式的光谱特性来确定DFB激光源的线宽。

第2章

理论背景

相干检测

相干检测是使用来自称为本地振荡器(LO)的激光源的参考光拍击输入信号的过程。 如果信号和LO的频率不同，则检测被称为光学外差检测，如果它们重合-作为光学零差检测。 相干检测能够实现极高分辨率的光谱，并可以产生多个通道的高分辨率光谱。

光电流可写为：

i(t)= AI(t)R , (1)

其中i(t)是光电流(Amperes)，A是检测器的面积(m²)，I(t)是光强度(W/m²)，R 是检测器的响应度(安培/W)。 R由等式给出

. (2)

I(t)可以写成

， (3)

其中电场E(t)由等式(4)表示

· (4)

假设E_LO是真实的，不变的，我们有

(5)

其中E_S和E_LO分别是信号和本地振荡器的电场，omega;_s和omega;_LO是它们的角频率。 组合场的强度可以写为

(6)

其中I_S和I_LO分别是信号和本地振荡器的强度。通过组合方程(1),(3)和(5),我们得到以下形式的光电流：

(7)

其中C1和C2是常数。 因此，光电流的自相关功能

, (8)

其中尖括号代表t的平均值，而且

(9)

在等式(8)中，任何包含t的指数乘积在平均后都为零，只有独立于t的指数才能保留：

(10)

由于我们对t进行平均化，所以在第一项中可以用尖括号替换t（t）。 由于这个术语表示信号场的自相关函数，它只取决于，在这些尖括号内可以替换成-，导致

(11)

这表明信号电场的自相关可以从外差光电流的自相关直接获得。

自相关函数

自相关是信号与自身的互相关。 在物理上，它量化了两个时间分隔的实例的函数观察值之间的相似度。它是一种用于查找重复模式的数学工具，例如已经被埋在噪声中的周期性信号的存在或识别噪声波动的持续时间[3]。对于光信号，自相关函数在数学上表示为

(12)

其中是自相关函数，-时间延迟，E^*(t)和时域延迟的时域电场。 在第3节中，我们将在两个激光器之间处理拍摄光电流，其中包含以120GSamples / s速率拍摄的6000万个数据点。数据覆盖时间t_max计算为

(13)

对于的计算，我们使用时间延迟=0 ... 500，步长为10个原始数据样本，即10/(120 GSamples/s)83ps。

功率谱密度

功率谱密度（PSD）功能显示了作为频率的函数的信号变化的强度。换句话说，它显示了哪些频率变化较强，频率变化较弱。PSD的单位是单位频率窗口的功率(即与能量相同的单位),您可以通过在该频率范围内集成PSD来获得特定频率范围内的功率。根据Wiener-Khinchin定理，PSD的计算可以通过采用自相关函数的傅里叶变换（FT）来完成。 在拍摄光电流的情况下，自相关函数乘以a（t）= cos [2（S-LO）t]，即拍频（S-LO）的谐波。 因此，PSD是FT这两个因素的卷积。

开关键控

开关键控（OOK）是将数字数据表示为存在或不存在载波的幅移键控（ASK）调制格式的最简单形式。 在其最简单的形式中，对于特定持续时间的载波的存在表示二进制，而对于相同持续时间的不存在表示二进制零。一些更复杂的方案会改变这些持续时间以传达额外的信息。它类似于单极编码线代码。

返回到零

归零（RZ）描述了在电信信号中使用的线路码，其中信号在每个脉冲之间下降（返回）为零。 每个位之间的“零”是中性或静止状态，例如脉冲幅度调制（PAM）中的零幅度，相移键控（PSK）的零相移或频移键控（FSK）中的中频。 对于电信号，“零”条件通常在表示1位的有效条件和表示0位的另一个有效条件之间的一半。

不归零

在通信中，不归零（NRZ）线路代码是二进制代码，其中1s由一个有效条件（通常为正电压）表示，0s由某个其他有效条件（通常为负电压）表示，没有其他中性或休息状态。 脉冲具有比RZ代码更多的能量。与RZ不同，NRZ没有休息状态。 NRZ本身不是自同步码，因此必须使用一些额外的同步技术（例如行程限制约束或并行同步信号）来避免位滑。

第3章

实验和结果

实验包括DFB和ANDO激光器的跳动，其中DFB激光器是信号，ANDO激光器是本地振荡器。ANDO是具有内部气体电池作为频率参考的仪器级可调谐外腔半导体激光器。它具有窄线宽（〜200 kHz）和稳定频率（lt;100 MHz /小时漂移）。因此，与DFB激光器相比，其频率波动可以忽略。

