CN102353523A - 激光器噪声特性的测量装置 - Google Patents

Abstract

一种激光器噪声特性的测量装置，由激光器噪声波动的转化系统和探测处理系统构成，主要包括环形器，3×3耦合器，第一光开关，第二光开关，光纤，第一法拉第旋转反射镜，第二法拉第旋转反射镜，移频器，第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、数据采集卡和计算机。本发明装置能同时测量出激光器的噪声特性，包括激光器的强度噪声功率谱密度、相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽和频率不稳定性的阿仑方差，具有集成度高，结构较简洁的特点，不需要额外的主动控制手段，对待测激光没有任何限制，提高了激光器噪声特性测量的可信度。

Description

激光器噪声特性的测量装置

技术领域

本发明涉及激光器，特别是一种激光器噪声特性的测量装置。

背景技术

由于激光器随时受到增益介质的自发辐射、谐振腔共振频率以及损耗的微扰、抽运效率的微扰、环境温度变化以及振动等因素的影响，激光输出光场的强度和相位就会存在起伏波动，同时频率是相位的微分，因此频率也存在波动，这种波动就构成激光器的强度和相位噪声。

在相干激光通信、相干激光雷达等领域都需要所使用的激光光源具有严格的相位(频率)稳定性，相位噪声的存在使激光器的相位(频率)稳定性降低，从而严重降低系统的测量灵敏度和准确性，因此完整测试激光器的噪声特性对于制作低噪声高稳定度的激光光源以及后续应用系统的设计和集成具有重要意义。

激光器的强度波动可以直接探测，但是由于激光器的相位(频率)噪声特性并不能像激光器的功率一样可以进行直接测量，因为它描述的是激光光场相位的一种统计特性，具有多种表现形式，包括线宽和相位(频率)不稳定性的阿仑方差，两者分别是在频域和时域内笼统描述由于噪声的存在而导致的激光光谱线型的展宽程度。另外还有相位(频率)噪声功率谱密度，描述的是相位(频率)噪声的频率成份以及大小，因此它完整的描述了激光器的相位(频率)噪声特性，同时从相位(频率)噪声功率谱密度中还可以推导出线宽和相位(频率)不稳定性的阿仑方差。

为了测量上述相位噪声特性的具体参数，人们提出了若干技术方案。在先技术之一：T.Okoshi，K.Kikuchi，A.Nakayama.Novelmethod for high-resolution measurement of laser outputspectrum[J].Electronics Letters，1980，16(16)：630-631，提出了延时自外差技术测量激光器的线宽，其基本原理是采用马赫-曾德干涉仪将激光相位或频率波动转换为光强度的变化。在干涉仪中，光场矢量与其时延信号相干涉，干涉信号由快速光电探测器探测，然后对记录的光电流做功率谱估计就可推算出激光器的线宽。该方法中所需要的时延长度需要大于被测激光的相干长度，故所需的光学延迟线(光纤)长度非常长(2KHz的测量精度需要100公里量级的延迟光纤)，使得系统极易受到外界环境的影响；同时它只能测量出激光器的线宽，并不能得到相位(频率)噪声的分布特性。

在先技术之二：Edgard Goobar.A michelson interferometerwith balanced detection for the characterization of modulationand noise properties of semiconductor lasers[J].IEEE Journalof Quantum Electronics，1993，29(4)：1116-1130，提出使用迈克尔逊干涉仪直接测试激光器的相位噪声功率谱密度，其基本原理是将激光器的相位噪声通过迈克尔逊干涉仪转化为强度波动，然后使用光电探测器将强度波动转化为光电流，再对光电流做功率谱估计得到相位噪声功率谱密度。该方案要能满足相位噪声到强度波动的转化条件，首先要求激光器本身的强度噪声很小，为可以忽略的水平，这大大限制了该方法的使用范围并且降低了其测量的可信度。另外该技术需要迈克尔逊干涉仪的两个臂工作于正交工作点状态，需要利用干涉仪的直流输出信号对干涉仪的臂长差进行主动反馈控制，提高了系统的复杂性，并限制了系统的低频测试能力。

发明内容

为了克服上述在先技术的缺点，提供一种激光器噪声特性的测量装置，该装置能同时测量出激光器的噪声特性，包括激光器的强度噪声功率谱密度、相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽和频率不稳定性的阿仑方差，具有集成度高，结构较简洁的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光器噪声特性测量装置，包括激光器噪声波动的转化系统和探测处理系统。所述的转化系统由环形器、3×3耦合器、第一光开关、第二光开关、第一法拉第旋转反射镜、第二法拉第旋转反射镜构成并封装于一个隔热隔音隔振的壳体内，其连接关系如下：

