CN103575511B - 一种激光器相对强度噪声的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器相对强度噪声的测量装置及方法，其方法是利用单频点电信号通过微波光子链路后相噪指标会相应地恶化的原理，通过相噪的改变量来计算链路中激光器的相对强度噪声。本发明的基本结构包括单频点信号源、微波光子链路、光功率计与相噪检测仪，其中微波光子链路主要由激光器、电光调制器、光耦合器、光电探测器组成。相对传统测量方法而言，本发明的优点在于：测量过程在电域的高频端进行，避免了近直流端各种环境噪声的影响，提高了测量精度；该方案无需考虑待测激光器输出功率大小，克服了传统测量方法中光功率对测量系统的局限。

Description

一种激光器相对强度噪声的测量装置及方法

技术领域

本发明属于电子测量领域，特别是一种激光器相对强度噪声的测量装置及方法。

背景技术

1.激光器的相对强度噪声

随着光电子技术的迅速发展，激光器作为一种重要的光电子元器，已广泛地应用于光通信、信息存储、医疗、光传感等诸多领域。在光存储、光通信等领域中，激光器的相对强度噪声是决定系统性能指标的重要参数之一，激光器RIN会影响通信系统的信噪比、灵敏度等指标。

激光器的相对强度噪声源于半导体中高能带向低能带的自发辐射跃迁，可表示为：

$\mathrm{RIN}=\frac{\mathrm{\ΔP}\left(f\right)}{P}---\left(1\right)$

ΔP(f)为输出光功率涨落的功率谱密度，P为平均输出光功率。激光器的相对强度噪声通过光电探测器后最终转化为电噪声，耦合到通信系统中导致系统性能的降低。

2.现行主要的测量方案

目前还没有专门测量相对强度噪声的仪器，需要通过搭建测量系统来对相对强度噪声进行测量。测量系统主要包括光电探测器、电放大器与频谱仪。基本原理为：激光器输出光信号通过光电探测器实现光电转换，转换为电噪声后再经过电放大器，然后输入频谱仪测得电噪声的功率谱密度，最后通过电噪声谱密度求出激光器的相对强度噪声。值得注意的是，测量系统中的光断探测器会引入散弹噪声与热噪声。上述三种噪声可表示为

$N_{th}=k_B{\mathrm{TN}}_{RIN}={\mathrm{RINI}}_{dc}^2{Z}_L{N}_{shot}=2{\mathrm{qI}}_{dc}{Z}_L---\left(2\right)$

其中热噪声为N_th，RIN引入的噪声为N_RIN，散弹噪声为N_shot。上式中k_B为波尔兹曼常数；RIN为激光器的相对强度噪声；q为单位电荷电量；I_dc为光电探测器的平均光电流；Z_L为光电探测器输出端的匹配负载，一般为50Ω。由上式不难看出：N_shot与光电流成正比，N_RIN与光电流的平方成正比，光功率越大使得光电流随之增加，最终会使得N_RIN噪声超过N_shot噪声；要使得该测量系统有效，必须要保证N_RIN噪声大于其它类型噪声，只有这样才能保证在计算过程中从电噪声到RIN的正确转换，也就是说，保证光电探测器端较大光功率输入是非常必要的。

传统测量方案具有诸多局限性，主要包括：

(1)不能测量大功率激光器的RIN。对于激光器而言，不同输出光功率对应不同的RIN；对于光电探测器而言，饱和输入光功率有限，现在商用通信波段的高速探测器饱和输入功率一般不超过20mW。传统方案需要将激光器输出光功率直接注入光电探测器，当输出光功率较大时显然会超过光电探测器的饱和输入光功率，造成电-光噪声换算时出现错误，甚至有可能超过光电探测器的最大输入光功率，造成光电探测器的损坏。

(2)近直流噪声较大，影响RIN测量精度。对于电子器件而言，近直流端的频谱非常丰富，受外界干扰较大，这些附加噪声均会通过光电探测器与电放大器寄生到RIN的频谱中，降低测量精度。

基于以上分析可以看出：现行测量方案对激光器RIN噪声的测量精度不高、局限性较大，如何精确测量激光器的RIN是光通信、微波光子学等领域的一个重要瓶颈。

发明内容

本发明的目的之一是克服现有测量方案的不足，而提供一种激光器相对强度噪声的测量方法。

实现本发明上述目的的技术方案是：一种激光器相对强度噪声的测量方法，采用微波光子技术，巧妙地将激光器的RIN转变为单频点电信号的相位噪声，然后再把相位噪声换算成RIN；即对于基本的微波光链路，当单频点信号通过该链路时，其相位噪声会相应地增加，这主要是由于链路的附加噪声对载波信号进行调制而造成的；附加噪声主要由热噪声、散弹噪声与激光器的相对强度噪声组成；通过测量微波光链路输入、输出载波信号的相噪可以精确地求出链路中激光器的RIN；其测量步骤包括：

