УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ШИРИНЫ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИИ ЛАЗЕРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
LASER EMITTERS SPECTRAL LINE WIDTH MEASURING DEVICE

Изобретение представляет собой устройство и относится к области измерительной техники для оптических систем передачи информации, может быть использовано при измерениях спектральных характеристик узкополосных лазерных излучателей в линейном оборудовании многоканальных телекоммуникационных сетей.
В специальной литературе (в том числе патентной), посвященной проблемам исследования спектральных характеристик узкополосных лазеров, опубликованы устройства, предназначенные для таких измерений. В качестве примеров известных устройств аналогичного назначения, использующих при этом различные методы и схемы измерений, можно указать следующие:
1. Okoshi, Т., Kikuchi, K. & Nakayama, A Novel method for high-resolution measurement of laser output spectrum (Новый метод измерения выходного спектра лазерного излучения с высоким разрешением). Electron. Lett. 16, 630-631 (1980).
2. Ludvigsen, Н., Tossavainen, М. & Kaivola, М., Laser linewidth measurements using self-homodyne detection with short delay (Измерение ширины лазерной линии с использованием автогомодинного детектирования с короткой задержкой). Optics Commu. 155, 180-186 (1998).
3. Dawson, J. W., Park, N. & Vahala, K. J. An improved delayed self-heterodyne interferometer for linewidth measurements (Улучшенный задержанный автогетеродинный интерферометр для измерения ширины линии). IEEE Photon. Technol. Lett. 4, 1063-1066 (1992).
4. Han, M. & Wang, A. Analysis of a loss-compensated recirculating delayed self-heterodyne interferometer for laser linewidth measurement (Анализ автогетеродинного интерферометра с компенсированными потерями и рециркуляционной задержкой). Phys. Rev. В. 81, 53-58 (2005)
5. Chen, X. P., Han, M., Zhu, Y. Z., Dong, B. & Wang, A. B. Implementation of a loss-compensated recirculating delayed self-heterodyne interferometer for ultranarrow laser linewidth measurement (Реализация автогетеродинного интерферометра с компенсированными потерями и рециркуляционной задержкой для измерения ультраузкой лазерной линии). Appl. Opt. 45, 7712-7717 (2006).
6. Canagasabey, A. et al. A comparison of delayed self-Heterodyne interference measurement of laser linewidth using Mach-Zehnder and Michelson interferometers (Сравнение измерений ширины лазерной линии на основе задержанной автогетеродинной интерференции при использовании интерферометров Маха-Цендера и Майкельсона). Sensor (11, 9233-9241 (2011).
7. Chen, М., Meng, Z., Wang, J. & Chen, W., Ultra-narrow linewidth measure-ment based on Voigt profile fitting (Измерение ширины ультраузкой линии на основе подбора профиля Фогта). Opt. Express. 23, 6803-6808 (2015).
8. Richter, L. E., Mandelberg, H. I., Kruger M. S. & McGrath, M. S. Linewidth determination from self-heterodyne measurements with subcoherence delay times (Определение ширины линии из автогетеродинных измерений с временами задержки субкогерентности). IEEE J. Quantum. Electron. 22, 2070-2074 (1986).
9. Huang, S. H. et al. Laser linewidth measurement based on amplitude difference comparison of coherent envelope (Измерение ширины линии лазера на основе сравнения амплитудной разности когерентной огибающей). IEEE Photon. Technol. Lett. 28, 759-762 (2016).
10. Bennetts, S. et al. External cavity diode lasers with 5 kHz linewidth and 200nm tuning range at 1.55 μ m and methods for linewidth measurement (Диодные лазеры с внешним резонатором с шириной линии 5 кГц и диапазоном перестройки 200 нм на волне 1,55 мкм, и методы измерения ширины линии). Opt. Express. 22, 10642-10654 (2014).
11. Спектральный анализ измерений оптического смешивания. J. Lightwave Technol. 7, 1083-1096 (1989).
12. Патент 2234064. Способ измерения степени пространственной когерентности лазерного излучения.
13. Патент 2064667. Способ измерения длины волны лазерного излучения.
14. Патент 2425338. Быстродействующий измеритель длины волны лазерного излучения для волоконно-оптических систем передачи информации.
15. Патент 2408853. Устройство для измерения спектральных характеристик оптического излучения.
16. Патент 2018794. Способ определения ширины спектральной линии лазерного излучения.
17. Патент US 9356421. - Narrow line-width laser characterization bas.
18. Precise measurement of ultra-narrow laser linewidths using the strong coherent envelope. Shihong Huang, Tao Zhu, Min Liu & Wei Huang Scientific Reports | 7:41988 | DOI: 10.1038/srep41988.
19. Патент 2390738. Способ измерения средней длины волны узкополосного светового излучения.
20. Патент 2080586. Способ определения спектральных характеристик исследуемых объектов.
