CN103983428B - 测量全光纤脉冲激光器ase噪声的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量全光纤脉冲激光器ASE噪声的方法。该方法是通过大口径光纤准直器将激光器输出的高峰值功率线偏振激光脉冲准直后输出到自由空间。自由空间的激光脉冲依次经过孔径光阑和校准后的中性密度滤光片，由消色差胶合透镜耦合进入保偏光纤，经过禁用调制功能的电光强度调制器后进入光电探测器，输出的电信号由铠装测试电缆输入到示波器进行数据采集，计算出激光脉冲的相对能量。使能电光强度调制器的调制功能，抑制激光脉冲的通过，计算出ASE噪声的相对能量。测量出激光器总的平均功率，根据激光器总的平均功率计算出总的ASE噪声功率。本方法是在激光器实际工作状态下进行的ASE噪声测量。

Description

测量全光纤脉冲激光器ASE噪声的方法

技术领域

本发明属于全光纤脉冲激光器技术领域，具体涉及一种测量全光纤激光器ASE(Amplified Spontaneous Emission,ASE)噪声的方法。

背景技术

全光纤脉冲激光器的光路由光纤和光纤元件构成，光纤和光纤元件之间采用光纤熔接技术连接。激光器的整个光路完全封闭在光纤波导中，具有光束质量好、效率高、阈值低，结构紧凑等优点。高度的集成、体积小，全封闭性光路与外界环境隔离，使得激光器的运转更加可靠，具有更长的稳定性，可以在比较恶劣的环境下工作。全光纤脉冲激光器可以实现主振荡放大高功率激光脉冲的输出，在光通讯、激光遥感、激光医疗、工业加工、航空航天、材料科学、光谱学以及非线性光学领域得到了广泛的应用，是激光领域研究的热点之一。

全光纤脉冲激光器在工作过程中，激光脉冲放大器是由输入的脉冲信号激励，其增益光纤一直被连续地抽运。对于理想的激光脉冲放大器，由于抽运的作用增益光纤的粒子数处于反转状态，当激励脉冲通过激光脉冲放大器时，增益光纤激发态上的粒子在脉冲信号的激励下产生强烈的受激辐射，使激光脉冲信号得到放大。然而，对于现实中的全光纤脉冲激光器，即使没有激光脉冲信号的激励，由于自发辐射的因素，激光脉冲放大器也会在其光信号增益宽度内辐射出激光，即ASE噪声。

全光纤脉冲激光器的ASE噪声不仅会降低增益光纤的能量转换效率，而且会对增益均匀性产生严重影响。ASE噪声的存在，降低了激光脉冲信号的信噪比，破坏了激光的相干性，对于全光纤脉冲激光器的应用产生消极的影响。在光纤通信系统中，ASE噪声引起的噪声电流包含直流部分和起伏部分，它们会分别影响PIN接收机的判决电平和误码率，使接收机的灵敏度受到限制。由于ASE噪声的存在，将导致激光脉冲电场强度的振幅和相位随时间起伏，造成高能量激光驱动惯性约束核聚变实验中脉冲信号信噪比的下降，成为制约快点火实验的瓶颈。在波分复用全光通信网中，激光脉冲放大器引起的ASE噪声通过多个光分插复用节点后积累起来，最终导致下路光分插复用节点的光信噪比下降，影响通信系统的误码率。全光纤脉冲激光器用于激光雷达时，ASE噪声会引起激光脉冲波形的拖尾现象，并且要求尽 量减小ASE噪声耦合进入光电探测器。因此，有必要测量出全光纤脉冲激光器的ASE噪声。

由于全光纤脉冲激光器输出的信号光的峰值功率高于ASE噪声功率约40～60dB，且ASE噪声的光频率处于一定宽度的带宽内，很难与信号光分开，因此测量全光纤脉冲光纤激光器的ASE噪声一直是个难点。目前常用的方法有：增益和噪声测量系统的方法、偏振抑制法、测量光谱密度法和比较载噪比法。其中，增益和噪声测量系统的方法、偏振抑制法和测量光谱密度法可以用于测量低功率的全光纤脉冲激光器的ASE噪声，不适用于测量高功率的全光纤脉冲激光器。比较载噪比法是可以用于高功率光纤脉冲激光器的ASE噪声的测量，但是该方法需要测量的未知量比较多，比如需要在保持输出功率P_s恒定时测量出在未加脉冲放大器时的光误差器的衰减值L1，连续种子光与脉冲放大器之间的连接损耗C1，以及加上脉冲放大器时输出端连接损耗C2和在保持与未加脉冲放大器时输出功率一定的条件下光衰减器的衰减值L2，该方法的操作过程复杂，难以实际应用于测量全光纤脉冲激光器ASE噪声。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种测量全光纤脉冲激光器ASE(Amplified Spontaneous Emission,ASE)噪声的方法，该方法能够在全光纤脉冲激光器实际工作状态下测量出其ASE噪声。

