文档介绍：DFB 激光器的调谐动态特性及测量方法研
究
Research on the Dynamic Tuning
Characteristics of DFB Lasers and Its
Measurement Methods
一级学科:仪器科学与技术
学科专业:测试计量技术及仪器
研究生:刘景旺
指导教师:胡小唐教授
天津大学精密仪器与光电子工程学院
二零一二年五月
独创性声明
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学位论文作者签名: 签字日期: 年月日
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摘要
分布反馈(Distributed-Feedback Diode Lasers,DFB)二极管激光器是性能优
异的窄线宽、动态单模、波长可调谐激光器,被广泛应用于光通信、光传感和光
测量等技术领域。作为系统核心器件,DFB 激光器调谐的动态特性,包括动态
边模抑制比、动态波长、动态线宽等特性,影响系统的整体性能,对其进行实时
监测十分必要。然而,由于调谐的动态特性瞬息万变,要求测量仪器必须具备高
分辨率和极快响应速度等性能,常规方法均难以达到测量要求。此外,由于 DFB
激光器电流调谐的非线性,加之调谐动态特性测量的困难,导致激光器调谐的波
长特性描述尚缺少数学模型。
论文提出了激光器调谐动态特性的光纤延时自外差测量方案,理论分析了测
量动态波长及线宽的可行性,搭建了测量系统,实验研究了 DFB 激光器调谐的
动态波长和线宽特性。此外,从二极管激光器调谐机理出发,提出了激光器调谐
的波长解析模型,利用光谱仪测量四个不同厂家 DFB 激光器稳态模谱特性,辨
识出解析模型的六个参数。利用可调谐激光吸收光谱技术测量 CO2 气体在
1582nm 附近的 8 吸收线,与 HITRAN 谱库中 CO2 气体标准吸收线位置比对,验
证了波长解析模型的有效性。主要的工作内容和创新点包括以下三个方面:
1、调谐动态特性的测量方法:研究了二极管激光器在快速调谐过程中的动
态波长及线宽特性,提出一种基于 Mach-Zehnder 干涉仪的光纤延时自外差法
(fiber delayed self-heterodyne interferometer,FDSHI)测量方案,测量了 DFB 激
光器在锯齿波电流调谐下的动态波长及线宽特性。同时,利用 CO2 气体的 2 条
吸收谱线与 HITRAN 谱库中吸收线位置比对,辨识出激光器的动态波长,该吸
收线确定的波长值具有绝对可靠性,将 FDSHI 系统得到的动态波长测量值与之
比较,二者误差仅为 ,验证了调谐动态特性 FDSHI 测量方法的有效性。
2、得到了 DFB 激光器调谐动态线宽的最佳范围:应用 FDSHI 实验系统,测
量了 DFB 激光器的动态线宽特性,实验结果表明,在整个调谐电流范围内,激
光器动态线宽随注入电流先变窄后又增宽,工作电流为最大电流的 倍左右时,
激光器的动态线宽最窄,激光器动态线宽最佳工作电流为最大电流的 ~ 倍
之间。
3、激光器调谐的波长解析模型:从 DFB 激光器的工作原理及调谐机理出发,
提出了激光器调谐的波长解析模型,该解析模型精确给出了激光器输出波长与注
入电流及工作温度的定量函数关系,通过实验测量结果辨识出模型参数。将模型
应用于四个不同厂家的商用 DFB 激光器,波长的模型预测值与实验测量值比较,
相关系数均在 以上。此外,利用热传导模型得到激光腔内温度,代入解
析模型得到波长模型预测值,与利用激光吸收光谱技术测量 CO2 气体 HITRAN
谱库中的 8 条吸收谱线位置波长值比对,二者误