CN102967301B - 多光源耦合增宽光谱降低光源相对强度噪声的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光源耦合增宽光谱降低光源相对强度噪声的方法。由n个超辐射发光二极管光源发出的光从耦合器的输入端输入，耦合器的输出光作为新光源，新光源具有比n个超辐射发光二极管光源低的光源相对强度噪声。本发明通过多光源耦合方法，在耦合器输出端获得输入多光源光谱功率叠加的输出光，输出光具有更宽的谱宽，有利于减小相对强度噪声对光电探测系统性能的影响。输出光源经过光纤布拉格光栅调制后，还可获得具有目标光谱的宽谱光源。

Description

多光源耦合增宽光谱降低光源相对强度噪声的方法

技术领域

本发明涉及降低光源相对强度噪声的方法，尤其是涉及光电探测领域中一种多光源耦合增宽光谱降低光源相对强度噪声的方法。

背景技术

根据光电探测理论，光电探测器探测具有强度起伏的光场时，由于光电子发射的随机性和光场的起伏，光电探测结果存在两种噪声源。一种噪声源是散粒噪声，来源于光的量子性，即在光电探测过程中一定时间内光子撞击探测器并发射电子的数目是随机涨落的。散粒噪声功率与光源功率P成正比，满足：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{shot}}^2=\frac{2\mathrm{Phc}}{\mathrm{\λ}}{f}_{\mathrm{BW}}---\left(1\right)$

式中，h是普朗克常量，h=6.63*10^-34（J·s），c=3×10⁸m/s是真空中的光速，λ是光源的平均波长，f_BW是测量带宽。

另一种噪声源是光源相对强度噪声，来源于光场强度的起伏。对于宽谱光源，如超辐射发光二极管光源，光场强度的起伏来源于宽谱光源不同频谱分量的随机拍频。其噪声功率与光源功率的平方成正比，满足：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RIN}}^2=\frac{P^2{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{c\Δ\λ}}{f}_{\mathrm{BW}}---\left(2\right)$

式中，Δλ是光源的谱宽。

从式（2）可知，光源相对强度噪声与光源谱宽成反比，增大光源谱宽能降低光源相对强度噪声。

由于光源相对强度噪声功率与光源功率的平方成正比，而散粒噪声功率与光源功率成正比，因此当光源功率逐渐增大时，光源相对强度噪声往往超过散粒噪声成为影响光电探测系统精度的主要因素。此时光源相对强度噪声的抑制对系统性能的改进具有重要的意义。

发明内容

针对光源相对强度噪声影响光电探测系统性能的问题，本发明的目的在于提供一种多光源耦合增宽光谱降低光源相对强度噪声的方法。由于光源相对强度噪声功率与宽谱光源谱宽成反比，因此通过增加光源谱宽能降低光源相对强度噪声。

本发明的技术方案如下：

由n个超辐射发光二极管光源发出的光从耦合器的输入端输入，耦合器的输出光作为新光源，新光源具有比n个超辐射发光二极管光源低的光源相对强度噪声。

所述的n个超辐射发光二极管光源为宽谱光源，各个光源平均波长之差λ_d>Δλ_i/2，Δλ_i是各个光源光谱的谱宽，i=1~n；耦合器输出光的光谱由输入各光源光谱合成，光谱谱宽Δλ>Δλ_i。

所述的耦合器为n×n耦合器，耦合器的每个输出端的输出光都能作为新光源。

所述的耦合器任意一路输出端的输出光连接光纤布拉格光栅对光谱进行调制，获得具有目标光谱的宽谱光源。

本发明具有的有益效果是：

本发明通过多光源耦合方法，在耦合器输出端获得输入多光源光谱功率叠加的输出光，输出光具有更宽的谱宽，有利于减小相对强度噪声对光电探测系统性能的影响。输出光源经过光纤布拉格光栅调制后，还可获得具有目标光谱的宽谱光源。

附图说明

图1是本发明多光源耦合增宽光谱降低光源相对强度噪声的方法的示意图。

图2是双光源耦合光谱叠加示意图。

图3是三光源耦合光谱叠加示意图。

图4是三光源耦合叠加的光谱经过光纤布拉格光栅调制的光谱变化示意图。

图中：1、n个超辐射发光二极管(SLD)光源，2、耦合器，3、光纤布拉格光栅。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明多光源耦合增宽光谱降低光源相对强度噪声的方法的示意图。如图1所示，耦合器2为n×n耦合器，n个超辐射发光二极管光源1的出射光作为耦合器2的输入。n个超辐射发光二极管光源的谱宽Δλ_i(i=1~n)，平均波长之间存在波长差λ_d>Δλ_i/2。耦合器2的n个输出光均可作为新光源使用，新光源光谱由各输入光源光谱功率加权叠加而得，具有与输入光源相比更宽的谱宽。在耦合器2的输出端接光纤布拉格光栅3，可对输出光光谱进行调制，获得具有目标光谱的新光源。