本发明采用的技术方案为：一种测量全光纤脉冲激光器ASE噪声的方法，该方法使用的测量光路包括连续种子激光器，保偏光纤分束器，前置放大器，声光调制器，一级放大器，光纤，二级放大器，大口径光纤准直器，光阑，中性密度滤光片，消色差胶合透镜，FC/APC法兰盘，电光强度调制器，光电探测器，铠装测试电缆，示波器，任意信号发生器和热敏功率传感器。连续种子激光器输出的连续激光经过保偏光纤分束器，一部分激光通过FC/APC接头输出，另一部分经过前置放大器进行放大。声光调制器在信号发生器通道1的激励下，把放大后的连续激光调制成激光脉冲。激光脉冲依次通过一级放大器，光纤和二级放大器，进行功率放大，产生高峰值功率的激光脉冲。激光脉冲经过大口径光纤准直器准直后发射到自由空间。在光阑的限制作用下，一小部分激光脉冲经中性密度滤光片的衰减后通过消色差胶合透镜耦合进入保偏光纤。信号发生器的通道2用于驱动EOM。设置信号发生器的通道2，使得在电光强度调制器的调制作用下激光脉冲全部通过，经过探测器的光电转换后输出的电压经由铠装测试电缆连接至示波器，由示波器测量激光脉冲的电平。设置信号发生器通道2的信号使EOM产生的透过率曲线如图3所示，使得在电光强度调制器的调制作用下激光脉冲不能透过而ASE噪声可以全部透过，移除中性密度滤光片，用示波器测量ASE噪声的电平。由ASE噪声的电平、激光脉冲的电平和中性密度滤光片的透过率，可以计算出激光脉 冲中ASE噪声的比例。利用热敏功率传感器可以测量出激光脉冲的平均功率，由此可以计算出ASE噪声的平均功率。

进一步的，利用大口径光纤准直器把全光纤脉冲激光器输出的高峰值功率的激光脉冲扩束后发射到自由空间，经过光阑的限制作用和中性密度滤光片的衰减，使得输入到光电探测器的激光脉冲功率处于光电探测器的线性工作区，再由消色差胶合透镜耦合进入光纤。电光强度调制器的作用是，在测量激光脉冲的电平时使得耦合进入光纤中的激光信号全部通过，在测量ASE噪声电平时使得激光脉冲不能通过而ASE噪声全部通过。使用铠装测试电缆连接探测器和示波器，以减少外界噪声对激光脉冲的电平和ASE噪声的电平的干扰。

本发明的原理在于：

一种测量全光纤脉冲激光器放大自发辐射噪声的方法。该方法是通过大口径光纤准直器将激光器输出的高峰值功率线偏振激光脉冲准直后输出到自由空间。自由空间的激光脉冲经过依次经过孔径光阑和校准后的中性密度滤光片，再由消色差胶合透镜耦合进入保偏光纤。保偏光纤与电光强度调制器连接，禁止电光强度调制器的调制功能，经过电光强度调制器后的激光脉冲进入高性能探测器进行光电转换，输出的电信号由铠装测试电缆输入到示波器进行数据采集，记录激光脉冲的波形，计算出激光脉冲的相对能量。使能电光强度调制器的调制功能，由于电光强度调制器的调制使激光脉冲不能透过而ASE噪声可以全部通过，移除中性密度滤光片，用示波器记录激光器的ASE噪声，计算出ASE噪声的相对能量。进而可以计算出激光脉冲中ASE噪声所占的比例。测量出激光器总的平均功率，根据激光器总的平均功率计算出总的ASE噪声功率。本方法是在激光器实际工作状态下进行的ASE噪声测量，能够客观地反映激光器输出的脉冲激光功率中ASE噪声的真实情况。

本发明的优点和积极效果为，本发明公开一种全光纤脉冲激光器ASE噪声的测量方法。该方法能够在全光纤脉冲激光器实际工作状态下测量出其ASE噪声。测量的光路容易搭建，操作简易，计算方便。

附图说明

图1为测量全光纤脉冲激光器ASE噪声比例的原理图；图中，1为连续种子激光器，2为保偏光纤分束器，3为前置放大器，4为声光调制器，5为一级放大器，6为光纤，7为二级放大器，8为大口径光纤准直器，9为光阑，10为中性密度滤光片，11为消色差胶合透镜，12为FC/APC法兰盘，13为电光强度调制器，14为光电探测器，15为铠装测试电缆，16为示波器，17为任意信号发生器，18为热敏功率传感器。

图2为测量全光纤脉冲激光器平均功率的原理图；图中，1为连续种子激光器，2为保 偏光纤分束器，3为前置放大器，4为声光调制器，5为一级放大器，6为光纤，7为二级放大器，17为任意信号发生器，18为热敏功率传感器。

图3为测量ASE噪声相对能量时，激光脉冲、EOM的透过率曲线和ASE噪声电压的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

测量全光纤脉冲激光器ASE噪声比例的原理图如图1所示，连续种子激光器1输出的连续激光经过保偏光纤分束器2，一部分激光通过FC/APC接着输出，另一部分经过前置放大器3进行放大。声光调制器4在信号发生器17的激励下，把放大后的连续激光调制成激光脉冲。激光脉冲依次通过一级放大器5，光纤6和二级放大器7，进行功率放大，产生高峰值功率的激光脉冲，该激光脉冲功率包含信号激光和ASE噪声，即，