Детальное рассмотрение вышеприведенных материалов, содержащих известные способы и средства измерения ширины спектральных линий узкополосных лазеров (т.е аналогов заявляемого устройства), показывает, что:
- физически наиболее корректным и точным является применение интерферометрического принципа построения измерительных устройств, причем в известных информационных источниках различие способа и устройства для спектральных измерений лазеров весьма условно, и зачастую описание способа и устройства совмещены в одном исследовании;
- в известных публикациях реализация спектральных измерений узкополосных лазерных излучателей требует создания специализированных, чаще всего лабораторных стендов с использованием громоздкого или/и дорогого прецизионного оптического оборудования.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран автогомодинный интерферометр, описанный в статье Горбуленко В.В., Наний О.Е. и др. «Использование обратного рэлеевского рассеяния в волокне для измерения спектра оптических сигналов», журнал Телекоммуникации и транспорт (T-Comm) №1 - 2012, р. 24-26.
Устройство-прототип строится на основе интерферометра Маха-Цендера с изменяемой длиной оптического пути (фиг. 1). Исследуемое излучение от DFB лазера подводится к входному порту первого оптического направленного ответвителя 50/50%, выходные порты которого соединены с двумя плечами - одно из них (измерительное) содержит волоконную линию задержки, а другое (подстроечное) содержит аттенюатор, который является элементом подстройки рабочего режима при проведении измерения. Выходные световоды обоих плеч подключены к входным портам второго оптического направленного ответвителя 50/50%, в котором происходит сложение когерентных интерферирующих сигналов. Выходной порт второго направленного ответвителя подключен к устройству фоторегистрации, включающему в себя фотоприемник и спектроанализатор. При изменении длины оптической линии задержки в измерительном плече соотношение фаз когерентных полей, поступающих на вход второго оптического направленного ответвителя, изменяется - в пределах от синфазности до противофазности, это дает возможность, анализируя результаты интерференции, получаемые посредством фоторегистрации выходного сигнала второго направленного ответвителя, измерить спектральные характеристики исследуемого лазера.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- отсутствие средств нейтрализации факторов, дестабилизирующих параметры схемы (изменения температуры, механические воздействия на волокно линии задержки) и снижающих точность результатов измерений;
- характеристики устройства измерения определяются параметрами световодов, используемых в линии задержки, и не могут перестраиваться при изменении условий эксперимента;
- возможности интегрального исполнения устройства измерения затрудняются необходимостью оперативного доступа к линии задержки.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для измерения ширины и структуры спектральной линии излучения высококогерентных лазерных излучателей, отличающегося от прототипа устранением указанных его недостатков.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной в формуле совокупностью признаков, является:
- увеличение точности и быстроты получения результатов измерений;
- возможность оперативной перестройки характеристик устройства (область дисперсии, разрешающая способность) в зависимости от условий измерений;
- возможность построения компактного измерительного устройства на основе интегрально-оптических функциональных узлов.
Указанный результат достигается тем, что в состав измерительного плеча интерферометра Маха-Цендера вместо оптической линии задержки помещен сканирующий интерферометр Фабри-Перо, причем для управления сканирующим интерферометром введена схема управления, обеспечивающая синхронизацию сканирования с разверткой электрического спектроанализатора; в состав подстроечного плеча введены регулируемые электронным способом оптический аттенюатор, оптический фазовращатель и контроллер поляризации, при этом порядок расположения элементов подстроечного плеча не влияет на конечный результат, то есть подчиняется закону коммутативности, причем для управления элементами подстроечного плеча введена схема стабилизации режима с фотодетектором, включенным во второй выходной порт второго оптического направленного ответвителя.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема измерения ширины спектра лазера автогомодинным методом (прототип).
На фиг. 2 - структурная схема устройства для измерения спектральной ширины лазеров в соответствии с заявкой на изобретение.
Устройство для измерения ширины спектральной линии лазерных излучателей включает входной оптический направленный ответвитель (ОНО-1) 1, один из выходных портов которого соединен с подстроечным плечом, содержащим управляемый аттенюатор 2, выход аттенюатора 2 соединен с входом управляемого оптического фазовращателя 6, выход которого соединен с входом контроллера поляризации 7, выход которого соединен с одним из входов выходного оптического направленного ответвителя (ОНО-2) 3, причем для управления элементами подстроечного плеча введена схема стабилизации режима 8, выходы которой соединены с входами управления аттенюатора 2, фазовращателя 6, контроллера поляризации 7, а вход соединен с фотодетектором 9, который подключен ко второму выходному порту выходного направленного ответвителя 3. Второй выходной порт оптического направленного ответвителя 1 соединен с измерительным плечом, причем в состав измерительного плеча входит сканирующий интерферометр Фабри-Перо 10, выход которого соединен с входом выходного направленного ответвителя 3, при этом для управления сканирующим интерферометром Фабри-Перо (СкИФ) 10 введена схема управления 11, выход которой соединен с входом управления интерферометра Фабри-Перо 10, причем для обеспечения синхронизации управления выход развертки спектроанализатора 5 соединен с входами схемы стабилизации режима 8 и схемы управления 11, кроме того, вход спектроанализатора через фотоприемник 4 соединен с первым выходом порта выходного направленного ответвителя 3. С целью повышения компактности устройства и улучшения стабильности показаний при измерениях элементы оптической схемы можно выполнить в интегрально-оптическом варианте.
