基于偏振干涉的任意波长锁定器

田　东

(西安邮电大学 计算机学院， 陕西 西安 710121)



基于偏振干涉的任意波长锁定器

田东

(西安邮电大学 计算机学院， 陕西 西安 710121)

设计一种可任意设定波长且具有低温度漂移特性的波长锁定器。利用YVO4和LiNbO3等材料的热光特性及引入温度反馈补偿系统方式，实现锁定器的较低温度漂移特性；通过引入两个位相差为π/2的晶体偏振干涉滤波器，使得锁定器能够在工作波长范围内任意位置的实现波长锁定，且具有近似一致的分辨率。实验结果表明，设计的波长锁定器对于固定波长(1 543 nm)，在10～40℃的温度范围内工作时，波长锁定频率误差小于0.4 GHz；当输入波长在波长锁定器的单个自由光谱范围内变化时，相同的温度范围下，最大频率锁定误差不大于0.8 GHz。

波长锁定；偏振干涉；温度补偿；YVO4晶体；LiNbO3晶体

随着密集波分复用系统光信道间隔不断减小，通信系统对分布式反馈激光器的输出波长稳定性的要求越来越高。例如信道间隔为50 GHz，传输速率为10 Gb/s的激光器，频率要求稳定在±2.5 GHz[1]。因此，具有波长锁定功能的光器件成为波分复用光纤通信和光传感等领域的研究热点[2-3]。

目前，常见的波长锁定器是基于滤波片型、衍射光栅型、法布里-珀罗(Fabry-Perot，FP)标准具型，以及晶体干涉型等[4-6]波长锁定技术研制而成，性能参数各有优劣。滤波片型波长锁定器需要根据拟锁定的波长进行专门设计，灵活性低;基于光栅型锁定器只能对单一的波长进行锁定，且温度漂移较大;FP型波长锁定器具有结构紧凑，稳定性高的优势，其核心元件是FP干涉滤波器,由于受多光束干涉固有特性的限制，该波长锁定器不能在自由光谱范围(Free Spectrum Range，FSR)内对任意波长锁定[7-8];晶体型偏振干涉滤波器虽然有类似正弦的频率响应，但其分辨率在部分波长处很低，并且晶体材料对温度又敏感，都难以实现任意的波长锁定[9-10]。

利用晶体材料特性互补特性，可以提高偏振干涉滤波器温度稳定性，在环境温度变化30℃的测试条件下，滤波器中心波长的最大偏移只有0.087 5 nm[11]。本文将同时利用晶体材料特性互补特性和器件温度补偿的方法，设计一种基于偏振干涉滤波器的波长锁定器，使器件在FSR内具有均匀的分辨率和良好的温度稳定性。

1　偏振干涉波长锁定原理

晶体型偏振干涉滤波器是由一对偏振器之间的波片构成。当两个偏振器的通光方向平行且与波片的光轴夹角为45°时，滤波器的输出光强为[12-13]

(1)

其中，I0是入射到滤波器的光强度，λ和L分别为入射光波长和波片厚度，Δn=ne-no是晶体材料的双折射率，ne、no分别是波片中e光和o光的折射率。

由式(1)可知，偏振干涉滤波器的输出光强随波长呈正弦特征变化，具有波长分辨能力。由于在波峰和波谷处，输出光强值随波长变化缓慢，此时波长分辨率较低。

2　任意波长锁定器设计

2.1改善温度稳定性的设计

设计波长锁定器所使用的晶体玻片的折射率及厚度与工作温度有关。因此，温度变化将会引起拟锁定的工作波长漂移。利用热光系数符号相反的YVO4和LiNbO3的晶体材料形成温度补偿结构[14-15]，从而提高晶体型偏振干涉滤波器的温度稳定性[7]。在材料温度补偿的基础上，增加温度传感器监测环境温度，修正温度影响的波长锁定器结构，如图1所示。

图1　基于温度补偿的波长锁定器

根据图1所示结构，仅使用波片1时，探测器输出的光强随温度呈正弦特征变化，与典型的偏振干涉滤波器响应一致。使用两个晶体波片进行材料温度补偿后，探测器输出光强随温度变化的斜率将减小，或产生相同光强变化量的温度范围显著增大，如图2所示。此时，再使用温度传感器测量滤波器所处的环境温度，对探测器的输出强度按照传感器的精度细分，使传感器精度范围内的光强变化成为最终误差。