步骤一：采用相噪检测仪测量单频点电信号的相噪指标L(f_m)与功率Pin；

步骤二：调节电光调制器直流偏置电压，使之工作在正交偏置点；

步骤三：通过光功率计读数求出激光器输出光功率与光电探测器输入光功率；

步骤四：由光电探测器的平均输入光功率求出平均光电流；

步骤五：采用相噪检测仪测量输出信号相位噪声L’(f_m)与功率P_out；

步骤六：根据输入与输出单频点电信号的相位噪声求出激光器的RIN。

本发明进一步的技术方案是:电光调制器实现单频点电信号对激光器输出光信号的强度调制，光耦合器用于对光信号进行分流，光功率计用于对激光器输出与光电探测器输入光功率的测量，相噪检测仪用于对输入、输出电信号相噪的测量；待测激光器、电光调制器、光耦合器以及光电探测器组成微波光子链路，分别检测该链路的输入、输出单频点电信号的相位噪声，通过计算就能够得到激光器的RIN。

本发明再进一步的技术方案是:将激光器输出光信号通过光耦合器连接到电光调制器的光输入端，单频点电信号通过电光调制器对光信号进行幅度调制，电光调制器的光输入端与输出端均连接光耦合器，光耦合器的耦合端与光功率计连接，方便对电光调制器的输入、输出光功率进行实时监测；已调光信号通过光电探测器进行解调，还原成电信号后再输入至相噪检测仪中，对其功率与相噪进行测量。

本发明的目的之二是克服现有测量方案的不足，而提供一种激光器相对强度噪声的测量装置。

实现本发明上述目的的技术方案是：一种激光器相对强度噪声的测量装置，由微波光子链路、信号发生系统、光功率监测系统、相位噪声检测系统以及相对强度噪声计算系统组成，所述微波光子链路包括待测激光器、电光调制器、光耦合器以及光电探测器；所述信号发生系统包括一个能产生单频点电信号的信号发生装置；所述光功率监测系统包括一个光功率器；待测激光器输出光信号通过光耦合器输入到电光调制器，通过信号发生系统产生的单频点电信号通过电光调制器对光信号进行调制，同时信号发生系统将该单频点电信号的功率数据传入相对噪声计算系统，电光调制器的输出端连接另一个光耦合器；所述光功率监测系统对电光调制器的输入、输出光功率进行实时监测，并将数据传入相对强度噪声计算系统；所述相位噪声检测系统监测通过微波光子链路的光电探测器转换后的电信号的相位噪声以及由信号发生系统产生的单频点电信号的相位噪声，并将数据传入相对强度噪声计算系统9；所述相对强度噪声计算系统9将传入其中的数据经过计算得出待测激光器输出光信号的相对强度噪声值。

本发明进一步的技术方案是：微波光链路不仅包括普通的强度调制-直接解调链路，还包括相位调制-相干解调链路。

本发明的有益效果在于：测量过程在电域的高频端进行，避免了近直流端各种环境噪声与电子器件低频端噪声的影响，提高了测量精度；相对传统测量方案而言，该方案无需考虑激光器输出功率大小，突破了光功率对测量系统的限制性。

附图说明

图1是传统的测量方法；

图2是该发明所述的测量方案；

图3是单频点信号的输入相噪与输出相噪，其中空心方块为输入信号相噪，黑色实线代表输出信号的相噪；

图4为采用本发明实测RIN数据与产品标称数据的比较：其中黑色实心点为待测激光器标称RIN数据；黑色曲线为本发明的实测RIN数据。

图中1.激光器，2.光电探测器，3.电放大器，4.频谱仪。

具体实施方式

如图2所示，一种激光器相对强度噪声的测量装置，由微波光子链路8、信号发生系统9、光功率监测系统10、相位噪声检测系统11以及相对强度噪声计算系统12组成，所述微波光子链路8包括待测激光器1、光电探测器2、光耦合器Ⅰ5、光耦合器Ⅱ6和电光调制器7，微波光子链路8为强度调制-直接解调链路，也可以是相位调制-相干解调链路；所述信号发生系统9包括一个能产生单频点电信号的信号发生装置；所述光功率监测系统10包括一个光功率器；待测激光器1输出光信号通过光耦合器Ⅰ5输入到电光调制器7，通过信号发生系统9产生的单频点电信号通过电光调制器7对光信号进行调制，同时信号发生系统9将该单频点电信号的功率数据传入相对噪声计算系统12，电光调制器7的输出端连接另一个光耦合器Ⅱ6；所述光功率监测系统10对电光调制器7的输入、输出光功率进行实时监测，并将数据传入相对强度噪声计算系统12；所述相位噪声检测系统11监测通过微波光子链路8的光电探测器转换后的电信号的相位噪声以及由信号发生系统9产生的单频点电信号的相位噪声，并将数据传入相对强度噪声计算系统12；所述相对强度噪声计算系统12将传入其中的数据经过计算得出待测激光器输出光信号的相对强度噪声值。

