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电光调制器输入端光纤温度对光纤频率调制光谱影响的研究

来源:抵帆知识网
第34卷,第2期            光谱学与光谱分析2014年2月            SpectroscopyandSpectralAnalysisVol畅34,No畅2,pp472‐476February,2014 

电光调制器输入端光纤温度对光纤频率调制光谱影响的研究

马维光,李志新,谭 巍,付小芳,赵 刚,董 磊,张 雷,尹王保,贾锁堂

山西大学激光光谱实验室,量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西太原 030006

摘 要 激光光谱技术由于其高灵敏、高分辨、可在线检测等优点被广泛的应用与痕量气体探测领域,而频率调制光谱(FMS)技术由于其除了探测灵敏度高的优点外且可同时探测气体样品的吸收和色散,通常还被应用于原子分子物理、量子光学等领域。发展全光纤FMS可以在保持气体探测灵敏度的同时有效简化实验装置,然而FMS是一项偏振态敏感技术,光纤温度变化等引起不适当的偏振态变化会诱发残余幅度调制(RAM),该RAM不仅使FMS线型扭曲,同时对其色散信号产生直流偏置,因此研究光纤温度对RAM特性的影响具有非常重要的意义。研究首先通过理论和实验验证了相位可控波片模型解释保偏光纤特性的可行性,然后实验测量了进入电光调制器(EOM)前保偏光纤温度对RAM的影响,发现由RAM引起的色散光谱直流偏置随温度呈正弦变化,且在24和26畅8℃时直流偏置为零,即无RAM的状态,然而基于温度的直接RAM消除无法替代Wong‐Hall提出的伺服反馈控制来实现其长期抑制,这种温度诱发RAM的变化也是所有FMS色散信号背景漂移的主要原因。

关键词 频率调制光谱;残余幅度调制;电光调制器;保偏光纤;温度

中图分类号:O433畅1;TN247  文献标识码:A   DOI:10畅3964/j畅issn畅1000‐0593(2014)02‐0472‐05

种提高灵敏度的方案在实际应用中需要大量的保护措施不很实用,而波长调制、频率调制则是目前各个公司极力发展的主要高灵敏探测技术。

在现实环境下,激光及各种控制和探测系统很容易受温度、湿度或振动等影响,因此对于自由空间激光检测方案,其光源与探测装置的距离应尽可能短。另外就是采用光纤装置,不需要准直等即可固定光路。随着近年来光纤EOM、光纤环形器等都发展为成熟的产品,使得光纤频率调制光谱(FMS)成为了可能。而光纤EOM具有从直流到GHz的大带宽调制,这些革新不仅减小了装置的尺寸,同时简化了系统的控制。但是该系统在应用过程存在很多问题,主要是难获得精准的输入EOM偏振方向及偏振态的控制,即使是保偏光纤也如此,这就使得光纤FMS总存在残余幅度调制(RAM)。

对于FMS,高频调制是通过外部EOM来实现的,该调制将会在激光频率两端产生对称的边带,当调制幅度远远小于1时,高阶边带可以被忽略只剩下一阶边带,该频率调制的激光通过样品气后载频与边带拍频,被高速探测器探测后经过滤波从而获得FMS信号。FMS相对于波长调制光谱,其稳定性受环境影响较大,多数来自于频率调制过程。用于

引 言

  激光光谱技术通常被用来对气相原子或分子进行高灵敏测量,在环境污染检测、大气遥感、爆炸物探测、工业和农业过程控制、疾病诊断以及基础物理研究等领域有着广泛的应用前景。遵循Beer‐Lambert定律的直接吸收是激光光谱技术的基础也是最简单、最稳定的光谱技术之一,其最小可探测吸收可达到10-3[1‐3],然而这个灵敏度仍满足不了大量领域的需求。为了提高激光光谱技术的探测灵敏度可以采用两种方案:一是增加激光与目标气体分子的相互作用路径,二是抑制探测系统的噪声,对于前者常采用多通道池或法布里‐玻罗(FP)腔吸收池,探测灵敏度可以提高到10-9[4,5],对于噪声免疫腔增强吸收光谱甚至更高可达10-13[6‐9];而后者则是通过波长调制或频率调制将目标气体信息加载到高频段进行探测从而实现对噪声的抑制。由于光电探测系统的噪声功率主要集中在低频段,波长调制的调制频率通常为kHz量级,因此不足以完全抑制低频噪声而达不到散粒噪声极限。频率调制的调制频率可达几百MHz,原理上能达到散粒噪声极限,使得探测灵敏度达到10-6[12,13]。采用第一 收稿日期:2013‐04‐22,修订日期:2013‐08‐26

