基于延时自零差光相干接收机的激光器相位噪声测试系统

在相干光通信系统中,激光器相位噪声是影响接收机灵敏度的重要因素。针对相干光通信中的激光光源相位噪声测试提出并研究了表征激光器相位噪声的3个关键指标,分别是电场的功率谱密度、相位误差方差和FM噪声谱线,建立了基于延时自零差相干接收技术的窄线宽激光器相位噪声测试系统,实现了系统仿真,并对一窄线宽激光器进行了相位噪声测试,相比传统的自外差线宽测量技术,此方法在满足测试分辨率要求的同时能够更全面表征激光器相位噪声特性。     

混合集成窄线宽半导体激光器实现220 mW功率输出

<正>高功率、窄线宽的混合集成外腔半导体激光器在空间相干激光通信、激光雷达、光学传感等领域中有着广泛应用。随着相干激光通信技术的迅猛发展,1.55μm波段高功率窄线宽半导体激光器性能得到了非常明显的提升。2020年,美国研究者报道了输出功率为150 mW、线宽为60 kHz的混合集成硅光子可调谐激光器;     

用于相干光通信的可调谐激光器的研究

针对相干光通信系统对窄线宽可调谐激光器的要求,提出并实际研制了一种基于MEMS(微电子机械系统)技术的外腔可调谐激光器,分析了外腔参数对激光器性能的影响。该激光器尺寸符合光互联论坛关于ITLA(集成可调谐激光器组件)的标准01.2,调谐范围覆盖C波段内40nm,输出功率N13dBm,光谱线宽N100kHz。为进一步验证器件的性能,使用该激光器作为本振光源,验证了它在基于PM-DQPSK(偏振复用-四相相移键控)的100Gbit/s传输系统中的性能,实验结果表明,该激光器可作为高速相干光通信系统中窄线宽可调谐光源的理想选择。     

高稳频窄线宽半导体激光器

在相干光通信和空间光通信领域,激光器的线宽和频率稳定性对于保证通信质量起到至关重要的影响,因此需要采取相应的措施来压窄线宽并保证频率稳定。从芯片工艺入手,介绍了当前几种典型芯片的结构、性能特点以及其所能达到的线宽和稳频水平。针对高稳频窄线宽的要求,从主动稳频和被动稳频两种途径介绍稳频技术。为进一步提高稳频效果,介绍了当前较流行的激光器驱动电路的组成,以及温控电路的结构和相应的算法处理。     

千赫兹量级窄线宽半导体激光器研究进展

窄线宽半导体激光器由于其高单色性、低频率噪声、高可调谐性等优点,广泛应用于高速相干光通信、分布式传感、激光雷达等领域.随着高品质因子(Q)光学谐振腔、硅光异构集成芯片等技术的发展,窄线宽半导体激光器近十年经历了革命式发展,线宽压缩至千赫兹(kHz)量级,甚至到亚千赫兹量级.文章阐述了千赫兹量级窄线宽半导体激光器的最新进展,针对不同压缩线宽机制的窄线宽激光器进行了分类介绍,深入讨论了优化耦合系数、减少外腔损耗等对窄线宽激光器性能的影响,并针对未来应用需求展望了千赫兹量级窄线宽激光器在进一步压缩线宽、提升输出光功率方面的发展方向.     

大气信道下窄线宽激光器对相干通信系统性能影响研究

在空间下行相干激光通信系统中,激光器的线宽大小会影响通信系统的性能,而窄线宽激光器能有效降低激光器线宽引起的激光器相位噪声,目前已经成为相干激光通信系统的首选。光信号在大气信道传输时,大气湍流会引起光信号强度和相位的波动,从而进一步影响系统的通信性能。针对上述问题,基于四相移键控(Quadri Phase Shift Keying, QPSK)通信系统的工作原理,进一步考虑窄线宽激光器线宽和大气湍流引起的光信号强度和相位的波动,给出了空间下行QPSK通信系统误码率模型。并基于该模型,数值仿真分析了窄线宽激光器对空间下行相干激光通信系统性能的影响。结果表明：大气湍流不仅严重影响系统性能,也会弱化激光器线宽对系统性能的影响。而对于大气湍流影响而言,其引起的相位波动要大于光强波动的影响。此外,随着通信速率增大,激光器线宽对于系统性能影响也会随之降低。文中对于空间下行相干激光通信系统的优化设计和调试具有一定的实际参考意义。     

