基于偏振干涉的任意波長鎖定器

田　東

(西安郵電大學 計算機學院， 陜西 西安 710121)

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基于偏振干涉的任意波長鎖定器

田東

(西安郵電大學 計算機學院， 陜西 西安 710121)

設計一種可任意設定波長且具有低溫度漂移特性的波長鎖定器。利用YVO4和LiNbO3等材料的熱光特性及引入溫度反饋補償系統方式，實現鎖定器的較低溫度漂移特性；通過引入兩個位相差為π/2的晶體偏振干涉濾波器，使得鎖定器能夠在工作波長范圍內任意位置的實現波長鎖定，且具有近似一致的分辨率。實驗結果表明，設計的波長鎖定器對于固定波長(1 543 nm)，在10～40℃的溫度范圍內工作時，波長鎖定頻率誤差小于0.4 GHz；當輸入波長在波長鎖定器的單個自由光譜范圍內變化時，相同的溫度范圍下，最大頻率鎖定誤差不大于0.8 GHz。

波長鎖定；偏振干涉；溫度補償；YVO4晶體；LiNbO3晶體

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

目前，常見的波長鎖定器是基于濾波片型、衍射光柵型、法布里-珀羅(Fabry-Perot，FP)標準具型，以及晶體干涉型等[4-6]波長鎖定技術研制而成，性能參數各有優劣。濾波片型波長鎖定器需要根據擬鎖定的波長進行專門設計，靈活性低;基于光柵型鎖定器只能對單一的波長進行鎖定，且溫度漂移較大;FP型波長鎖定器具有結構緊湊，穩定性高的優勢，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，該波長鎖定器不能在自由光譜范圍(Free Spectrum Range，FSR)內對任意波長鎖定[7-8];晶體型偏振干涉濾波器雖然有類似正弦的頻率響應，但其分辨率在部分波長處很低，并且晶體材料對溫度又敏感，都難以實現任意的波長鎖定[9-10]。

利用晶體材料特性互補特性，可以提高偏振干涉濾波器溫度穩定性，在環境溫度變化30℃的測試條件下，濾波器中心波長的最大偏移只有0.087 5 nm[11]。本文將同時利用晶體材料特性互補特性和器件溫度補償的方法，設計一種基于偏振干涉濾波器的波長鎖定器，使器件在FSR內具有均勻的分辨率和良好的溫度穩定性。

1　偏振干涉波長鎖定原理

晶體型偏振干涉濾波器是由一對偏振器之間的波片構成。當兩個偏振器的通光方向平行且與波片的光軸夾角為45°時，濾波器的輸出光強為[12-13]

(1)

其中，I0是入射到濾波器的光強度，λ和L分別為入射光波長和波片厚度，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隨波長呈正弦特征變化，具有波長分辨能力。由于在波峰和波谷處，輸出光強值隨波長變化緩慢，此時波長分辨率較低。

2　任意波長鎖定器設計

2.1改善溫度穩定性的設計

設計波長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。因此，溫度變化將會引起擬鎖定的工作波長漂移。利用熱光系數符號相反的YVO4和LiNbO3的晶體材料形成溫度補償結構[14-15]，從而提高晶體型偏振干涉濾波器的溫度穩定性[7]。在材料溫度補償的基礎上，增加溫度傳感器監測環境溫度，修正溫度影響的波長鎖定器結構，如圖1所示。

圖1　基于溫度補償的波長鎖定器

根據圖1所示結構，僅使用波片1時，探測器輸出的光強隨溫度呈正弦特征變化，與典型的偏振干涉濾波器響應一致。使用兩個晶體波片進行材料溫度補償后，探測器輸出光強隨溫度變化的斜率將減小，或產生相同光強變化量的溫度范圍顯著增大，如圖2所示。此時，再使用溫度傳感器測量濾波器所處的環境溫度，對探測器的輸出強度按照傳感器的精度細分，使傳感器精度范圍內的光強變化成為最終誤差。

圖2　溫度補償的工作原理

雙重溫度補償利用材料和溫度傳感器這兩種補償方法的正交性，達到相同的補償效果，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濾波器輸出進行補償，則達到與雙重溫度補償相同的效果，傳感器的精度需要提高1個量級以上，高精度溫度傳感器的實現復雜、成本高[15-16]。