[10,11]

 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB921603),国家自然科学基金项目(61127017,61178009,61108030,

60908019,61275213,61205216),山西省青年科学基金项目(2010021003‐3,2012021022‐1)资助

 作者简介:马维光,1976年生,山西大学激光光谱实验室副教授  e‐mail:mwg@sxu畅edu畅cn

第2期                    光谱学与光谱分析调制的EOM由具有双折射的电光晶体和调制电路构成,偏振沿着射频调制方向的线偏振光才能被调制,且无其他偏振态或偏振方向光存在时才能获得纯频率调制,否则就会对FMS信号线型扭曲且其色散光谱存在一个直流偏置[8]。对自由空间EOM的FMS,输入线偏振光的振动方向可以通过1/2波片来调节,因此可以降低或消除RAM;而对光纤EOM的系统,则由于输入EOM偏振态及方向无法调节,使得该RAM很难直接消除。当该RAM存在时,EOM输入端光纤的温度等都会改变RAM的大小,从而使得FMS光谱信号不稳定以及直流偏置缓慢漂移。这意味着光纤FMS系统要比自由空间FMS系统具有更大的噪声或者低的探测灵cos2θsin2θsin2θcosΔφ++i2iEei2EoEeiEosinΔφ473

Le=

(5)

2 实验及结果

2畅1 FMS实验基本结构及温度控制设计

FMS实验原理如图2所示,一束激光Laser被EOM调制后通过样品池Samplecell,然后被高速探测器Detector所探测,EOM的驱动为功率放大的射频源RF,从该信号分出另一路被移相器移相后与探测器探测到的信号进行混频,混敏度,为此本工作拟通过对EOM输入端光纤温度的控制研究输入EOM光纤温度对RAM的影响。

1 理论分析

  由于保偏光纤是因双折射效应实现线偏振态保持的,因此其具有与电光晶体相同的双折射特性,且相位可以通过温度等控制,拟采用相位可控波片模型来描述,如图1所示,

其中Eei,Eio,Eeo

和Eo

o表示入射和出射光场沿非寻常轴(e轴)和寻常轴(o轴)的分量,φe和φo为光场偏振投影到e轴和o轴的分量经过该波片后的相位移动。

如果沿e轴和o轴偏振的光场具有相同的初始相位即线偏振光输入,则输出的e光和o光电场成分可表示为

Eeo

=Eieei(ωct-φe)

Eoo

=Eioei(ωct-φo)(1)

Fig畅1 Variablewaveplatemodel

  可以看出这两个光场的合成即为椭圆偏振光,由于两光

场实部为

Eeo

=Ei

ecos(ωct-φe)Eoo=Ei

ocos(ωct-φe+Δφ)(2)

其中Δφ表示为φe和φo的相位差,将含时项ωct消掉后,即可得到电场矢量末端所描绘的椭圆方程为

EEoe2iEoo2Eooe+Eio-2EeiEo2

eEio

cosΔφ=sinΔφ(3)  如果Δφ=0或者π/2,该方程分别表示线偏振光和圆偏振光,可以计算出椭圆短轴与e轴的夹角θ以及短轴长度Le

θ=12tan-12EeiEi

o(Eei)2-(Eio)2cosΔφ(4)

频后的信号被低通滤波器LP滤波后即可获得FMS信号。在实验研究中,进入样品池前的激光在光纤内传输,首先通过光纤起偏器(POL30‐15‐PP‐2,PhoenixPhotonics)获得线偏振光,其两端光纤长度各为2m,然后进入光纤EOM,调制后的激光经过样品池后入射到一个高速探测器Focus为JSPHSAgilent)用来探测调制频率信号33120函数发生器,,输出移相20器M为HzMini信号的射频源(1611,NewCircuits的Koheras‐26,混频器为MiniCircuits的ZLW‐1。激光源为丹麦(EDFL,公司购置的分布反馈激光源泵浦的掺铒光纤激光器AdjustikE15),其自由运转线宽1kHz,可以通过温度调谐波长范围约1nm(1530畅8~1531畅8nm),采用压电陶瓷可以快速调谐3GHz,由保偏光纤输出的激光为单模线偏振。EOM(MPX‐LN‐0畅5,Photline)为波导型,电光晶体为LiNbO3,其为z轴切割x轴传播,调制频率范围为DC‐500MHz,可以通过BiasT将低频或直流信号与射频信号相加后输入mm向偏振光的调制,射频和低频信号被加在晶体EOM,晶体的有效长度为,两端的光纤长度约为z轴38(emm,总长度约为510畅5轴)方向实现沿该方m,实验中的光纤起偏器的输入光纤和输入光纤皆为保偏光纤,长度各为约2m。