所述的3×3耦合器的第一端口与所述的环形器的第二端口经光纤相连。该3×3耦合器的第四端口通过光纤与第一光开关的输入端口相连，第一光开关输出端的第一到第M个端口由M根不同长度的光纤一对一的与第二光开关输出端的第一到第M个端口相连，第二光开关的输入端口与所述的第一法拉第旋转反射镜相连，该3×3耦合器的第五端口通过光纤与所述的第二法拉第旋转反射镜相连，所述的环形器的第一端口、第三端口连接一段光纤至封装壳体外构成转化系统的第一输入端口、第二输出端口，所述的3×3耦合器的第六端口、第二端口和第三端口分别连接一段光纤至封装壳体外构成转化系统的第一、第三、第四输出端口，第一、第二光开关的控制端口分别连接一段控制电缆至封装壳体外构成转化系统的第二、第三输入端口；

所述的探测处理系统由所述的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、数据采集卡和计算机构成。其中第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器的输入端分别与转化系统的第一、第二、第三、第四输出端口相连接，输出端与所述的数据采集卡连接。所述的数据采集卡与所述的计算机相连。所述的计算机还与转化系统的第二、第三输入端口相连。

所述的计算机通过对第一光电探测器的光电流数据进行功率谱估计得到强度噪声功率谱密度。通过对由第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器的光电流数据解调出来的相位噪声波动进行功率谱估计得到相位噪声功率谱密度。再通过相位噪声功率谱密度计算得到频率噪声功率谱密度、线宽和频率不稳定性的阿仑方差。

所述的3×3耦合器的第五端口通过光纤经移频器与所述的第二法拉第旋转反射镜相连。

本发明的特点和优点是：

1、本发明能够同时测量描述激光器噪声特性的5个参数，所有信号都在一个耦合器的不同输出端获得，系统集成度高；

2、本发明不需要对干涉仪进行主动反馈控制，而且对于3×3耦合器的分光比例和相位关系没有严格的限制条件，从而减少了系统的复杂性；

3、本发明不需要对待测激光进行任何限制，所得结果可信度好；

4、本发明可以改变频率分析的频谱范围，从而可以获得较宽频段范围的功率谱密度；

5、本发明具有集成度高，结构较简洁的特点，不需要额外的主动控制手段，对待测激光没有任何限制，提高了激光器噪声特性测量的可信度。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2本发明的噪声波动转化系统实施例1的结构示意图；

图3本发明的噪声波动转化系统实施例2的结构示意图；

图4本发明的封装方案；

图5本发明的延迟时间差异及仪器常数标定方案；

图6本发明的数据处理算法流程。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明光器噪声特性测量装置的结构示意图，由图可见，本发明激光器噪声特性的测量装置，包括激光器噪声波动的转化系统40和探测处理系统400，其中探测处理系统由第一光电探测器7、第二光电探测器8、第三光电探测器9、第四光电探测器10、数据采集卡51和计算机52构成，其连接关系如下：

第一光电探测器7、第二光电探测器8、第三光电探测器9、第四光电探测器10的输入端分别与转化系统的第一输出端口402、第二输出端口403、第三输出端口404、第四输出端口405相连接，输出端与所述的数据采集卡51连接。所述的数据采集卡51与所述的计算机52相连。所述的计算机52还与转化系统的第二输入端口406、第三输入端口407相连。

本发明激光器噪声特性的测量装置中噪声波动的转化系统40的实施例1的结构示意图如图2所示，由图可见，所述的转化系统40由环形器1、3×3耦合器2、第一光开关311和第二光开关312、第一法拉第旋转反射镜4和第二法拉第旋转反射镜5构成，其连接关系如下：

所述的3×3耦合器2的第一端口21与所述的环形器1的第二端口12经光纤相连。该3×3耦合器2的第四端口24通过光纤与第一光开关311的输入端口3110相连，第一光开关311输出端的第一到第M个端口(图2中以3111、311M示例)由M根不同长度的光纤(图2中以313、314示例)一对一的与第二光开关312输出端的第一到第M个端口(图2中以3121、312M示例)相连，第二光开关312的输入端口3120与所述的第一法拉第旋转反射镜4相连，该3×3耦合器2的第五端口25通过光纤与所述的第二法拉第旋转反射镜5相连。所述的环形器的第一端口11和第三端口13分别连接一段光纤至封装壳体外构成转化系统的第一输入端口401和第二输出端口403，所述的3×3耦合器的第六端口26、第二端口22和第三端口23分别连接一段光纤至封装壳体外构成转化系统的第一输出端口402、第三输出端口404和第四输出端口405，第一光开关的控制端口33和第二光开关的控制端口34分别连接一段控制电缆至封装壳体外构成转化系统的第二输入端口406、第三输入端口407。

