単一周波数ファイバーレーザーの線幅特性

単一周波数ファイバーレーザーは限界線幅が非常に狭く、そのスペクトル線形状はローレンツ型であり、単一周波数半導体とは大きく異なります。その理由は、単一周波数ファイバーレーザーはレーザー共振空洞が長く、空洞内の光子の寿命が長いためです。これは、単一周波数ファイバー レーザーの位相ノイズと周波数ノイズが単一周波数半導体レーザーよりも低いことを意味します。

単一周波数ファイバーレーザーの線幅テストの結果は、積分時間に関係します。この積分時間は理解するのが難しいことがよくあります。実際、それは単一周波数ファイバーレーザーを「観察してテストする」時間として単純に理解できます。この間、ビート周波数によるスペクトル位相ノイズを測定し、線幅を計算します。ヘテロダイン非平衡M-Z干渉計を例にとると、遅延ファイバの長さは50km、シングルモードファイバコアの屈折率は1.5と仮定され、真空中の光の速度は3x108メートル/秒です。その後、シングルモード ファイバ内の光は、1 メートルの伝送ごとに約 4.8ns の遅延が発生します。これは、光ファイバを 50km 延長した後の 240us の遅延に相当します。

テスト対象の単一周波数レーザーが、1:1 光スプリッターを通過すると、まったく同じ特性を持つ 2 つのクローンになると想像してください。クローンの 1 つは、もう 1 つよりも 240 マイクロ秒長く実行されます。 2 つのクローンが 2 番目の 1:1 を通過する場合、光カプラーを組み合わせると、240us 長く動作するクローンは位相ノイズを運びます。位相雑音の影響により、再結合後の単一周波数レーザは起動前に比べてスペクトルに幅が生じます。より専門的に言えば、このプロセスは位相雑音変調と呼ばれます。変調によって引き起こされる広がりは両側波帯であるため、位相ノイズのスペクトル幅は測定対象の単一周波数レーザーの線幅の 2 倍になります。スペクトル上で広がったスペクトル幅を計算するには積分が必要であり、この時間を積分時間と呼びます。

上記の説明を通じて、「積分時間」と単一周波数ファイバーレーザーの測定された線幅の間には関係があるはずであることが理解できます。 「積分時間」が短いほど、クローンによって生じる位相ノイズの影響が小さくなり、単一周波数ファイバーレーザーの測定線幅が狭くなります。

別の角度から理解すると、線幅は何を表すのでしょうか?は、単一周波数レーザーの周波数ノイズと位相ノイズです。これらのノイズ自体は常に存在しており、蓄積される時間が長くなるほどノイズが顕著になります。したがって、単一周波数ファイバーレーザーの周波数ノイズと位相ノイズの「観察テスト」に時間がかかるほど、測定される線幅は大きくなります。もちろん、ここで言う時間は実際には非常に短く、ナノ秒、マイクロ秒、ミリ秒、あるいは第 2 レベルまでです。これは、ランダム ノイズのテストと測定では常識です。

単一周波数ファイバーレーザーのスペクトル線幅が狭いほど、時間領域のスペクトルはよりクリーンで美しくなり、サイドモード抑制比 (SMSR) が非常に高くなります。逆も同様です。この点をマスターすると、線幅テスト条件が利用できない場合でも、単一周波数レーザーの単一周波数性能を判断できます。もちろん、分光計 (OSA) の技術原理と分解能の制限により、単一周波数ファイバー レーザーのスペクトルはその性能を定量的または正確に反映できません。位相ノイズと周波数ノイズの判断は非常に大雑把であり、誤った結果を招く場合があります。

単一周波数半導体レーザーの実際の線幅は、一般に単一周波数ファイバー レーザーの線幅よりも大きくなります。一部のメーカーは単一周波数半導体レーザーの線幅指標を非常に美しく提示していますが、実際のテストでは、単一周波数半導体レーザーの限界線幅が単一周波数半導体レーザーの限界線幅よりも高いことが示されています。ファイバーレーザーの周波数は広くなければならず、その周波数ノイズと位相ノイズの指標も低くなければなりません。これは、単一周波数レーザー共振空洞の構造と長さによって決まります。もちろん、継続的に開発されている単一周波数半導体技術は、外部共振器の長さを大幅に延長し、光子の寿命を延長し、位相を制御し、しきい値を高めることにより、位相ノイズを抑制し、単一周波数半導体レーザーの線幅を狭め続けています。共振器内での定在波状態の形成。