ลักษณะความกว้างของเส้นเลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดียว

เลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดี่ยวมีขีดจำกัดความกว้างของเส้นที่แคบมากและรูปร่างของเส้นสเปกตรัมเป็นแบบ Lorentz ซึ่งแตกต่างจากเซมิคอนดักเตอร์ความถี่เดียวอย่างมาก เหตุผลก็คือเลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดี่ยวมีช่องเรโซแนนซ์ของเลเซอร์นานกว่าและมีอายุการใช้งานโฟตอนในช่องนานกว่า ซึ่งหมายความว่าเลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดียวมีสัญญาณรบกวนเฟสและสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำกว่าเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ความถี่เดียว

ผลการทดสอบความกว้างของเส้นเลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดียวสัมพันธ์กับเวลาในการรวมเข้าด้วยกัน เวลาในการรวมระบบนี้มักจะเข้าใจได้ยาก ในความเป็นจริง สามารถเข้าใจได้ง่ายว่าเป็นเวลาในการ "สังเกตและทดสอบ" ไฟเบอร์เลเซอร์ความถี่เดียว ในช่วงเวลานี้ เราจะวัดสัญญาณรบกวนเฟสสเปกตรัมโดยตีความถี่เพื่อคำนวณความกว้างของเส้น ยกตัวอย่างอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ M-Z ที่ไม่สมดุลของเฮเทอโรไดน์ ความยาวของไฟเบอร์ดีเลย์คือ 50 กม. ดัชนีการหักเหของแกนไฟเบอร์โหมดเดี่ยวจะถือว่าเป็น 1.5 และความเร็วแสงในสุญญากาศคือ 3x108 เมตร/วินาที จากนั้นแสงในไฟเบอร์โหมดเดี่ยว จะมีการหน่วงเวลาประมาณ 4.8ns สำหรับการส่งสัญญาณทุกๆ 1 เมตร ซึ่งเทียบเท่ากับการหน่วงเวลา 240us หลังจากไฟเบอร์ออปติกระยะทาง 50 กม.

ลองจินตนาการว่าเลเซอร์ความถี่เดียวที่จะทดสอบกลายเป็นสองโคลนที่มีลักษณะเหมือนกันทุกประการหลังจากผ่านตัวแยกแสง 1:1 โคลนตัวหนึ่งวิ่งได้นานกว่าอีก 240us เมื่อทั้งสองโคลนผ่านอัตราส่วน 1:1 ที่สอง เมื่อตัวเชื่อมต่อแบบออปติคอลถูกรวมเข้าด้วยกัน โคลนที่ทำงานนานกว่า 240us จะส่งสัญญาณรบกวนเฟส เนื่องจากอิทธิพลของสัญญาณรบกวนเฟส เลเซอร์ความถี่เดียวหลังการรวมตัวใหม่จึงมีความกว้างในสเปกตรัมเมื่อเปรียบเทียบกับสถานะก่อนสตาร์ท เพื่อให้เป็นมืออาชีพมากขึ้น กระบวนการนี้เรียกว่าการมอดูเลตสัญญาณรบกวนเฟส เนื่องจากการขยายที่เกิดจากการมอดูเลตเป็นแบบแถบด้านข้างคู่ ความกว้างของสเปกตรัมสัญญาณรบกวนเฟสจึงเป็นสองเท่าของความกว้างของเส้นของเลเซอร์ความถี่เดียวที่จะวัด ในการคำนวณความกว้างของสเปกตรัมที่กว้างขึ้นบนสเปกตรัม จำเป็นต้องมีการบูรณาการ ดังนั้นเวลานี้จึงเรียกว่าเวลาในการรวม

จากคำอธิบายข้างต้น เราเข้าใจได้ว่าต้องมีความสัมพันธ์ระหว่าง "เวลาบูรณาการ" และเส้นตรงที่วัดได้ของไฟเบอร์เลเซอร์ความถี่เดียว ยิ่ง "เวลาในการบูรณาการ" สั้นลง ผลกระทบของสัญญาณรบกวนเฟสที่เกิดจากโคลนก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น และความกว้างของแนวการวัดของไฟเบอร์เลเซอร์ความถี่เดียวก็จะยิ่งแคบลงเท่านั้น

เพื่อให้เข้าใจจากอีกมุมหนึ่ง ความกว้างของเส้นจะอธิบายอะไร? คือสัญญาณรบกวนความถี่และสัญญาณรบกวนเฟสของเลเซอร์ความถี่เดียว เสียงเหล่านี้มีอยู่ตลอดเวลา และยิ่งสะสมนานเท่าไร เสียงดังกล่าวก็จะยิ่งชัดเจนมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น ยิ่ง "การทดสอบการสังเกต" ของสัญญาณรบกวนความถี่และเสียงเฟสของเลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดียวใช้เวลานานเท่าใด ความกว้างของเส้นที่วัดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น แน่นอนว่าเวลาที่กล่าวถึงในที่นี้จริงๆ แล้วสั้นมาก เช่น นาโนวินาที ไมโครวินาที มิลลิวินาที หรือสูงถึงระดับที่สอง นี่เป็นสามัญสำนึกในการทดสอบและวัดสัญญาณรบกวนแบบสุ่ม

ยิ่งเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดียวแคบลง สเปกตรัมในโดเมนเวลาจะสะอาดและสวยงามมากขึ้น โดยมีอัตราส่วนการปราบปรามโหมดด้านข้างที่สูงมาก (SMSR) และในทางกลับกัน การเรียนรู้จุดนี้สามารถกำหนดประสิทธิภาพความถี่เดียวของเลเซอร์ความถี่เดียว เมื่อเงื่อนไขการทดสอบความกว้างของเส้นไม่พร้อมใช้งาน แน่นอน เนื่องจากหลักการทางเทคนิคและข้อจำกัดด้านความละเอียดของสเปกโตรมิเตอร์ (OSA) สเปกตรัมของเลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดียวจึงไม่สามารถสะท้อนประสิทธิภาพในเชิงปริมาณหรือแม่นยำได้ การตัดสินสัญญาณรบกวนเฟสและความถี่ค่อนข้างหยาบและบางครั้งก็นำไปสู่ผลลัพธ์ที่ผิดพลาด

เส้นตรงที่แท้จริงของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ความถี่เดียวโดยทั่วไปจะสูงกว่าเลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดียว แม้ว่าผู้ผลิตบางรายจะหยิบยกตัวบ่งชี้ความกว้างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ความถี่เดียวออกมาอย่างสวยงาม แต่การทดสอบจริงแสดงให้เห็นว่าขีดจำกัดความกว้างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ความถี่เดียวนั้นสูงกว่าเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ความถี่เดียว เลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่ต้องมีความกว้าง และสัญญาณรบกวนความถี่และสัญญาณรบกวนเฟสจะต้องไม่ดีด้วย ซึ่งถูกกำหนดโดยโครงสร้างและความยาวของช่องเรโซแนนซ์เลเซอร์ความถี่เดียว แน่นอนว่าเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ความถี่เดียวที่พัฒนาอย่างต่อเนื่องยังคงลดสัญญาณรบกวนของเฟสและลดความกว้างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ความถี่เดียวให้แคบลงโดยการเพิ่มความยาวของช่องภายนอกอย่างมาก ยืดอายุโฟตอน ควบคุมเฟส และเพิ่มเกณฑ์สำหรับ การก่อตัวของสภาวะคลื่นนิ่งในตัวสะท้อน