Fig畅2 TypicalRFexperimentalM:ixerRadioarrangementofFMspectroscopy

:Mixerfrequency;LP;φ:Low:Phasepassshifterfilter

;  为了验证进入EOM前光纤温度对FMS光谱的影响,实

验中对PM光纤和光纤EOM都进行了温度控制,结构如图3所示。如图3(a),保偏光纤被绕在紫铜柱,铜柱两端各放置一块方形帕尔贴温度控制元件,温度传感器AD590放置在铜柱中心用来测量温度;如图3(b),光纤EOM被一大一小两紫铜片夹住,两块方形帕尔贴放置在下面铜片和另一铜

474光谱学与光谱分析                   第34卷

片之间,温度传感器放置在小铜片中心。实验中温度控制器为美国Newport的Model325,控温精度可以达到0畅1℃。

Fig畅3 TheofPMtemperaturefiber(a)controllingandfiberEOMstructures

(b)

2畅2 温度对保偏光纤输出偏振态影响的测量

虽然保偏光纤相比于单模光纤对线偏振光的保持受外力及温度影响小得多,但是FMS严重依赖于输入到EOM的线偏振方向,如果其方向稍稍偏离EOM设定偏振方向,或者输入到EOM的光为椭圆偏振态,将会诱发极大的RAM。为了验证相位可控波片模型是否适用于保偏光纤,特进行了如下的研究,实验装置如图4所示。

Fig畅4 Theenceexperimentalofthestateofschematicpolarizationforonmeasuringfibertemperaturethedepend‐

  激光首先通过光纤起偏器,使其输出为线偏振光,然后将输出端光纤进行温度控制,输出的偏振态采用自由空间检偏器和探测器组合来检测。输出偏振光以椭圆偏振态模型分析,当探测器信号最小时即为短轴位置,对于每一个温度记下检偏器角度和相对光强,实验结果如图5(a)和(c)所示,图5(b)和(d)为以方程椭圆理论模型模拟的短轴角度和幅度随相位差Δ=φ的变化关系。该模拟假定输入两个轴向分量之

比Eei∶Ei

o10∶1。由图5(a)和(c)可以看出,短轴角度和该角度下光强幅度随温度呈周期性变化,但是两者的周期不同,角度变化周期为幅度变化周期的两倍,这与图5(b)和(d)的理论结果一致,即说明温度会改变e光和o光之间的相对相位,同时相位可控波片适用于保偏光纤的分析;另外也说明光纤起偏器产生的线偏振光在外界应力的作用下会有一定的偏转,或者是由于制造过程中的工艺没有使线偏振光完全沿着保偏光纤的特征轴。比较实验和理论,可见当光纤温度从21℃上升到27℃时,相位差改变2℃,且在23畅3和26畅3℃时,幅度接近0,对应线偏振光的输出。

Fig畅5 Experimentalulationsamplitude,(b)resultsand(d,(),aof)andtheangle(c),andtheoreticalsim‐

caloftemperaturestateof(cpolarization)and(d),oftheminor,(axisa)andofthe(bellipti),and‐(forexperimentaftera)PMorfiberphaseas(forafunctiontheory)2畅3 保偏光纤温度对FMS中RAM影响的测量

考虑到保偏光纤可以看作是温度控制波片,因此它的输出可以是线偏振也可以是椭圆偏振光,因此研究这些偏振态的变化对FMS中RAM的影响,对于了解光纤FMS的信号特性具有重要的意义。如图6搭建出一套光纤FMS实验装置图。这个实验装置和图2的原理装置类似,不同的是光纤起偏器的输出光纤被温度控制,光纤EOM也同时对温度控制,控制精度在0畅1°,在输出端放置有自由空间检偏器,该检偏器主要是为了使探测器玻璃窗口诱发的RAM更显著以适合分析,设置其偏振角度为60°,对应最大的光强透过,此时EOM的设置温度为26℃,保偏光纤的设置温度在24~27畅4℃变化。

