ویژگی های پهنای خط لیزرهای فیبر تک فرکانس

لیزرهای فیبر تک فرکانس دارای پهنای خط حد بسیار باریکی هستند و شکل خط طیفی آنها از نوع لورنتس است که تفاوت قابل توجهی با نیمه هادی های تک فرکانس دارد. دلیل آن این است که لیزرهای فیبر تک فرکانس حفره‌های تشدید لیزری طولانی‌تر و طول عمر فوتون‌های طولانی‌تری در حفره دارند. این بدان معناست که لیزرهای فیبر تک فرکانس نسبت به لیزرهای نیمه هادی تک فرکانس نویز فاز و نویز فرکانس کمتری دارند.

نتایج تست پهنای خط لیزرهای فیبر تک فرکانس به زمان ادغام مربوط می شود. درک این زمان ادغام اغلب دشوار است. در واقع، می توان آن را به سادگی زمان "مشاهده و آزمایش" لیزر فیبر تک فرکانس دانست. در این مدت، نویز فاز طیف را با ضرب کردن فرکانس اندازه گیری می کنیم تا پهنای خط را محاسبه کنیم. با در نظر گرفتن تداخل سنج غیرتعادلی هترودین M-Z به عنوان مثال، طول فیبر تاخیری 50 کیلومتر است، ضریب شکست هسته فیبر تک حالته 1.5 در نظر گرفته شده است، و سرعت نور در خلاء 3x108 متر بر ثانیه است. سپس نور در فیبر تک حالته به ازای هر 1 متر انتقال، تأخیر تقریباً 4.8 ns ایجاد می‌شود که معادل تأخیر 240 ما پس از 50 کیلومتر فیبر نوری است.

بیایید تصور کنیم که لیزر تک فرکانس مورد آزمایش پس از عبور از یک تقسیم کننده نوری 1:1 به دو کلون با مشخصات دقیقاً یکسان تبدیل می شود. یکی از کلون ها 240 ما بیشتر از دیگری کار می کند. هنگامی که دو کلون از 1:1 دوم عبور می کنند، هنگامی که جفت کننده نوری ترکیب می شود، کلونی که 240 ماز طولانی تر کار می کند، نویز فاز را حمل می کند. با توجه به تاثیر نویز فاز، لیزر تک فرکانس پس از نوترکیب دارای عرض معینی در طیف در مقایسه با حالت قبل از شروع است. به بیان حرفه ای تر، این فرآیند مدولاسیون نویز فاز نامیده می شود. از آنجا که گسترش ناشی از مدولاسیون دو باند جانبی است، عرض طیف نویز فاز دو برابر عرض خط لیزر تک فرکانس اندازه‌گیری می‌شود. برای محاسبه عرض طیف گسترده شده در طیف، یکپارچه سازی لازم است، بنابراین این زمان را زمان انتگرال می گویند.

از طریق توضیحات بالا، می‌توان فهمید که باید بین «زمان یکپارچه‌سازی» و پهنای خط اندازه‌گیری‌شده یک لیزر فیبر تک فرکانس رابطه‌ای وجود داشته باشد. هرچه "زمان یکپارچه سازی" کوتاه تر باشد، تاثیر نویز فاز ناشی از کلون کمتر است و پهنای خط اندازه گیری لیزر فیبر تک فرکانس باریک تر است.

برای درک آن از زاویه ای دیگر، عرض خط چه چیزی را توصیف می کند؟ نویز فرکانس و نویز فاز یک لیزر تک فرکانس است. خود این صداها همیشه وجود دارند و هر چه بیشتر جمع شوند، نویز آشکارتر می شود. بنابراین، هرچه "تست مشاهده" نویز فرکانس و نویز فاز یک لیزر فیبر تک فرکانس بیشتر طول بکشد، پهنای خط اندازه گیری شده بیشتر خواهد بود. البته زمان ذکر شده در اینجا در واقع بسیار کوتاه است، مانند نانوثانیه، میکروثانیه، میلی ثانیه یا تا سطح دوم. این حس مشترک در تست و اندازه گیری نویز تصادفی است.

هرچه پهنای خط طیف یک لیزر فیبر تک فرکانس کمتر باشد، طیف در حوزه زمانی تمیزتر و زیباتر خواهد بود، با نسبت سرکوب حالت جانبی بسیار بالا (SMSR) و بالعکس. تسلط بر این نکته می تواند عملکرد تک فرکانس لیزرهای تک فرکانس را زمانی که شرایط تست پهنای خط در دسترس نیست تعیین کند. البته با توجه به اصول فنی و محدودیت های تفکیک طیف سنج (OSA)، طیف لیزرهای فیبر تک فرکانس نمی تواند عملکرد آن را به صورت کمی یا دقیق منعکس کند. قضاوت نویز فاز و نویز فرکانس کاملاً خشن است و گاهی منجر به نتایج اشتباه می شود.

پهنای خط واقعی لیزرهای نیمه هادی تک فرکانس عموماً بیشتر از لیزرهای فیبری تک فرکانس است. اگرچه برخی از تولیدکنندگان نشانگرهای پهنای خط لیزرهای نیمه هادی تک فرکانس را بسیار زیبا ارائه می کنند، اما آزمایشات واقعی نشان می دهد که پهنای خط حدی لیزرهای نیمه هادی تک فرکانس بالاتر از لیزرهای نیمه هادی تک فرکانس است. لیزر فیبر فرکانس باید گسترده باشد و نویز فرکانس و نشانگر نویز فاز آن نیز باید ضعیف باشد که با ساختار و طول حفره تشدید لیزر تک فرکانس تعیین می شود. البته، فناوری نیمه هادی تک فرکانس به طور مداوم در حال توسعه به سرکوب نویز فاز و محدود کردن پهنای خط لیزرهای نیمه هادی تک فرکانس با افزایش زیاد طول حفره خارجی، افزایش طول عمر فوتون، کنترل فاز و بالا بردن آستانه برای شکل گیری شرایط موج ایستاده در تشدید کننده.