其基本原理如下：

入射激光0输入转化系统的第一输入端口401，进入环形器1的端口11，从其端口12输出再经光纤输入3×3耦合器2的第一端口21，然后被耦合器2分成3束分别到达第四端口24、第五端口25、第六端口26。第六端口26的光经转化系统的第一输出端口402直接被第一光电探测器7接收转化成光电流，第四端口24和第五端口25输出的光束经过不同的延迟时间后分别被第一法拉第旋转反射镜4和第二法拉第旋转反射镜5反射回耦合器2干涉，两束光的延迟时间差异τ由第一光开关311、第二光开关312以及M根不同长度的光纤(图2中以313、314示例)所构成的延迟时间控制器31确定。在耦合器2处发生干涉的返回光再被分成3束分别到达第一端口21、第二端口22、第三端口23，其中第一端口21的光经过环形器1的第二端口12到第三端口13再经转化系统的第二输出端口403被第二光电探测器8接收转化成光电流，耦合器2的第二端口22、第三端口23输出的光分别经转化系统的第三输出端口404和第四输出端口405直接被第三光电探测器9和第四光电探测器10探测并转化成光电流。然后利用数据采集卡51将所述的第一光电探测器7、第二光电探测器8、第三光电探测器9、第四光电探测器10的输出电流进行采样并输入到计算机52，再由计算机对相应信息进行数据处理即可获得需要的噪声特性参数。

其中强度噪声功率谱密度可以按照参考文献(参见Welch，P.D..The use of fast Fourier transform for the estimation of powerspectra：a method based on time averaging over short，modifiedperiodograms[J].IEEE Transactions on Audio andElectroacoustics，1967，15(2)：70-73)所述的功率谱估计方法对探测器7输出的光电流做功率谱估计得到。而其它三个噪声特性参数与第二光电探测器8、第三光电探测器9、第四光电探测器10输出的光电流相关，但并不是直接可显示的关系，需要进行特定的数据处理进行解调，其解调的基本原理如下：

根据参考文献(参见Y.Takushima，H.Y.Choi，Y.C.Chung.Plug-and-play phasor monitor for DxPSK signals based on singledelay-interferometer using a 3×3 optical coupler[C].Tech.Dig.OFC/NFOEC，San Diego CA，2008，OThW4)所述的基于3×3耦合器的干涉仪对相位的直接解调原理可知待测激光0在t时刻与t-τ时刻之内的相位差异Δφ(t)＝φ(t)-φ(t-τ)与第二光电探测器8、第三光电探测器9、第四光电探测器10在t时刻输出的光电流I₁(t)、I₂(t)、I₃(t)的关系可用(1)式描述：

$\mathrm{\Δ\φ}\left(t\right)=\arctan \left(\frac{A_1{I}_1\left(t\right)+A_2{I}_2\left(t\right)+A_3{I}_3\left(t\right)}{A_4{I}_1\left(t\right)+A_5{I}_2\left(t\right)+A_6{I}_3\left(t\right)}\right)$

$-{\∫}_0^{\∞}\arctan \left(\frac{A_1{I}_1\left(t\right)+A_2{I}_2\left(t\right)+A_3{I}_3\left(t\right)}{A_4{I}_1\left(t\right)+A_5{I}_2\left(t\right)+A_6{I}_3\left(t\right)}\right)\mathrm{dt}$

(1)

其中，A_i(i＝1，...，6)是和光电探测器8、9、10的响应度、3×3耦合器2的分光比例以及相位差有关的仪器常数。于是测得了光电探测器8、9、10的光电流之后就可以根据(1)式解调出输入激光在时间范围τ之内的相位波动量，对该波动量做功率谱估计就可以得到待测激光的相位噪声功率谱密度S_Δφ(f)。另外根据参考文献(参见T.Okoshi，K.Kikuchi.Coherent optical fiber communications[M].KTKScientific Publishers，1988，P61-110)所述的相位噪声功率谱密度与频率噪声功率谱密度、线宽、频率不稳定性的阿仑方差的关系，可以由(2)式得到待测激光的频率噪声功率谱密度：

$S_F\left(f\right)=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π\τ}\right)}^2}{\left[\frac{1}{\sin c\left(\mathrm{\πf\τ}\right)}\right]}^2{S}_{\mathrm{\Δ\φ}}\left(f\right)$

(2)

线宽为：

δν＝πS_F(0)

(3)

