Linienbreiteneigenschaften von Einzelfrequenz-Faserlasern

Einzelfrequenz-Faserlaser haben eine sehr schmale Grenzlinienbreite und ihre Spektrallinienform ist vom Lorentz-Typ, was sich deutlich von Einzelfrequenz-Halbleitern unterscheidet. Der Grund dafür ist, dass Einzelfrequenz-Faserlaser längere Laserresonanzhohlräume und längere Photonenlebensdauern im Hohlraum haben. Dies bedeutet, dass Einzelfrequenz-Faserlaser ein geringeres Phasenrauschen und Frequenzrauschen aufweisen als Einzelfrequenz-Halbleiterlaser.

Die Ergebnisse des Linienbreitentests von Einzelfrequenz-Faserlasern hängen mit der Integrationszeit zusammen. Diese Integrationszeit ist oft schwer zu verstehen. Tatsächlich kann es einfach als die Zeit zum „Beobachten und Testen“ eines Einzelfrequenz-Faserlasers verstanden werden. Während dieser Zeit messen wir das Phasenrauschen des Spektrums anhand der Schwebungsfrequenz, um die Linienbreite zu berechnen. Am Beispiel des Heterodyn-Nichtgleichgewichts-MZ-Interferometers beträgt die Länge der Verzögerungsfaser 50 km, der Brechungsindex des Singlemode-Faserkerns wird mit 1,5 angenommen und die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt 3 x 108 Meter/Sekunde. Dann wird das Licht in der Singlemode-Faser pro 1 Meter Übertragung eine Verzögerung von ca. 4,8 ns erzeugt, was einer Verzögerung von 240 µs nach 50 km Glasfaser entspricht.

Stellen wir uns vor, dass der zu testende Single-Frequenz-Laser nach Durchlaufen eines optischen 1:1-Splitters zu zwei Klonen mit exakt gleichen Eigenschaften wird. Einer der Klone läuft 240us länger als der andere. Wenn die beiden Klone den zweiten 1:1-Optokoppler durchlaufen, trägt ein Klon, der 240us länger läuft, Phasenrauschen. Aufgrund des Einflusses des Phasenrauschens weist der Single-Frequency-Laser nach der Rekombination im Vergleich zum Zustand vor dem Start eine gewisse Breite im Spektrum auf. Professioneller ausgedrückt nennt man diesen Vorgang Phasenrauschmodulation. Da es sich bei der durch die Modulation verursachten Verbreiterung um ein Doppelseitenband handelt, ist die Breite des Phasenrauschspektrums doppelt so groß wie die Linienbreite des zu messenden Einfrequenzlasers. Um die verbreiterte Spektrumsbreite im Spektrum zu berechnen, ist eine Integration erforderlich, daher wird diese Zeit als Integrationszeit bezeichnet.

Durch die obige Erklärung können wir verstehen, dass es einen Zusammenhang zwischen der „Integrationszeit“ und der gemessenen Linienbreite eines Einzelfrequenz-Faserlasers geben muss. Je kürzer die „Integrationszeit“ ist, desto geringer ist der Einfluss des durch den Klon verursachten Phasenrauschens und desto schmaler ist die Messlinienbreite des Einzelfrequenz-Faserlasers.

Um es aus einem anderen Blickwinkel zu verstehen: Was beschreibt die Linienbreite? sind das Frequenzrauschen und Phasenrauschen eines Einfrequenzlasers. Diese Geräusche selbst existieren immer und je länger sie sich ansammeln, desto deutlicher wird das Geräusch. Je länger daher der „Beobachtungstest“ des Frequenzrauschens und Phasenrauschens eines Einzelfrequenz-Faserlasers dauert, desto größer ist die gemessene Linienbreite. Natürlich ist die hier genannte Zeit tatsächlich sehr kurz, z. B. Nanosekunden, Mikrosekunden, Millisekunden oder bis zur zweiten Ebene. Dies ist beim Testen und Messen von zufälligem Rauschen normal.

Je schmaler die Spektrallinienbreite eines Einzelfrequenz-Faserlasers ist, desto sauberer und schöner wird das Spektrum im Zeitbereich sein, mit einem extrem hohen Seitenmodenunterdrückungsverhältnis (SMSR) und umgekehrt. Die Beherrschung dieses Punktes kann die Einzelfrequenzleistung von Einzelfrequenzlasern bestimmen, wenn keine Bedingungen für die Prüfung der Linienbreite verfügbar sind. Aufgrund der technischen Prinzipien und Auflösungsbeschränkungen des Spektrometers (OSA) kann das Spektrum von Einzelfrequenz-Faserlasern natürlich ihre Leistung nicht quantitativ oder genau wiedergeben. Die Beurteilung von Phasenrauschen und Frequenzrauschen ist recht grob und führt manchmal zu falschen Ergebnissen.

Die tatsächliche Linienbreite von Einzelfrequenz-Halbleiterlasern ist im Allgemeinen höher als die von Einzelfrequenz-Faserlasern. Obwohl einige Hersteller die Linienbreitenindikatoren von Einzelfrequenz-Halbleiterlasern sehr schön präsentieren, zeigen tatsächliche Tests, dass die Grenzlinienbreite von Einzelfrequenz-Halbleiterlasern höher ist als die von Einzelfrequenz-Halbleiterlasern. Der Frequenzfaserlaser muss breit sein und seine Indikatoren für Frequenzrauschen und Phasenrauschen müssen ebenfalls schlecht sein, was durch die Struktur und Länge des Resonanzhohlraums des Einzelfrequenzlasers bestimmt wird. Natürlich unterdrückt die sich ständig weiterentwickelnde Einzelfrequenz-Halbleitertechnologie weiterhin Phasenrauschen und schmälert die Linienbreite von Einzelfrequenz-Halbleiterlasern, indem sie die Länge des externen Hohlraums stark vergrößert, die Photonenlebensdauer verlängert, die Phase steuert und den Schwellenwert für erhöht die Ausbildung stehender Wellenzustände im Resonator.