P(t)＝P_sig(t)+P_ASE(t) (1)

激光脉冲经过大口径光纤准直器8准直后发射到自由空间。在光阑9的限制作用下，假设激光脉冲透过光阑的效率为η₁，中性密度滤光片10的透过率为T_NDF(已经校准)，消色差胶合透镜11的耦合效率为η₂，则激光脉冲经中性密度滤光片10的衰减后通过消色差胶合透镜11耦合进入保偏光纤的激光脉冲的功率为，

P_A(t)＝η₁η₂T_NDFP(t) (2)

设置信号发生器17，使得在电光强度调制器13的调制作用下激光脉冲全部通过，设电光强度调制器的透过率为T_EOM，则通过电光强度调制器13后的激光脉冲功率为，

P_B(t)＝T_EOMP_A(t)＝η₁η₂T_NDFT_EOMP(t) (3)

经过探测器14的光电转换后的电压为，

式中，G为探测器的跨阻增益，为探测器的响应率，e＝1.602×10^-19C为电子电荷，η_q为探测器的量子效率，h＝6.626×10^-34J·s为普朗克常数，ν为光频率。所以，

单脉冲内激光脉冲的能量为，

式中，T为激光脉冲的重复周期。

设置信号发生器17，使得在电光强度调制器13的调制作用下激光脉冲不能透过而ASE噪声可以全部透过，移除中性密度滤光片10，用示波器测量ASE噪声的电平应为，

ASE噪声的功率应为，

ASE噪声的能量为，

因此，ASE噪声能量占激光脉冲能量的比例为，

$R_{\mathrm{ASE}}=\frac{E_{\mathrm{ASE}}}{E}=\frac{T_{\mathrm{NDF}}{\∫}_T{V}_{\mathrm{ASE}}\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_{T}V\left(t\right)\mathrm{dt}}---\left(10\right)$

利用热敏功率传感器18可以测量出激光脉冲的平均功率，假设为P_AVG，则激光脉冲中ASE噪声的平均功率为，

P_{ASE_AVG}＝P_AVGR_ASE (11) 。

Claims (2)

1.一种测量全光纤脉冲激光器ASE噪声的方法，其特征在于，该方法使用测量的光路包括连续种子激光器(1)，保偏光纤分束器(2)，前置放大器(3)，声光调制器(4)，一级放大器(5)，光纤(6)，二级放大器(7)，大口径光纤准直器(8)，光阑(9)，中性密度滤光片(10)，消色差胶合透镜(11)，FC/APC法兰盘(12)，电光强度调制器(13)，光电探测器(14)，铠装测试电缆(15)，示波器(16)，任意信号发生器(17)和热敏功率传感器(18)；连续种子激光器(1)输出的连续激光经过保偏光纤分束器(2)，一部分激光通过FC/APC接头输出，另一部分经过前置放大器(3)进行放大；声光调制器(4)在信号发生器(17)的激励下，把前置放大器放大后的连续激光调制成激光脉冲；激光脉冲依次通过一级放大器(5)，光纤(6)和二级放大器(7)，进行功率放大，产生高峰值功率的激光脉冲；激光脉冲经过大口径光纤准直器(8)准直后发射到自由空间；在光阑(9)的限制作用下，一小部分激光脉冲经中性密度滤光片(10)的衰减后通过消色差胶合透镜(11)耦合进入保偏光纤；设置信号发生器(17)，使得在电光强度调制器(13)的调制作用下激光脉冲全部通过，经过光电探测器(14)的光电转换后输出的电压经由铠装测试电缆(15)连接至示波器(16)，由示波器测量出激光脉冲的电平；设置信号发生器(17)，使得在电光强度调制器(13)的调制作用下激光脉冲不能透过而ASE噪声全部透过，移除中性密度滤光片(10)，用示波器测量ASE噪声的电平；由ASE噪声的电平、激光脉冲的电平和中性密度滤光片的透过率，计算出激光脉冲中ASE噪声的比例；利用热敏功率传感器(18)测量出激光脉冲的平均功率，由此计算出ASE噪声的平均功率。

2.根据权利要求1所述的一种测量全光纤脉冲激光器ASE噪声的方法，其特征在于，利用大口径光纤准直器(8)把全光纤脉冲激光器输出的高峰值功率的激光脉冲扩束后发射到自由空间，经过光阑(9)的限制作用和中性密度滤光片(10)的衰减，使得输入到光电探测器的激光脉冲功率处于光电探测器的线性工作区，再由消色差胶合透镜(11)耦合进入光纤，电光强度调制器(13)的作用是，在测量激光脉冲的电平时使得耦合进入光纤中的激光信号全部通过，在测量ASE噪声电平时使得激光脉冲不能通过而ASE噪声全部通过，使用铠装测试电缆(15)连接光电探测器(14)和示波器(16)，以减少外界噪声对激光脉冲的电平和ASE噪声的电平的干扰。