图2　温度补偿的工作原理

双重温度补偿利用材料和温度传感器这两种补偿方法的正交性，达到相同的补偿效果，和使用任意一种方法相比，所要求的材料加工精度和器件精度都更低。从图2可以看出，如果仅仅使用温度传感器对滤波器输出进行补偿，则达到与双重温度补偿相同的效果，传感器的精度需要提高1个量级以上，高精度温度传感器的实现复杂、成本高[15-16]。

2.2提高分辨率的设计

由式(1)可知，当偏振干涉滤波器中的有效波片厚度变化λ/4时，滤波器的输出相位变化π/2。利用两个偏振干涉滤波器构成分辨率均匀的波长锁定器，其结构如图3所示。

图3　基于双滤波器的波长锁定器结构

图3是在图1的基础上，增加了另1对波片组合“波片1′+波片2′”和1个探测器，且用偏振分束器代替了偏振器1。“波片1′+波片2′”与“波片1+波片2”的有效长度相差

探测器1、2探测到的光强信号相同，但相位相差π/2，当输入波长在整个FSR上变化时，二者在平面上形成一个圆形。因此，该器件在整个自由光谱范围内都具有均匀的分辨率，可在任意波长处锁定。

3　实验结果与讨论

根据图1所示结构，对波长锁定器的温度稳定性进行验证，实验装置如图4所示。实验中使用的YVO4和LiNbO3波片由高意光学生产，厚度分别是10mm和1.515mm，厚度比为6.6∶1，与最佳温度补偿厚度比6.54∶1接近。偏振器采用高消光比晶体偏振分束器，通光方向与波片光轴的夹角为45°；激光器输出的激光波长和光谱宽度分别是1 543nm和0.1nm。温度传感器的测量精度为1℃。实验时，把图4中虚线框内的部分放入高低温交变实验箱，在10～40℃之间测试，读取功率计和温度传感器的数值，经过处理后分析波长锁定器的温度稳定性。

图4　波长锁定器实验装置

图5是波长锁定器输出光强随温度变化的归一化实验结果。根据图5可知，当使用单种晶体材料波片时，即使固定输入波长，输出光强仍随温度周期性变化，从而导致无法有效对波长锁定。当使用双重补偿补偿后，波长锁定器的输出功率起伏在测试温度范围内明显被抑制，稳定性显著增强。

为了更清晰地观察波长锁定器输出随温度变化引起的波长锁定误差，假设在25℃时温度引起的频率误差为0，根据实验中偏振干涉滤波器的FSR，可以把图5中的功率起伏转化为等效的频率误差，结果如图6所示，其中增加仅使用材料补偿时的结果。显然，在(25±15)℃的温度范围内，基于材料的温度补偿能够把最大频率误差由100GHz降低到6GHz左右。然而，增加温度传感器后，在10～40℃的温度范围内，最大频率误差只有0.4GHz。

图5　基于单滤波器的波长锁定器温度稳定性

图6　基于单滤波器的波长锁定器频率误差

按照图3所示结构进一步验证波长锁定器的频率误差。在图4中增加1个厚度为10mm的YVO4波片和1台功率计，用可调谐滤波器代替上述实验中的固定波长激光器。实验操作过程中通过旋转其中1个玻片来实现2个YVO4波片之间的厚度差变化，考虑到实验中所用到LiNbO3补偿波片的厚度差别很小，故2个滤波器共用1个补偿波片。

假设波长锁定器在25℃时温度引起的频率误差为0，则在15℃、26℃和40℃温度条件下，器件的频率误差范围约±0.8GHz，如图7所示。其中，输入激光波长调谐范围为193.1THz±62.5GHz，与实验中所用偏振干涉滤波器的FSR基本一致。

