田　東

(西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 陜西 西安 710121)

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基于偏振干涉的任意波長(zhǎng)鎖定器

田東

(西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 陜西 西安 710121)

設(shè)計(jì)一種可任意設(shè)定波長(zhǎng)且具有低溫度漂移特性的波長(zhǎng)鎖定器。利用YVO4和LiNbO3等材料的熱光特性及引入溫度反饋補(bǔ)償系統(tǒng)方式，實(shí)現(xiàn)鎖定器的較低溫度漂移特性；通過(guò)引入兩個(gè)位相差為π/2的晶體偏振干涉濾波器，使得鎖定器能夠在工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)任意位置的實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)鎖定，且具有近似一致的分辨率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的波長(zhǎng)鎖定器對(duì)于固定波長(zhǎng)(1 543 nm)，在10～40℃的溫度范圍內(nèi)工作時(shí)，波長(zhǎng)鎖定頻率誤差小于0.4 GHz；當(dāng)輸入波長(zhǎng)在波長(zhǎng)鎖定器的單個(gè)自由光譜范圍內(nèi)變化時(shí)，相同的溫度范圍下，最大頻率鎖定誤差不大于0.8 GHz。

波長(zhǎng)鎖定；偏振干涉；溫度補(bǔ)償；YVO4晶體；LiNbO3晶體

隨著密集波分復(fù)用系統(tǒng)光信道間隔不斷減小，通信系統(tǒng)對(duì)分布式反饋激光器的輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高。例如信道間隔為50 GHz，傳輸速率為10 Gb/s的激光器，頻率要求穩(wěn)定在±2.5 GHz[1]。因此，具有波長(zhǎng)鎖定功能的光器件成為波分復(fù)用光纖通信和光傳感等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2-3]。

目前，常見(jiàn)的波長(zhǎng)鎖定器是基于濾波片型、衍射光柵型、法布里-珀羅(Fabry-Perot，F(xiàn)P)標(biāo)準(zhǔn)具型，以及晶體干涉型等[4-6]波長(zhǎng)鎖定技術(shù)研制而成，性能參數(shù)各有優(yōu)劣。濾波片型波長(zhǎng)鎖定器需要根據(jù)擬鎖定的波長(zhǎng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，靈活性低;基于光柵型鎖定器只能對(duì)單一的波長(zhǎng)進(jìn)行鎖定，且溫度漂移較大;FP型波長(zhǎng)鎖定器具有結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性高的優(yōu)勢(shì)，其核心元件是FP干涉濾波器,由于受多光束干涉固有特性的限制，該波長(zhǎng)鎖定器不能在自由光譜范圍(Free Spectrum Range，F(xiàn)SR)內(nèi)對(duì)任意波長(zhǎng)鎖定[7-8];晶體型偏振干涉濾波器雖然有類似正弦的頻率響應(yīng)，但其分辨率在部分波長(zhǎng)處很低，并且晶體材料對(duì)溫度又敏感，都難以實(shí)現(xiàn)任意的波長(zhǎng)鎖定[9-10]。

利用晶體材料特性互補(bǔ)特性，可以提高偏振干涉濾波器溫度穩(wěn)定性，在環(huán)境溫度變化30℃的測(cè)試條件下，濾波器中心波長(zhǎng)的最大偏移只有0.087 5 nm[11]。本文將同時(shí)利用晶體材料特性互補(bǔ)特性和器件溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，設(shè)計(jì)一種基于偏振干涉濾波器的波長(zhǎng)鎖定器，使器件在FSR內(nèi)具有均勻的分辨率和良好的溫度穩(wěn)定性。

1　偏振干涉波長(zhǎng)鎖定原理

晶體型偏振干涉濾波器是由一對(duì)偏振器之間的波片構(gòu)成。當(dāng)兩個(gè)偏振器的通光方向平行且與波片的光軸夾角為45°時(shí)，濾波器的輸出光強(qiáng)為[12-13]

(1)

其中，I0是入射到濾波器的光強(qiáng)度，λ和L分別為入射光波長(zhǎng)和波片厚度，Δn=ne-no是晶體材料的雙折射率，ne、no分別是波片中e光和o光的折射率。

由式(1)可知，偏振干涉濾波器的輸出光強(qiáng)隨波長(zhǎng)呈正弦特征變化，具有波長(zhǎng)分辨能力。由于在波峰和波谷處，輸出光強(qiáng)值隨波長(zhǎng)變化緩慢，此時(shí)波長(zhǎng)分辨率較低。

