Caratteristiche della larghezza di linea dei laser a fibra a frequenza singola

I laser a fibra a frequenza singola hanno una larghezza di linea limite molto stretta e la forma della loro linea spettrale è di tipo Lorentz, che è significativamente diversa dai semiconduttori a frequenza singola. Il motivo è che i laser a fibra a frequenza singola hanno cavità risonanti laser più lunghe e una maggiore durata dei fotoni nella cavità. Ciò significa che i laser a fibra a frequenza singola hanno un rumore di fase e un rumore di frequenza inferiori rispetto ai laser a semiconduttore a frequenza singola.

I risultati dei test sulla larghezza di linea dei laser a fibra a frequenza singola sono correlati al tempo di integrazione. Questo tempo di integrazione è spesso difficile da comprendere. In realtà, può essere semplicemente inteso come il momento per "osservare e testare" un laser a fibra a singola frequenza. Durante questo periodo, misuriamo il rumore di fase dello spettro battendo la frequenza per calcolare la larghezza di linea. Prendendo come esempio l'interferometro eterodina di non equilibrio M-Z, la lunghezza della fibra di ritardo è di 50 km, l'indice di rifrazione del nucleo della fibra monomodale si presume sia 1,5 e la velocità della luce nel vuoto è 3x108 metri/secondo, quindi la luce nella fibra monomodale Viene generato un ritardo di circa 4,8 ns per ogni metro di trasmissione, che equivale a un ritardo di 240 us dopo 50 km di fibra ottica.

Immaginiamo che il laser a singola frequenza da testare diventi due cloni con esattamente le stesse caratteristiche dopo essere passato attraverso uno splitter ottico 1:1. Uno dei cloni dura 240us più a lungo dell'altro. Quando i due cloni passano attraverso il secondo 1:1 Quando l'accoppiatore ottico viene combinato, un clone che dura 240us più a lungo trasporta rumore di fase. A causa dell'influenza del rumore di fase, il laser a frequenza singola dopo la ricombinazione ha una certa ampiezza nello spettro rispetto allo stato prima dell'inizio. Per dirla in modo più professionale, questo processo è chiamato modulazione del rumore di fase. Poiché l'allargamento causato dalla modulazione è a doppia banda laterale, la larghezza dello spettro del rumore di fase è doppia rispetto alla larghezza della linea del laser a frequenza singola da misurare. Per calcolare l'ampiezza dello spettro ampliato sullo spettro, è necessaria l'integrazione, quindi questo tempo è chiamato tempo di integrazione.

Attraverso la spiegazione di cui sopra, possiamo capire che deve esserci una relazione tra il "tempo di integrazione" e la larghezza di linea misurata di un laser a fibra a frequenza singola. Quanto più breve è il "tempo di integrazione", tanto minore è l'impatto del rumore di fase causato dal clone e tanto più stretta è la larghezza della linea di misurazione del laser a fibra a frequenza singola.

Per capirlo da un'altra angolazione, cosa descrive la larghezza della linea? sono il rumore di frequenza e il rumore di fase di un laser a frequenza singola. Questi rumori stessi esistono sempre e più a lungo si accumulano, più evidente diventa il rumore. Pertanto, quanto più lungo è il "test di osservazione" del rumore di frequenza e del rumore di fase di un laser a fibra a frequenza singola, maggiore sarà la larghezza di linea misurata. Naturalmente il tempo qui menzionato è in realtà molto breve, ad esempio nanosecondi, microsecondi, millisecondi o fino al secondo livello. Questo è buon senso nel testare e misurare il rumore casuale.

Quanto più stretta è la larghezza di linea dello spettro di un laser a fibra a frequenza singola, tanto più pulito e bello risulterà lo spettro nel dominio del tempo, con un rapporto di soppressione della modalità laterale (SMSR) estremamente elevato e viceversa. Padroneggiare questo punto può determinare le prestazioni a frequenza singola dei laser a frequenza singola quando le condizioni di test della larghezza di linea non sono disponibili. Naturalmente, a causa dei principi tecnici e dei limiti di risoluzione dello spettrometro (OSA), lo spettro dei laser a fibra a frequenza singola non può rifletterne quantitativamente o accuratamente le prestazioni. Il giudizio sul rumore di fase e sul rumore di frequenza è piuttosto approssimativo e talvolta porta a risultati errati.

La larghezza di linea effettiva dei laser a semiconduttore a frequenza singola è generalmente superiore a quella dei laser a fibra a frequenza singola. Sebbene alcuni produttori presentino in modo molto bello gli indicatori della larghezza di linea dei laser a semiconduttore a singola frequenza, i test effettivi mostrano che la larghezza di linea limite dei laser a semiconduttore a singola frequenza è superiore a quella dei laser a semiconduttore a singola frequenza. Il laser a fibra di frequenza deve essere ampio e anche i suoi indicatori di rumore di frequenza e rumore di fase devono essere scadenti, il che è determinato dalla struttura e dalla lunghezza della cavità risonante del laser a frequenza singola. Naturalmente, la tecnologia dei semiconduttori a singola frequenza in continuo sviluppo continua a sopprimere il rumore di fase e a restringere la larghezza di linea dei laser a semiconduttore a singola frequenza aumentando notevolmente la lunghezza della cavità esterna, estendendo la durata del fotone, controllando la fase e alzando la soglia per la formazione di condizioni di onde stazionarie nel risonatore.