由图7可以看出，当于两个偏振干涉滤波器的输出均在“波谷”时，噪声影响明显增大，会引起显著的频率误差。

图7　基于双滤波器的波长锁定器频率误差

综上所述，所设计的波长锁定器具有良好的温度稳定性和较高的波长分辨率。

4　结语

利用晶体偏振干涉滤波器和双重温度补偿的方法，设计一款具有较高温度稳定性、可在任意位置锁定的波长锁定器。实验结果表明，在10～40℃的温度范围内，使用YVO4+LiNbO3和温度传感器构成的温度补偿结构，该波长锁定器的频率误差小于0.2GHz。基于双滤波器的波长锁定器在一个FSR内具有基本一致的波长锁定误差，能够在任意波长位置锁定，最大锁定误差不大于0.4GHz。

[1]PADMARAJUK,LOGANDF,SHIRAISHIT,etal.WavelengthLockingandThermallyStabilizingMicroringResonatorsUsingDitheringSignals[J/OL].JournalofLightwaveTechnology, 2014, 32(32): 505-512[2016-01-20].http://ieeexplore.ieee.org/xpls/icp.jsp?arnumber=6680601.DOI:10.1109/JLT.2013.2294564.

[2]ACKERMANDA,PAGETKM,SCHNEEMEYERLF,etal.Low-costathermalwavelength-lockerintegratedinatemperature-tunedsingle-frequencylaserpackage[J/OL].JournalofLightwaveTechnology, 2004, 22(1): 166-171[2016-01-20].http://ieeexplore.ieee.org/iel5/50/28332/01266690.pdf.DOI:10.1109/JLT.2004.824186.

[3]BENDIMERADDF,BENKELFATBE,HAMDIIR,etal.ChannelEqualizationandBandwidthTuningUsingaLC-basedTunableHybridBirefringentFilter[J/OL].JournalofLightwaveTechnology, 2012, 30(13): 2103-2109[2016-01-20].http://ieeexplore.ieee.org/xpls/icp.jsp?arnumber=6177202.DOI: 10.1109/JLT.2012.2192715.

[4]董旭光，杨睿，陈定康，等. 武汉光迅波长锁定器简介[J/OL].邮电设计技术，2011(3):52-55[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1007-3043.2011.03.012.

[5]陈妍.光通信中的重要技术及发展趋势探讨[J/OL].信息通信，2014(5):230[2016-01-25].http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HBYD201405162.htm.

[6]胡双双，李毅，蒋群杰，等.基于双光纤布拉格光栅的抽运激光器波长锁定器[J/OL].中国激光，2008，35(1):44-48[2016-01-25].http://dx.chinadoi.cn/10.3321/j.issn%3a0258-7025.2008.01.010.

[7]OptoplexCorporationwebsite[E/OL] [2016-01-25].http://www.optoplex.com/Wavelength_Locker.htm.

[8]AccelinkTechnologieswebsite[E/OL].[2016-01-25].http://www.accelink.com/en/products/modules/passive/others/?tid=230.

[9]JAYMINA,MARKFK,QIW.Opticalinterleaver:USA, 7257287[P]. 2007-08-14.

[10]POEHLMANNW,VEEND,FARAHR,etal.Wavelengthdriftofburst-modeDMLforTWDM-PON[J/OL].JournalofOpticalCommunicationsandNetworking, 2015, 7(1):A44-A50[2016-01-25].http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=7023472DOI: 10.1364/JOCN.7.000A44.

[11] 刘继红, 郭嘉, 田瑞霞. 基于热光系数互补的双折射光滤波器[J/OL]. 西安邮电大学学报, 2015, 20(6): 82-85[2016-06-04].http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-XAYD201506019.htm.DOI:10.13682/j.issn.2095-6533.2015.06.018.

[12] 靳伟, 阮双琛. 光纤传感技术新进展[M]. 北京: 科学出版社, 2005:240-251.

[14]MASAOI,SYUHEIY,YOUHEIM,etal.Wavelengthplate,wavelengthfilterandwavelengthmonitor:US7239654[P]. 2007-07-03.

[15] 刘颂豪, 李淳飞. 光子学技术与应用(上)[M]. 广州：广东科技出版社, 2006: 77-79.

[16] 侯国章, 肖曾文, 赖一楠. 测试与传感技术[M]. 3版,哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2009:182-203.

[责任编辑:祝剑]

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

陕西省自然科学基金资助项目(2015KJXX-40)

田东(1980-)，男，硕士，讲师,从事应用电子技术研究。E-mail：tiandong@xupt.edu.cn

TN913.7

A

2095-6533(2016)04-0088-04