采用本发明对Emcore公司的1772型DFB激光器的RIN进行测试。采用图2搭建测量系统，在室温条件下对激光器的RIN进行测量，激光器采用恒温控制。采用Covega公司的LN058型马赫-增德尔干涉型电光调制器(MZM)、Labwave公司的PD-30型PIN管光电探测器、Agilent公司型号为HP8153A的光功率计与该公司的型号5052A相噪检测仪。

1.采用5052A相噪检测仪测得单频点电信号源的功率为5dBm，相位噪声L(f_m)如图3黑色实线所示。单频点电信号通过含待测激光器的微波光链路后相噪会相应地增加，本发明需要对输入、输出电信号的相噪分别进行测量，为后续步骤计算激光器的RIN噪声提供数据。在该步骤中，将单频点电信号源通过同轴电缆与相噪分析仪连接，测得单频点电信号源的相位噪声L(f_m)，然后将该单频点电信号输入至微波光链路。

2.调节LN058型马赫-增德尔干涉型电光调制器的直流偏置电压至3.8V，使之工作在正交偏置点。电光调制器是微波光链路的核心器件，为保证电信号源对激光的最高调制效率，应使之工作在正交偏置点。具体方法为：将功率为P₀的光信号注入电光调制器(其偏振态应与调制器保持一致)，调节电光调制器的直流偏置点，保证输出光功率取得最大值P_max，然后再调节直流偏置电压，当输出光功率的取值为P_max/2时，该工作点即为调制器的一个正交工作点。

3.通过光功率计的读数求出激光器输出光功率13dBm与光电探测器的输入光功率8dBm。

设两光耦合器的耦合系数分别为为α₁与α₂；光功率计两通道(通道1对应激光器，通道2对应光电探测器)读数分别为P₁与P₂；则激光器输出光功率P_L与光电探测器的输入光功率P_D分别为：

P_L＝P₁/α₁(3)

P_D＝P₂(1-α₂)/α₂(4)

4.根据I_dc＝P_Dρ由电光电探测器的平均输入光功率求出平均光电流I_dc为0.7A。

5.采用相噪检测仪测量输出信号的功率P_out为-25dBm，相位噪声L’(f_m)如图3空心方块所示。将输出电信号通过同轴电缆与相噪分析仪连接，通过相噪分析仪能够直接测量单频点电信号的相位噪声L’(f_m)与功率P_out，为后续步骤的计算提供数据。

6.代入各实测参数数值即求出激光器的RIN值，如图4黑色实线所示。对于微波光链路，链路的噪声功率N_out主要包括激光器的热噪声N_th、激光器的RIN对应的电噪声N_RIN及散弹噪声N_shot，其表达式分别为：

$N_{th}=(1+G_{RF})k_B{\mathrm{TN}}_{RIN}={\mathrm{RINI}}_{dc}^2{Z}_L{N}_{shot}=2{\mathrm{qI}}_{dc}{Z}_L---\left(5\right)$

G_RF＝P_out/P_in为链路增益。输入与输出电信号的相位噪声有如下关系：

$L^{\′}\left(f_m\right)=\frac{P_{SSB}^{\′}}{P_{out}}=\frac{G_{RF}{P}_{SSB}+N_{add}}{G_{RF}{P}_{in}}=L\left(f_m\right)+\frac{k_{B}T+2{\mathrm{qI}}_{dc}{Z}_L+{\mathrm{RINI}}_{dc}^2{Z}_L}{P_{out}}---\left(6\right)$

L(f_m)为输入电信号的单边带(SingleSideBand,SSB)相噪；P_SSB与P′_SSB分别为输入、输出信号在离载波f_m偏频处单位频率对应的功率；P_out为输出信号功率；N_add为系统对输入信号的附加噪声。最终得出RIN的值为：

$RIN=\frac{\[L^{\′}\left(f_m\right)-L\left(f_m\right)\]\·P_{out}-(k_{B}T+2{\mathrm{qI}}_{dc}{Z}_L)}{I_{dc}^2{Z}_L}---\left(7\right)$