2　任意波長(zhǎng)鎖定器設(shè)計(jì)

2.1改善溫度穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)波長(zhǎng)鎖定器所使用的晶體玻片的折射率及厚度與工作溫度有關(guān)。因此，溫度變化將會(huì)引起擬鎖定的工作波長(zhǎng)漂移。利用熱光系數(shù)符號(hào)相反的YVO4和LiNbO3的晶體材料形成溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)[14-15]，從而提高晶體型偏振干涉濾波器的溫度穩(wěn)定性[7]。在材料溫度補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，增加溫度傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，修正溫度影響的波長(zhǎng)鎖定器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　基于溫度補(bǔ)償?shù)牟ㄩL(zhǎng)鎖定器

根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)，僅使用波片1時(shí)，探測(cè)器輸出的光強(qiáng)隨溫度呈正弦特征變化，與典型的偏振干涉濾波器響應(yīng)一致。使用兩個(gè)晶體波片進(jìn)行材料溫度補(bǔ)償后，探測(cè)器輸出光強(qiáng)隨溫度變化的斜率將減小，或產(chǎn)生相同光強(qiáng)變化量的溫度范圍顯著增大，如圖2所示。此時(shí)，再使用溫度傳感器測(cè)量濾波器所處的環(huán)境溫度，對(duì)探測(cè)器的輸出強(qiáng)度按照傳感器的精度細(xì)分，使傳感器精度范圍內(nèi)的光強(qiáng)變化成為最終誤差。

圖2　溫度補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?/p>

雙重溫度補(bǔ)償利用材料和溫度傳感器這兩種補(bǔ)償方法的正交性，達(dá)到相同的補(bǔ)償效果，和使用任意一種方法相比，所要求的材料加工精度和器件精度都更低。從圖2可以看出，如果僅僅使用溫度傳感器對(duì)濾波器輸出進(jìn)行補(bǔ)償，則達(dá)到與雙重溫度補(bǔ)償相同的效果，傳感器的精度需要提高1個(gè)量級(jí)以上，高精度溫度傳感器的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、成本高[15-16]。

2.2提高分辨率的設(shè)計(jì)

由式(1)可知，當(dāng)偏振干涉濾波器中的有效波片厚度變化λ/4時(shí)，濾波器的輸出相位變化π/2。利用兩個(gè)偏振干涉濾波器構(gòu)成分辨率均勻的波長(zhǎng)鎖定器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　基于雙濾波器的波長(zhǎng)鎖定器結(jié)構(gòu)

圖3是在圖1的基礎(chǔ)上，增加了另1對(duì)波片組合“波片1′+波片2′”和1個(gè)探測(cè)器，且用偏振分束器代替了偏振器1。“波片1′+波片2′”與“波片1+波片2”的有效長(zhǎng)度相差

探測(cè)器1、2探測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)相同，但相位相差π/2，當(dāng)輸入波長(zhǎng)在整個(gè)FSR上變化時(shí)，二者在平面上形成一個(gè)圓形。因此，該器件在整個(gè)自由光譜范圍內(nèi)都具有均勻的分辨率，可在任意波長(zhǎng)處鎖定。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)，對(duì)波長(zhǎng)鎖定器的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中使用的YVO4和LiNbO3波片由高意光學(xué)生產(chǎn)，厚度分別是10mm和1.515mm，厚度比為6.6∶1，與最佳溫度補(bǔ)償厚度比6.54∶1接近。偏振器采用高消光比晶體偏振分束器，通光方向與波片光軸的夾角為45°；激光器輸出的激光波長(zhǎng)和光譜寬度分別是1 543nm和0.1nm。溫度傳感器的測(cè)量精度為1℃。實(shí)驗(yàn)時(shí)，把圖4中虛線框內(nèi)的部分放入高低溫交變實(shí)驗(yàn)箱，在10～40℃之間測(cè)試，讀取功率計(jì)和溫度傳感器的數(shù)值，經(jīng)過(guò)處理后分析波長(zhǎng)鎖定器的溫度穩(wěn)定性。

圖4　波長(zhǎng)鎖定器實(shí)驗(yàn)裝置

圖5是波長(zhǎng)鎖定器輸出光強(qiáng)隨溫度變化的歸一化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)圖5可知，當(dāng)使用單種晶體材料波片時(shí)，即使固定輸入波長(zhǎng)，輸出光強(qiáng)仍隨溫度周期性變化，從而導(dǎo)致無(wú)法有效對(duì)波長(zhǎng)鎖定。當(dāng)使用雙重補(bǔ)償補(bǔ)償后，波長(zhǎng)鎖定器的輸出功率起伏在測(cè)試溫度范圍內(nèi)明顯被抑制，穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。