Устройство работает следующим образом. Оптическая схема, как и в прототипе, представляет собой интерферометр Маха-Цендера, но в предлагаемом устройстве величина сканируемой базы интерферометра Фабри-Перо 10, входящего в состав измерительного плеча, контролируется прецизионным калиброванным актюатором в схеме сканирующего интерферометра 10, работающим синхронно с разверткой электронного спектроанализатора 5. Форма и размах управляющего актюатором сигнала определяются схемой управления СкИФ 11, а частота задается синхросигналом спектроанализатора 5. На начальном этапе оператор устанавливает на аттенюаторе 2 затухание, компенсирующее потери, вносимые сканирующим интерферометром 10. Величина компенсации фазового сдвига между измерительным и подстроечным плечами поддерживаться в начале каждого цикла сканирования с помощью схемы стабилизации режима 8, которая через фотодетектор 9 подключена к второму выходу второго оптического направленного ответвителя 3.
Излучение от измеряемого лазера подается на входной оптический направленный ответвитель ОНО-11, выходные порты которого подключаются к подстроечному и измерительному плечам, а выходные порты обоих плеч подключаются к входным портам выходного оптического направленного ответвителя ОНО-23, где происходит суммирование когерентных сигналов от обоих плеч. При этом фазовый набег, образующийся в измерительном плече при переотражениях в сканирующем интерферометре 10, компенсируется фазовращателем Δϕ 6 в подстроечном плече, так что в ОНО-23 происходит сложение сигналов от обоих плеч, как при автогомодинном приеме с обычным интерферометром Маха-Цендера, поскольку они остаются когерентными. Однако в предлагаемом устройстве суммарный сигнал на выходе ОНО-23 будет определяться аппаратной функцией сканирующего интерферометра 10 в измерительном плече. Конструктивно сканирующий интерферометр 10 состоит из двух волоконных коллиматоров (высококачественного промышленного изготовления, например, фирмы Laser Components, Германия) с отражающими покрытиями с коэффициентом отражения R, съюстированными в общей прецизионной оправке, причем один коллиматор закреплен жестко, а второй соединен с актюатором, например на основе пьезоэффекта, обеспечивающим точно контролируемое изменение базы d сканирующего интерферометра 10.
Выбор характеристик СкИФ
ср
Согласно теории интерферометра Фабри-Перо [3, 4], основными характеристиками интерферометра Фабри-Перо, определяющими его измерительные возможности, являются , поскольку лучи ортогональны к зеркалам, θ=90°, и разрешающая способность . Эти параметры выбираются, исходя из рабочего диапазона измеряемых лазеров и требований к минимально разрешимому интервалу длин волн. Так, например, для лазеров С-диапазона (λ=1550 нм) при выборе R ~0.9 и d ~3 мм, получим расчетные оценки для области дисперсии Δλ=0,24 нм и для разрешающей способности δλ=0,0134 нм = 13,4 пм. Такие характеристики удовлетворяют требованиям измерений ширины спектральной линии лазеров-излучателей для оборудования DWDM.
Процедура измерения спектральной линии выполняется в соответствии с общепринятым для фотоэлектрической регистрации методом - сканирование области дисперсии осуществляется синхронно с разверткой спектроанализатора 5, горизонтальная ось которого калибруется в спектральных единицах рабочего диапазона, с учетом установленной ширины области дисперсии.
0
При оптимальных установках параметров элементов подстроечного плеча (эти установки подбираются на начальном этапе измерений и могут в процессе измерений поддерживаться автоматически схемой стабилизации режима 11) и учитывая, что эта область нами установлена в пределах одного (нулевого) порядка, m=0, на экране спектроанализатора 5 отобразится график аппаратной функции сканирующего интерферометра 10, в соответствии с известной формулой для этого режима: , где  - величина, называемая обычно коэффициентом резкости интерферометра Фабри-Перо, а n - показатель преломления среды между зеркалами интерферометра. Спектральный интервал, равный ширине аппаратной функции сканирующего интерферометра 10 на уровне , определяет ширину спектральной линии излучения измеряемого узкополосного лазера.
Таким образом, настоящее изобретение полностью реализует поставленную задачу, технологически выполнимо и промышленно применимо.