图3给出了输入、输出电信号的相噪实测数据，其中空心方块为输入电信号相噪，黑色的实线为电信号源通过微波光链路(激光器输出功率为30mw)后的相噪。由图可以看出，输入信号通过微波光链路后由于附加噪声的影响，相噪明显增加。图4给出了本发明实测RIN数据与产品标称数据的比较，其中圆形红色实点代表厂家标称RIN数据，黑色实线是采用本发明的实测RIN数据，由图不难看出，采用该方法的实测结果具有良好的测量精度。

Claims (4)

1.一种激光器相对强度噪声的测量方法，其特点在于：利用单频点电信号通过微波光子链路后其相噪恶化的原理，通过单频点电信号相噪的改变来计算链路中待测激光器的相对强度噪声，其测量步骤包括：

步骤一：采用相噪检测仪测量单频点电信号的相噪指标L(f_m)与功率P_in；

步骤二：调节电光调制器直流偏置电压，使之工作在正交偏置点；

步骤三：通过光功率计读数求出激光器输出光功率与光电探测器输入光功率；

步骤四：由光电探测器的平均输入光功率求出平均光电流；

步骤五：采用相噪检测仪测量单频点电信号的输出信号的相位噪声L’(f_m)与功率P_out；

步骤六：根据输入与输出单频点电信号的相位噪声求出激光器的RIN。

2.根据权利要求1所述的激光器相对强度噪声的测量方法，其特点在于：步骤六中，按下述方法根据输入、输出电信号相噪求出激光器的RIN：

对于微波光链路，链路的噪声功率N_out主要包括激光器的热噪声N_th、激光器的RIN对应的电噪声N_RIN及散弹噪声N_shot，其表达式分别为：

$N_{th}=(1+G_{RF})k_{B}T{N}_{RIN}={\mathrm{RINI}}_{dc}^2{Z}_L{N}_{shot}=2{\mathrm{qI}}_{dc}{Z}_L---\left(1\right)$

G_RF为链路增益；I_dc表示平均光电流；q表示单位电荷电量；Z_L表示探测输出端的匹配负载；K_B表示波尔兹曼常数；

输入与输出电信号的相位噪声有如下关系：

$L^{\′}\left(f_m\right)=\frac{P_{SSB}^{\′}}{P_{in}}=\frac{G_{RF}{P}_{SSB}+N_{add}}{G_{RF}{P}_{in}}=L\left(f_m\right)+\frac{k_{B}T+2{\mathrm{qI}}_{dc}{Z}_L+{\mathrm{RINI}}_{dc}^2{Z}_L}{P_{out}}---\left(2\right)$

L(f_m)为输入电信号的单边带(SingleSideBand,SSB)相噪；P_SSB与P′_SSB分别为输入、输出信号在离载波f_m偏频处单位频率对应的功率；P_out为输出信号功率；N_add为系统对输入信号的附加噪声；P_in表示单频点电信号的功率；

最终得出RIN的值为：

$RIN=\frac{\[L^{\′}\left(f_m\right)-L\left(f_m\right)\]\·P_{out}-(k_{B}T+2{\mathrm{qI}}_{dc}{Z}_L)}{I_{dc}^2{Z}_L}.---\left(3\right)$

3.一种测量激光器相对强度噪声的装置，其特征是由微波光子链路、信号发生系统、光功率监测系统、相位噪声检测系统以及相对强度噪声计算系统组成；所述微波光子链路包括待测激光器、电光调制器、光耦合器以及光电探测器；所述信号发生系统包括一个能产生单频点电信号的信号发生装置；所述光功率监测系统包括一个光功率器；待测激光器输出光信号通过光耦合器输入到电光调制器，通过信号发生系统产生的单频点电信号通过电光调制器对光信号进行调制，同时信号发生系统将该单频点电信号的功率数据传入相对强度噪声计算系统，电光调制器的输出端连接另一个光耦合器；所述光功率监测系统对电光调制器的输入、输出光功率进行实时监测，并将数据传入相对强度噪声计算系统；所述相位噪声检测系统监测通过微波光子链路的光电探测器转换后的电信号的相位噪声以及由信号发生系统产生的单频点电信号的相位噪声，并将数据传入相对强度噪声计算系统；所述相对强度噪声计算系统将传入其中的数据经过计算得出待测激光器输出光信号的相对强度噪声值。

4.根据权利要求3所述的测量激光器相对强度噪声的装置，其特征是微波光链路不仅包括普通的强度调制-直接解调链路，还包括相位调制-相干解调链路。