2.2提高分辨率的設計

由式(1)可知，當偏振干涉濾波器中的有效波片厚度變化λ/4時，濾波器的輸出相位變化π/2。利用兩個偏振干涉濾波器構成分辨率均勻的波長鎖定器，其結構如圖3所示。

圖3　基于雙濾波器的波長鎖定器結構

圖3是在圖1的基礎上，增加了另1對波片組合“波片1′+波片2′”和1個探測器，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”的有效長度相差

探測器1、2探測到的光強信號相同，但相位相差π/2，當輸入波長在整個FSR上變化時，二者在平面上形成一個圓形。因此，該器件在整個自由光譜范圍內都具有均勻的分辨率，可在任意波長處鎖定。

3　實驗結果與討論

根據圖1所示結構，對波長鎖定器的溫度穩定性進行驗證，實驗裝置如圖4所示。實驗中使用的YVO4和LiNbO3波片由高意光學生產，厚度分別是10mm和1.515mm，厚度比為6.6∶1，與最佳溫度補償厚度比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和光譜寬度分別是1 543nm和0.1nm。溫度傳感器的測量精度為1℃。實驗時，把圖4中虛線框內的部分放入高低溫交變實驗箱，在10～40℃之間測試，讀取功率計和溫度傳感器的數值，經過處理后分析波長鎖定器的溫度穩定性。

圖4　波長鎖定器實驗裝置

圖5是波長鎖定器輸出光強隨溫度變化的歸一化實驗結果。根據圖5可知，當使用單種晶體材料波片時，即使固定輸入波長，輸出光強仍隨溫度周期性變化，從而導致無法有效對波長鎖定。當使用雙重補償補償后，波長鎖定器的輸出功率起伏在測試溫度范圍內明顯被抑制，穩定性顯著增強。

為了更清晰地觀察波長鎖定器輸出隨溫度變化引起的波長鎖定誤差，假設在25℃時溫度引起的頻率誤差為0，根據實驗中偏振干涉濾波器的FSR，可以把圖5中的功率起伏轉化為等效的頻率誤差，結果如圖6所示，其中增加僅使用材料補償時的結果。顯然，在(25±15)℃的溫度范圍內，基于材料的溫度補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，最大頻率誤差只有0.4GHz。

圖5　基于單濾波器的波長鎖定器溫度穩定性

圖6　基于單濾波器的波長鎖定器頻率誤差

按照圖3所示結構進一步驗證波長鎖定器的頻率誤差。在圖4中增加1個厚度為10mm的YVO4波片和1臺功率計，用可調諧濾波器代替上述實驗中的固定波長激光器。實驗操作過程中通過旋轉其中1個玻片來實現2個YVO4波片之間的厚度差變化，考慮到實驗中所用到LiNbO3補償波片的厚度差別很小，故2個濾波器共用1個補償波片。

假設波長鎖定器在25℃時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，輸入激光波長調諧范圍為193.1THz±62.5GHz，與實驗中所用偏振干涉濾波器的FSR基本一致。

由圖7可以看出，當于兩個偏振干涉濾波器的輸出均在“波谷”時，噪聲影響明顯增大，會引起顯著的頻率誤差。

圖7　基于雙濾波器的波長鎖定器頻率誤差

綜上所述，所設計的波長鎖定器具有良好的溫度穩定性和較高的波長分辨率。

4　結語

利用晶體偏振干涉濾波器和雙重溫度補償的方法，設計一款具有較高溫度穩定性、可在任意位置鎖定的波長鎖定器。實驗結果表明，在10～40℃的溫度范圍內，使用YVO4+LiNbO3和溫度傳感器構成的溫度補償結構，該波長鎖定器的頻率誤差小于0.2GHz?；陔p濾波器的波長鎖定器在一個FSR內具有基本一致的波長鎖定誤差，能夠在任意波長位置鎖定，最大鎖定誤差不大于0.4GHz。

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[責任編輯: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

陜西省自然科學基金資助項目(2015KJXX-40)

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

TN913.7

A

2095-6533(2016)04-0088-04