光栅反馈频率可调谐扩展腔半导体激光器

为了实现半导体激光器在795nm处的单模输出,采用输出端面镀有增透膜的半导体激光二极管作光源,用光栅反馈的方法构成扩展腔,研制了波长为795nm、频率可调谐半导体激光器,并对该激光器进行了实验测试,可知其频率连续调谐范围约7.6GHz,激光线宽约为2.5MHz,运行在110mA时输出功率达43mW。结果表明,该半导体激光器可用于激光与铷原子相互作用中的量子相干效应的研究。     

星地激光通信中光学数字相干接收机的研究

光学数字相干接收技术在星地激光通信中具有广泛的应用前景。本文以窄线宽DFB激光器作为光源,采用自动频率控制环路,结合光学混频和数字信号处理技术,实现了最高速率为1.25 Gbps的相干光通信。实验结果表明,自动频率控制环路能够将信号光和本振光之间的频率差实时控制在10 Hz以内,光学混频器输出的I、Q两路信号相位差能够长时间稳定保持90°,基于FPGA的载波相位补偿技术能够有效修正自动频率控制环路的相位残差,在误码率为10-6条件下,该接收机的灵敏度优于每比特54个光子。     

窄线宽激光技术研究进展（特邀）

激光线宽作为表征激光相干性的重要参数,自激光技术诞生以来就备受人们关注。窄线宽激光器由于光谱纯度高、相干长度长、相位噪声低等优点,被广泛应用于引力波探测、冷原子物理、相干光通信、光学精密测量,以及微波光子信号处理等领域。随着现代信息技术的发展,窄线宽激光器作为这些应用的核心光源,在固有的线宽、噪声等参数得到进一步优化的同时也被期望拥有一些新的性能,如参数的极致调控、时频超稳、波长调谐,以及波长扫描等。激光本征线宽源于自发辐射噪声,激光器线宽压缩的发展历程是研究人员与自发辐射噪声对抗的历程。纵观窄线宽激光的发展历史,激光腔构型从简单的两个反射镜构成的单主腔、多布拉格反射面（DBR）构成的单主腔、分布反馈（DFB）结构构成的单主腔,到激光单主腔加固定单外腔,再到波长自适应分布弱反馈激光构型,其核心思想都是利用反馈信号对自发辐射噪声进行抑制。本文以激光主腔构型的演化发展为叙述脉络,总结窄线宽激光技术的研究进展,对比激光谐振腔构型在激光线宽压缩、噪声抑制思想上的异同,最后重点介绍新近发展的波长自适应分布弱反馈窄线宽激光器,对该类新型激光器的物理思想、核心器件和系统性能进行分析和讨论。     

高功率窄线宽光纤激光的研究进展与发展趋势

高功率窄线宽光纤激光器具有光束质量好、结构紧凑等优点,在相干合成、光谱合成以及非线性频率变换等领域具有广泛的应用前景,基于窄线宽光纤激光相干合成、光谱合成的激光系统性能指标已经超越单束激光的最高性能,基于窄线宽光纤激光非线性频率变换的激光也实现了同类波段激光的最高性能。分析窄线宽光纤激光功率提升同时保持光束质量过程中产生的物理机制和面临的技术挑战,详细介绍学校课题组在高功率窄线宽光纤激光方面取得的代表性成果,特别是高光束质量的7 kW级非线偏振窄线宽激光和5 kW级线偏振窄线宽激光,不仅是同类激光的最高功率值,也逼近了同等条件下非窄线宽光纤激光的功率极限。根据近年来理论研究和技术攻关结果,结合国内外研究现状,对高功率窄线宽光纤激光未来几个发展趋势进行预判。     

半导体激光器的发展

1 可调谐半导体激光器的研究进展 自20世纪80年代初单模半导体激光器研制成功后，波长可调谐的半导体激光器就成为广泛研究的重要课题。通信系统的需求一直是可调谐半导体激光器研发的主要驱动力所在。在多信道相干光通信系统中，为方便接收机进行信道选择，作为本地振荡器的半导体激光器最好具有一定的波长调谐能力；此外，在窄频率间隔的多信道系统中，信道的有效分配也需要发射光源可以进行小范围的波长调谐。     

环行腔掺铒光纤激光器调谐实验研究

本文自行设计环行腔可调谐光纤激光器,研究环行腔掺饵光纤激光器的调谐技术,采用应力可调谐光栅进行实验,解决了光纤激光器普遍存在的泵浦光反射形成的回波影响问题和窄线宽激光输出功率与激光模式的矛盾,讨论了输出耦合比对调谐特性的影响,实现了窄带滤波和宽带调谐的双重特性,实现了窄线宽可调谐激光输出。     