為了更清晰地觀察波長(zhǎng)鎖定器輸出隨溫度變化引起的波長(zhǎng)鎖定誤差，假設(shè)在25℃時(shí)溫度引起的頻率誤差為0，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中偏振干涉濾波器的FSR，可以把圖5中的功率起伏轉(zhuǎn)化為等效的頻率誤差，結(jié)果如圖6所示，其中增加僅使用材料補(bǔ)償時(shí)的結(jié)果。顯然，在(25±15)℃的溫度范圍內(nèi)，基于材料的溫度補(bǔ)償能夠把最大頻率誤差由100GHz降低到6GHz左右。然而，增加溫度傳感器后，在10～40℃的溫度范圍內(nèi)，最大頻率誤差只有0.4GHz。

圖5　基于單濾波器的波長(zhǎng)鎖定器溫度穩(wěn)定性

圖6　基于單濾波器的波長(zhǎng)鎖定器頻率誤差

按照?qǐng)D3所示結(jié)構(gòu)進(jìn)一步驗(yàn)證波長(zhǎng)鎖定器的頻率誤差。在圖4中增加1個(gè)厚度為10mm的YVO4波片和1臺(tái)功率計(jì)，用可調(diào)諧濾波器代替上述實(shí)驗(yàn)中的固定波長(zhǎng)激光器。實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中通過(guò)旋轉(zhuǎn)其中1個(gè)玻片來(lái)實(shí)現(xiàn)2個(gè)YVO4波片之間的厚度差變化，考慮到實(shí)驗(yàn)中所用到LiNbO3補(bǔ)償波片的厚度差別很小，故2個(gè)濾波器共用1個(gè)補(bǔ)償波片。

假設(shè)波長(zhǎng)鎖定器在25℃時(shí)溫度引起的頻率誤差為0，則在15℃、26℃和40℃溫度條件下，器件的頻率誤差范圍約±0.8GHz，如圖7所示。其中，輸入激光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為193.1THz±62.5GHz，與實(shí)驗(yàn)中所用偏振干涉濾波器的FSR基本一致。

由圖7可以看出，當(dāng)于兩個(gè)偏振干涉濾波器的輸出均在“波谷”時(shí)，噪聲影響明顯增大，會(huì)引起顯著的頻率誤差。

圖7　基于雙濾波器的波長(zhǎng)鎖定器頻率誤差

綜上所述，所設(shè)計(jì)的波長(zhǎng)鎖定器具有良好的溫度穩(wěn)定性和較高的波長(zhǎng)分辨率。

4　結(jié)語(yǔ)

利用晶體偏振干涉濾波器和雙重溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，設(shè)計(jì)一款具有較高溫度穩(wěn)定性、可在任意位置鎖定的波長(zhǎng)鎖定器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在10～40℃的溫度范圍內(nèi)，使用YVO4+LiNbO3和溫度傳感器構(gòu)成的溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，該波長(zhǎng)鎖定器的頻率誤差小于0.2GHz?；陔p濾波器的波長(zhǎng)鎖定器在一個(gè)FSR內(nèi)具有基本一致的波長(zhǎng)鎖定誤差，能夠在任意波長(zhǎng)位置鎖定，最大鎖定誤差不大于0.4GHz。

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[責(zé)任編輯:祝劍]

A polarization interference-based wavelength locker with uniform resolution

TIAN Dong

(School of Computer Science and Technology, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

A thermalized wavelength locker with uniform resolution is proposed. Material thermal compensation and temperature sensor are combined to improve temperature stability of wavelength locker. Dual birefringent filters with the phase difference of π/2 are used to obtain such uniform frequency resolution that the locker could lock at any wavelength in the operating range. Experimental results show that the wavelength error is 0.2GHz in the temperature range of 10～40℃ when the locker operates at the wavelength of 1543nm. When the input wavelength tuned in the free spectrum range (FSR), the maximum locking error is less than 0.8GHz at the same temperature range.

wavelength locker, birefringent interference, temperature compensation, YVO4crystal, LiNbO3crystal

10.13682/j.issn.2095-6533.2016.04.017

2016-03-02

陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015KJXX-40)

田東(1980-)，男，碩士，講師,從事應(yīng)用電子技術(shù)研究。E-mail：tiandong@xupt.edu.cn

TN913.7

A

2095-6533(2016)04-0088-04