第一个实验的原理图如图3.1所示。 两个激光器都没有调制，并使用10/90耦合器进行组合。 组合信号由具有18 GHz带宽的Discovery Semiconductor平衡接收机的一臂接收，并由具有14 GHz带宽的Picosecond Pulse Labs超宽带放大器5828A进行放大。放大信号以120 GSamples / s的采样速率送入LeCroy WaveMaster 8 Zi-A系列实时示波器。 在此示波器的帮助下，光电探测器输出作为时间的函数进行记录，数据用于进一步分析。

利用示波器获得的数据，计算出光电流的自相关函数，并绘制在图3.2中。 图3.3放大自动相关函数的前2秒，可以从中获得自相关函数HWHM的半最大半波（HWHM）。 HWHM约为HWHM 1mu;s。

如前面讨论的那样，自相关函数的傅里叶变换产生功率谱密度。 图3.4显示了图3.3所示数据的傅里叶变换。 由于通过信号LO拍频（| S-LO | 1.53GHz在该特定测量中）对自相关函数的调制，信号的功率谱频率以1.53-GHz拍频为中心。

图3.5显示了图3.4在signalLO拍频附近的放大版本。 这给出了两个激光器之间跳动的细节。 图3.6显示了图3.5中对数刻度的数据。 光谱的嘈杂中心部分表示在500s采集时间内DFB中心频率的波动，而光谱翼表示天然DFB光谱的洛伦兹线形（由于二极管激光器的因子导致的Schawlow-Townes线宽扩大 折射率对载流子密度的依赖性）。

虽然通过数字处理时域数据获得了以前的数据，但当示波器被HP 8563A RF频谱分析仪（26-GHz带宽）替代时，可以从直接频域测量得到相同的结论。

图3.8显示了DFB和ANDO激光器之间的抖动频谱，当它们都未调制时，显示出与图3.6类似的线形（仅在两个实验之间发生变化的新中心频率）。由于RFB频率的技术性（非内在的）波动和漂移，从RF频谱中可以看出，节拍的不断移动的中心频率。使用LabView脚本，我们每分钟记录中心峰值几个小时的位置，如图3.9所示。为了将快速频率波动与大而缓慢的漂移分开，我们还计算并减去频率的10分钟移动平均值。所产生的漂移（移动平均）在12 MHz / hr和76 MHz / hr之间也在图3.9中显示，而标准偏差约为6 MHz的快速，零均值波动如图3.10所示，像直方图如图3.11所示。慢漂移是由信号和LO中心频率的漂移引起的。

来自DFB激光器的信号由调制器使用On-Off Keying技术进行调制。 调制器以10.79Gb / s的速率产生RZ或NRZ格式的伪随机比特序列（PRBS）数据。 输出形式ANDO激光器与来自调制器的DFB输出结合使用50/50耦合器，并通过衰减器。 衰减器的输出使用80/20分离器进行分压：20％的功率转到ANDO AQ6317B光谱分析仪（OSA），80％转到接收机（RX），将光信号转换为电信号。 RX的输出馈送到RF放大器（RX，放大器与图3.1的设置相同），然后发送到RF频谱分析仪（RF SA，HP 8563A）。 激光由光纤偏振控制器（未示出）共同极化。

在第一个实验中，将调制器设置为RZ模式，保存并记录a）两个激光器OFF，b）DFB ON，LO OFF和c）两个激光器ON的光谱。 在光谱分析仪（光谱分辨率为0.01 nm，分辨率为0.01 nm）和射频频谱分析仪（RF光电流谱）中均观察到光谱。 图3.13显示了光谱，图3.14显示了RF光谱。 PRBS长度设置为231-1的值。

在图3.14中观察到的10.79GHz处的峰值来自调制DFB激光器（时钟频率的一次谐波）的直接检测。 即使LO激光关闭，峰值的存在也得到确认。图3.14中的峰标签对应于图3.13中标记的LO和DFB音之间的跳动; 峰值2是LO和DFB载波频率之间的跳动; 峰1是DFB时钟的一次谐波的LO和右边带之间的跳动。 峰1和2由10.79 GHz的时钟频率分开，只有当DFB和LO激光器都为ON时才能观察到。

在进行下一步之前，更高分辨率的RF频谱测量，DFB激光器被短暂关闭并重新开启。 这导致DFB激光器的波长（频率）的0.012nm（1.4GHz）偏移，因此两个激光器之间的失谐改变。 峰1和2的新位置如图3.14所示为1和2。 图3.15和3.16显示了分别为231-1和27-1的PRBS长度为15.4GHz的峰2的放大视图。

RF频谱分析仪中的分辨率带宽和视频带宽分别设置为2 MHz和10 KHz。 图3.15中的嘈杂迹线表明，在绘制轨迹时，频率正在发生变化。

类似地，分别在图3.17和3.18中，对于PRBS长度231-1和27-1分别示出了在4.6GHz处的峰1的放大视图。 峰值的宽而嘈杂的性质表示踪迹采集时间内拍频的波动。 如预期的那样，峰宽与非调制情况相似。

与真实数据不同，PRBS模式是周

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