频谱仪快速测定窄线宽激光器线宽

针对传统光谱仪和F-P 干涉仪分辨率不能满足窄线宽激光器线宽的测量要求, 基于延时自外差法搭建测试平台.设置频谱分析仪分辨率参数抑制噪声实验, 通过使用20 km 延时光纤、80 MHz声光移频器和50:50 光纤耦合器, 通过光电探测器实现光电转换并利用频谱分析仪分析测试信号.对频谱分析仪分辨带宽RBW 和视觉带宽VBW 以及扫频范围(Scan Range)进行优化设置, 在不降低测试灵敏度的情况下, 将重叠信号分辨开, 使其不会过多滤掉高频成分而失真并对线宽功率谱峰值进行洛伦兹曲线拟合.最后得到了1 550 nm 波长可调谐光纤激光器(1 520~1 570 nm)的线宽值约为161 kHz, 为频谱仪的参数优化设置及窄线宽激光器线宽标定提供了相关参考.     

双光栅外腔半导体激光器压窄技术的研究

介绍了利用双光栅外腔结构对650 nm半导体激光器输出激光进行选模、线宽压窄及波长调谐的 研究。获得了最窄线宽<0.01 nm的单纵模激光输出,实现了波长调谐范围约8.4 nm。     

双光栅外腔半导体激光器压窄技术的研究

介绍了利用双光栅外腔结构对650 nm半导体激光器输出激光进行选模、线宽压窄及波长调谐的研究.获得了最窄线宽＜0.01 nm的单纵模激光输出,实现了波长调谐范围约8.4 nm.     

一种基于温度和PZT双控制的光锁相技术研究

对空间相干光通信系统进行了简单描述,对相干光锁相环(OPLL)技术进行了详细的分析,提出了一种基于激光器温度控制和PZT腔长控制的激光锁相技术。该技术集双重控制体系于一体,和传统OPLL相比,具有更快的频率扫描速度、更高的相位灵敏度。实验证明,该技术在空间相干光通信解调中大大地提高了系统效率。     

采用色散型布儒斯特棱镜扩束器和光栅调谐的高效率脉冲钛宝石激光器

详细推导了采用色散型布儒斯特扩束器加光栅调谐脉冲钛宝石激光器压窄线宽的原理，纠正了原有理论的错误之处，实验结果和理论结果相吻合。该系统具有较宽的连续调谐范围和较窄的线宽，并获得较高的窄线宽运转的激光效率。     

单纵模耦合腔半导体激光器

八十年代,高数据速率长距离光纤传输和相干光通信的发展,推动了单频半导体激光器的研究,主要的研究工作有分布反馈(DFB)式激光器、解理耦合腔(C~3)激光器和外腔式激光器。连续工作条件下,DFB激光器的线宽光功率乘积约为30MHz·mW,线宽最窄已达4MHz;C~3激光器的线宽功率乘积为2.5～3MHz·mW,10mW     

窄线宽低噪声可调谐非平面环形激光器

针对空间相干光通信和探测等应用,对非平面环形激光器的线宽、噪声和调谐特性进行了系统的实验研究。单频输出功率达到752mW,光光效率42%,斜率效率54%。采用延时自外差拍频法测试了激光线宽,其随泵浦功率的增加而增大,输出功率小于200 mW 时,线宽小于1 kHz,在最高输出功率下线宽为2.3 kHz。激光强度噪声主要由弛豫振荡引起,相对强度噪声（RIN）随着泵浦功率的提高而降低。在1.78W 泵浦功率下,RIN 达到-93 dB/Hz。采用温度和压电两种方式进行了激光调谐。温度调谐范围达到62 GHz。压电调谐范围达到130MHz,响应带宽100 kHz。     

可连续调谐的窄线宽外腔半导体激光器

可快速连续调谐的小尺寸窄线宽外腔半导体激光器是调频连续波（FMCW）激光雷达、量子技术等领域的核心器件。通过紧凑的反馈光路设计，采用腔长为2.5 mm的法布里-珀罗腔（FP腔）反馈压窄线宽，并结合压电陶瓷（PZT）进行腔长扫描，组装了波长为1550 nm的小型化可调频的激光样机。采用光纤长度为1 m的马赫-曾德尔干涉仪，在重复频率为0.1、1.0、10.0、100.0 kHz下分别测得激光器无跳模的连续调谐范围为25.0、21.6、18.0、10.0 GHz。基于20 km长光纤的延时自外差法，测得3 dB线宽约为10 kHz。未来通过更加紧凑的光路设计，可以获得更大调频范围的超窄线宽激光。