以及频率不稳定性的阿仑方差为：

${\mathrm{\σ}}^2\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_0^{\∞}2S_F\left(w\right)\frac{{\sin }^4\left(\mathrm{\πw\τ}\right)}{{\left(\mathrm{\πw\τ}\right)}^2}\mathrm{dw}$

(4)

(1)式中的相位波动量是以延迟时间控制线31所确定的延迟时间τ为时间尺度的，于是延迟时间与测量系统的频率分析范围Δf由(5)式决定，

$\frac{0.44}{f_s{\mathrm{\&tau;}}^2}\&le;\frac{0.44}{\mathrm{N\&tau;}}<\mathrm{\&Delta;f}<\frac{0.44}{\mathrm{\&tau;}}<\frac{f_s}{2}$

(5)

其中f_s和N表示数据采集卡51的采样率和总的采样点数。如图1所示，通过计算机52发送控制信号选择光开关311和312的不同输出端口就可以使延迟时间控制线31带来不同的延迟时间，这样就可以使测量系统获得不同的频率分析范围。

本发明的激光器噪声特性的测量装置中噪声波动的转化系统40的实施例2的结构示意图如图3所示，本实施例与图2所示结构的主要差别是3×3耦合器2的端口25输出的光经过一个频移量为υ的移频器6之后再由第二法拉第旋转反射镜5反射，这样可以将干涉信号的中心频率从0移到υ处实现外差探测，从而避开了低频测量噪声对测试系统的影响。移频器6可以是声光调制器，也可以是电光调制器。

由于环形器1，耦合器2，光开关311、312，第一法拉第旋转反射镜4、第二法拉第旋转反射镜5等光器件都具有特定的通光带宽限制，因此针对不同的待测激光波段需要选择对应的光器件。下面以通信中的C波段为例详细叙述本发明的在实际使用中的实施步骤。

C波段的波长范围为1530～1565nm，首先需要相应光器件的通光带宽在此范围之内。然后根据所需要的频率分析范围由(5)式确定合适的延迟时间。比如需要的频率分析范围是10Hz～5MHz，如果数据采集卡的采样率是1Ga/s，那么需要两个不同的延迟时间才能包含该频率分析范围，τ＝0.66×10^-5s时频率分析范围是10Hz～67kHz，τ＝0.88×10^-7s时频率分析范围是57Hz～5MHz，因此延迟时间控制线31需要两个延迟量，第一光开关311和第二光开关312各自需要两个输出端口，连接它们的两个光纤313和314的长度分别为660m和8.8m。

光波段和延迟时间都选好之后可以按照图2或者图3所示的结构搭建好噪声波动的转化系统(下文涉及具体操作时仅以图3为例)。转化系统的隔热隔音隔振封装可以采用图4所示的方案，将整个需要封装的部份放置于一个金属壳体41内，然后在壳体外面依次包封上聚酯薄膜42和热塑性塑料聚合物43等吸音吸热材料，并将整个装置放置于隔振平台44上。

由于实际装置中由延迟时间控制线引入的时间差异与理论总是有一定的偏差，而数据解调需要精确的时间差异值，因此为了解调的准确性需要在测量之前标定准确的延迟时间差异τ。同时从(1)式可知为了解调的需要在使用之前还需要标定转化系统的仪器常数A_i(i＝1，...，6)。这7个参数的标定方案如图5所示，将图3中的待测激光0换成C波段的宽带光源00，然后打开计算机52设置好光开关311和312的端口选择信号选择某一延迟时间，并打开移频器6，然后将转化系统的第二输出端口403、第三输出端口404、第四输出端口405分别先后接入光谱分析仪61，3个端口每一个都对应一个干涉条纹，依次记录下来。测出第四输出端口405对应的干涉条纹的周期Δν，那么延迟时间差异τ＝0.5/Δν。假设第二输出端口403的干涉条纹对应的相位再测量出第三输出端口404和第四输出端口405的干涉条纹分别相对于第二输出端口403的干涉条纹的相位延迟，分别记为

然后测出3个端口的干涉条纹各自对应的消光比，记为E_r1、E_r2、E_r3。再将光谱分析仪61换成光功率计测出三个端口各自对应的平均光功率，记为I_a1、I_a2、I_a3，同时再用光功率计测量出宽带光源00的平均光功率P。由所测量的数据可以通过(6)～(8)式计算得到需要标定的仪器常数A_i(i＝1，...，6)。

(n＝1，2，3)

(6)

(n＝1，2，3)

(7)

