基于电反馈的半导体激光器线宽压窄技术研究

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随着相干光通信、干涉传感等相关领域的不断发展,为其提供光源的激光器以其众多的优势在激光器领域中迅猛发展起来。经过几十年的发展,激光器已经发展成为通信领域的重要光源。由于各领域对激光器的单色性和准直性提出了更高的要求,促使激光器向更窄线宽的方向发展,从而在不同领域获得了更广阔的的应用前景。半导体激光器具有体积小,质量轻,可靠性高,寿命长,光电转换效率高以及可直接调制的特点,因此在光通信、相干传感等领域发挥着重要的作用,故受到学者的广泛关注与研究。与此同时,随着近几年来压窄线宽技术的不断发展,半导体激光器线宽越来越窄,但仍不能与光纤激光器的线宽媲美,因此再一次掀起了压窄半导体激光器线宽研究的热潮。本文主要研究了几种已有的压窄激光器线宽的方法,在总结前人研究成果的基础上,提出了两种压窄半导体激光器线宽方法:基于单边带调制的前馈技术和基于电反馈的改进型相位调制外差(PDH)技术,进行了严格的理论推导,并采用仿真软件搭建系统结构证实了两种方法的可行性。主要内容包括:1.对几种压缩激光器线宽的方法做了深入的研究,总结了各种方法的优缺点;针对不同量级的线宽给出了相应的测量方法,重点分析了窄线宽的测量原理。2.介绍了半导体激光器的基本结构特点,以及光学特性和电学特性;给出了半导体激光器线宽产生的原理,并重点研究了广泛使用的电反馈方法压窄线宽的理论基础。3.分析了铌酸锂晶体的电光效应,以及基于铌酸锂特性制成的强度调制器和相位调制器的工作原理,并给出了铌酸锂强度调制器各种调制方式的仿真结果。提出了一种基于单边带调制的前馈技术压窄线宽的方法,基本原理是:将前馈支路提取出的初始相位噪声作为调制信号,作用于激光器后的单边带调制器(由相位调制实现的强度调制),通过消除激光器的相位噪声达到压窄线宽的目的。通过实验得到实验室已有的DFB(分布反馈)半导体激光器的输出频谱,根据输出频谱的特性,采用光学软件Optisystem和数学软件Matlab搭建仿真环境,将激光器的线宽从0.5nm压窄到0.016nm。4.提出了一种基于电反馈的改进型相位外差调制(PDH)技术压窄半导体激光器线宽的方法。将频移MZ干涉仪与电负反馈技术相结合,将激光器的初始噪声信号反馈到激光器的注入电流,达到稳频、减小相位噪声的目的,从而压窄激光器的线宽。该方法与传统的PDH技术相比,无需高精细度的反馈腔,且窄带滤波装置成本低、容易实现。通过软件搭建仿真环境,将线宽为0.5nm的半导体激光器线宽压窄到0.02nm。
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