Fig畅6 TheschematicandfiberoftheEOMFMStemperatureexperimentalcontrolled

setupwithfiber

polarizer  图7a为测量的无吸收时FMS的偏置随保偏光纤温度变化的关系曲线,b为图5中短轴幅度随光纤温度的变化关系曲线。此时设置探测相位设置为色散信号,可以看出,当温度设置到RAM24和26畅8℃时FMS的偏置为零,此时对应无而是一个椭圆偏振光情况,但是这两个值并不对应保偏光纤输出线偏振光,此温度下无RAM是由于在e轴和o,

轴经过保偏光纤以及光纤EOM后,相位正好为2°的整数倍;

而当保偏光纤输出为线偏振光即26畅3℃时,由于EOM后输

第2期                    光谱学与光谱分析出的载频仍然为椭圆偏振光,因此RAM还存在。对于这样一个FMS系统,可以通过设置保偏光纤到24和26畅8℃这两个温度来消除RAM,但是单单设置这部分保偏光纤温度RAM随时间的漂移很难完全抑制,因为当未被温

475

控的保偏光纤温度发生变化时,其e光和o光的传输相位也会发生变化,因此最佳的办法就是通过Wong等[15]建议的针对EOM低频反馈的方法获得,该方案需要具有直流控制的EOM,同时其误差信号为无吸收时的FMS色散信号。

3 结 论

  理论上针对保偏光纤提出了相位可控波片模型,基于该模型分析了当e光和o光的传输相位差发生改变时,线偏振光向椭圆偏振光转换,并给出了短轴幅度及短轴角度随相位差的变化关系。经过实验验证保偏光纤的温度效应符合相位可控波片模型的预期结果,基于此进行了不同保偏光纤温度对FMS中RAM影响的测量,通过对PM光纤温度的设定,可以实现RAM的短期抑制。FMS色散信号背景的长期漂移只能通过Wong等[15]提出的将无吸收时的FMS色散电压信号反馈到EOM来实现抑制。

Fig畅7 TheRAMasafunctionofPMfibertemperature

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476光谱学与光谱分析                   第34卷

TheoreticalAnalysisoftheResidualAmplitudeModulationofFrequencyModulationStrongAbsorptionSpectroscopy

MAWei‐guang,LIZhi‐xin,TANWei,FUXiao‐fang,ZHAOGang,DONGLei,ZHANGLei,YINWang‐bao,JIASuo‐tangStateKeyLaboratoryofQuantumOpticsandQuantumOpticsDevices,LaserSpectroscopyLaboratoryofShanxiUniversity,Taiyuan 030006,China

Abstract Inthepresentpaperaphasecontrollablewaveplatemodelwasappliedtotheanalysisofpolarizationmaintainingfiber.Underthetemperaturesof24℃and26畅8℃thereisnoresidualamplitudemodulation(RAM)existinginfrequencymodulationspectroscopy(FMS)whenperformingthemeasurementoffibertemperaturedependenceontheRAM.However,thetempera‐turesettingcannotreducethebackgroundlongtermdriftandaservofeedbacksuggestedbyN.C.WongandJ.L.HallcanbeusedtoactivelyreducetheRAM.TheerrorsignalforfeedbackisfromthedispersionbackgroundsignalofFMSwithoutgassample.ThevariationofRAMinducedbythetemperaturechangingofPMfiberisthemainreasonforthelongtermbackgrounddriftofdispersionsignalofFMS.

Keywords Frequencymodulationspectroscopy;Residualamplitudemodulation;Electro‐opticmodulator;Polarizationmaintai‐ningfiber;Temperature

(ReceivedApr.22,2013;acceptedAug.26,2013)  

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电光调制器输入端光纤温度对光纤频率调制光谱影响的研究

作者:

马维光, 李志新, 谭巍, 付小芳, 赵刚, 董磊, 张雷, 尹王保, 贾锁堂, MA Wei-guang, LI Zhi-xin, TAN Wei, FU Xiao-fang, ZHAO Gang, DONG Lei, ZHANG Lei,YIN Wang-bao, JIA Suo-tang

山西大学激光光谱实验室,量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西太原 030006光谱学与光谱分析

Spectroscopy and Spectral Analysis2014(2)

作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

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