$\left(\begin{array}{ccc}{A}_1& A_2& A_3\\ A_4& A_5& A_6\\ A_7& A_8& A_9\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&eta;}}_1& {\mathrm{\&zeta;}}_1& I_{a1}/P\\ {\mathrm{\&eta;}}_2& {\mathrm{\&zeta;}}_2& I_{a2}/P\\ {\mathrm{\&eta;}}_3& {\mathrm{\&zeta;}}_3& I_{a3}/P\end{array}\right)}^{-1}$

(8)

本测量装置的使用步骤是首先打开4个光电探测器7、8、9、10，移频器6，数据采集卡51和计算机52，根据所需要的延迟时间通过计算机52设置好光开关311和312的端口选择信号，再将待测激光输入转化系统的输入端口401，待测激光的噪声信息按照前文所述的工作原理通过转化系统后就会分别反映在4个光电探测器7、8、9、10的输出光电流上，数据采集卡51按照莱奎斯特采样定理同时将4个光电流采样后输入计算机52得到4组原始数据。然后计算机52对这4组原始数据进行数据处理得到所需要的噪声特性参数。具体的数据处理算法流程如图6所示，首先对第一探测器7对应的数据直接做功率谱估计得到强度噪声功率谱密度。其次对第二、三、四探测器8、9、10对应的数据按(1)式解调得到相位波动，再对其进行功率谱估计得到相位噪声功率谱密度，再按(2)式得到频率噪声功率谱密度，最后按照(3)、(4)式分别获得待测激光的线宽以及频率不稳定性的阿仑方差，这样就获得了完整的激光器噪声特性参数。

实验表明，本发明装置能同时测量出激光器的噪声特性，包括激光器的强度噪声功率谱密度、相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽和频率不稳定性的阿仑方差，具有集成度高，结构较简洁的特点，不需要额外的主动控制手段，对待测激光没有任何限制，提高了激光器噪声特性测量的可信度。

Claims (2)

1.一种激光器噪声特性的测量装置，特征在于其构成包括激光器噪声波动的转化系统(40)和探测处理系统(400)：

所述的转化系统(40)由环形器(1)、3×3耦合器(2)、第一光开关(311)和第二光开关(312)、第一法拉第旋转反射镜(4)和第二法拉第旋转反射镜(5)构成并封装于隔热隔音隔振的壳体(41)中，其连接关系如下：

所述的3×3耦合器(2)的第一端口(21)与所述的环形器(1)的第二端口(12)经光纤相连。该3×3耦合器(2)的第四端口(24)通过光纤与第一光开关(311)的输入端口(3110)相连，第一光开关(311)输出端的第一(3111)到第M(311M)个端口由M根不同长度的光纤(313、314)一对一的与第二光开关(312)输出端的第一(3121)到第M(312M)个端口相连，第二光开关(312)的输入端口(3120)与所述的第一法拉第旋转反射镜(4)相连，该3×3耦合器(2)的第五端口25通过光纤与所述的第二法拉第旋转反射镜5相连，所述的环形器(1)的第一端口(11)和第三端口(13)分别连接一段光纤至封装壳体外构成转化系统的第一输入端口(401)和第二输出端口(403)，所述的3×3耦合器(2)的第六端口(26)、第二端口(22)和第三端口(23)分别连接一段光纤至封装壳体外构成转化系统的第一输出端口(402)、第三输出端口(404)和第四输出端口(405)，第一光开关(311)的控制端口(33)和第二光开关(312)的控制端口(34)分别连接一段控制电缆至封装壳体外构成转化系统的第二输入端口(406)、第三输入端口(407)；

所述的探测处理系统(400)由第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第三光电探测器(9)、第四光电探测器(10)、数据采集卡(51)和计算机(52)构成，其连接关系如下：

第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第三光电探测器(9)和第四光电探测器(10)的输入端分别与所述的转化系统的第一输出端口(402)、第二输出端口(403)、第三输出端口(404)和第四输出端口(405)相连接，第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第三光电探测器(9)、第四光电探测器(10)的输出端与所述的数据采集卡(51)连接，所述的数据采集卡(51)与所述的计算机(52)相连，所述的计算机(52)还与所述的转化系统的第二输入端口(406)、第三输入端口(407)相连；

所述的计算机(52)通过对第一光电探测器(7)的光电流数据进行功率谱估计得到强度噪声功率谱密度，通过对由第二光电探测器(8)、第三光电探测器(9)、第四光电探测器(10)的光电流数据解调出来的相位噪声波动进行功率谱估计得到相位噪声功率谱密度。

2.根据权利要求1所述的激光器噪声特性测量装置，其特征在于：所述的3×3耦合器(2)的第五端口(25)通过光纤经移频器(6)与所述的第二法拉第旋转反射镜(5)相连。

Images