为便于说明，可以假设各个输入光源具有理想的高斯型光谱，其归一化光谱可以表示为：

$S_i\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ei}}}\exp (-\frac{{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_{0i})}^2}{{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ei}}}^2})---\left(3\right)$

式中，λ_ei表示第i个输入光源高斯光谱降至峰值1/e时的谱宽，λ_0i表示第i个输入光源高斯光谱的平均波长，λ表示光谱的波长分量。

式（2）中的光源谱宽是按照功率加权计算的谱宽，光谱S(λ)的谱宽为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{(\∫S\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ})}^2}{\∫S^2\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(4\right)$

则式（3）所示的高斯光谱的谱宽

输出光的光谱为各输入光光谱的功率叠加，假设耦合器2对不同频谱分量的传输系数为t(λ)，考虑n×n耦合器对输入光谱的功率加权叠加系数1/n，输出光的光谱为：

$S_0\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i\left(\mathrm{\λ}\right)t\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(5\right)$

输出光的光谱宽度按式（4）可计算得：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_0=\frac{{(\∫S_0\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ})}^2}{\∫S_0^2\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(6\right)$

如图2所示，当n=2时为双光源耦合光谱叠加示意图。横坐标是波长范围，单位nm；纵坐标是归一化光谱。假设耦合器2在两光源光谱范围内的传输系数为理想平坦的，即t(λ)＝1。图中虚线表示两输入光源的光谱，实线表示耦合器输出光的光谱。两输入光源光谱为式（3）所示的高斯型光谱，参数λ_e1＝λ_e2＝15nm，则谱宽Δλ₁＝Δλ₂＝37.6nm；λ₀₁＝1310nm，λ₀₂＝1330nm，即平均波长之间存在λ_d=20nm（>Δλ_i/2）的波长差；按式（6）计算输出光谱的谱宽为Δλ₀＝53.3nm，即输出光谱的谱宽增加为输入光谱宽的1.42倍。输出光谱平均波长为1320nm。

如图3所示，当n=3时为三光源耦合光谱叠加示意图。横坐标是波长范围，单位nm；纵坐标是归一化光谱。假设耦合器2在两光源光谱范围内的传输系数为理想平坦的，即t(λ)＝1。图中虚线表示三输入光源的光谱，实线表示耦合器输出光的光谱。三输入光源光谱为式（3）所示的高斯型光谱，参数λ_e1＝λ_e2＝λ_e3＝15nm，则谱宽Δλ₁＝Δλ₂＝Δλ₃＝37.6nm；λ₀₁＝1290nm，λ₀₂＝1310nm，λ₀₂＝1330nm，即平均波长之间存在λ_d=20nm（>Δλ_i/2）的波长差；按式（6）计算输出光谱的谱宽为Δλ₀＝72.0nm，即输出光谱的谱宽增加为输入光谱宽的1.91倍。输出光谱平均波长为1310nm。

更多输入光源时，通过本发明能得到相比输入光源谱宽更宽的输出光谱，显著增加光纤陀螺光源谱宽。

如图4所示，图3中的三光源耦合的任意一路输出光谱经过光纤布拉格光栅调制后，得到具有高斯光谱的光源，用点划线表示，此光源的谱宽为59.6nm，为输入光谱宽的1.59倍，即获得了具有输入光谱1.59倍谱宽的高斯光谱的光源。

上述分析表明，当多个输入光源光谱平均波长存在一定的波长差时，通过本发明方法得到的输出光源具有比输入光源更宽的光谱，有利于减小相对强度噪声对光电探测系统性能的影响。输出光源经过光纤布拉格光栅调制后，获得具有目标光谱的宽谱光源。

Claims (3)

1.一种多光源耦合增宽光谱降低光源相对强度噪声的方法，其特征在于：由n个超辐射发光二极管光源（1）发出的光从耦合器（2）的输入端输入，耦合器（2）的输出光作为新光源，新光源具有比n个超辐射发光二极管光源低的光源相对强度噪声；

所述的n个超辐射发光二极管光源（1）为宽谱光源，各个光源平均波长之差λ _d>                                                /2，是各个光源光谱的谱宽，i=1~n；耦合器（2）输出光的光谱由输入各光源光谱合成，光谱谱宽>。

2.根据权利要求1所述的一种多光源耦合增宽光谱降低光源相对强度噪声的方法，其特征在于：所述的耦合器（2）为n n耦合器，耦合器的每个输出端的输出光都能作为新光源。

3.根据权利要求1所述的一种多光源耦合增宽光谱降低光源相对强度噪声的方法，其特征在于：所述的耦合器（2）任意一路输出端的输出光连接光纤布拉格光栅（3）对光谱进行调制，获得具有目标光谱的宽谱光源。