CN106525256A - 窄线宽激光器相位噪声测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于光纤传感以及水声信号测量的窄线宽激光器相位噪声测量装置及方法，其特征在于设有待测激光器、PGC解调单元以及封装在屏蔽盒内的光纤隔离器、光纤耦合器、光纤延迟线、第一反射镜、传感臂光纤、第二反射镜、外调制器，其中光纤隔离器的输出送入光纤耦合器，光纤耦合器分别与光纤延迟线、传感臂光纤相连接，光纤延迟线的输出端与第一反射镜连接，传感臂光纤的输出端与第二反射镜相连接，外调制器与传感臂光纤相连接；待测激光器的输出端与光纤隔离器相连接；PGC解调单元接收光纤耦合器的输出信号，且与外调制器相连接，本发明具有集成度高，结构简单的特点，只需将待测激光器接入测量系统，操作简单，提高了测量的可信度。

Description

窄线宽激光器相位噪声测量装置及方法

技术领域：

本发明涉及光纤传感及激光器技术领域，具体的说是一种适用于光纤传感以及水声信号测量的窄线宽激光器相位噪声测量装置及方法。

背景技术：

光电子技术是当代高新技术的重要组成部分，对国民经济和国防建设起到举足轻重的作用，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器件，已经广泛应用于光纤通信、传感、医疗以及光纤放大器等诸多领域。激光器在工作时，由于自发辐射的偶然性是的光场的相位起伏并造成输出激光有一定的谱线宽度，同时还不断改变光场的强度和相位。

激光器输出强度的起伏就表现为光强度噪声，而相位起伏表现为光相位噪声，可表示为：

其中nl对应干涉仪的光程差，c为真空中光速，δν为激光线宽。

它们都来源于散射过程本身的量子特性。这些噪声给激光器的实际应用带来许多问题，在光纤传感，特别是对噪声要求比较高的相干探测领域，窄线宽(δν<10MHz)或超窄线宽(δν<5KHz)激光器的相位噪声会抬升光路系统的整体噪声，并降低系统的探测灵敏度。

目前比较常用的测量方法是使用迈克尔逊干涉仪直接测试激光器的相位噪声功率谱。该方法要求迈克尔逊干涉仪的两个臂工作于正交点状态，需要利用干涉仪的直流输出信号对干涉仪的臂长差进行反馈控制，提高了系统复杂性。同时，由于传统测试方案对干涉仪光路缺乏必要的隔震隔热隔音措施，造成干涉仪易受外界环境，如震动、温度变化等的影响，对测量结果造成干扰。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种适用于光纤传感以及水声信号测量的窄线宽激光器相位噪声测量装置及方法。

本发明可以通过以下措施达到：

一种窄线宽激光器相位噪声测量装置，其特征在于设有待测激光器、PGC解调单元以及封装在屏蔽盒内的光纤隔离器、光纤耦合器、光纤延迟线、第一反射镜、传感臂光纤、第二反射镜、外调制器，其中光纤隔离器的输出送入光纤耦合器，光纤耦合器分别与光纤延迟线、传感臂光纤相连接，光纤延迟线的输出端与第一反射镜连接，传感臂光纤的输出端与第二反射镜相连接，外调制器与传感臂光纤相连接；待测激光器的输出端与光纤隔离器相连接；PGC解调单元接收光纤耦合器的输出信号，且与外调制器相连接。

本发明进一步还设有与PGC解调单元相连接的显示与控制单元。

本发明所述待测激光器为待测窄线宽激光器，具有一个光学输出接口及一个输入电压信号调制接口，光学输出接口是FC或SC或E2000接口或其他通用光学接口，输入电压信号调制接口可以是BNC或SMA或其他通用接口。

本发明所述光纤隔离器的隔离度大于60dB,插入损耗小于0.5dB且输入接头类型与所述的待测激光器的光学输出接口类型相同。

本发明所述光纤耦合器3为2×2类型3dB耦合器，其第一输入端口连接光纤隔离器的输出端口，其第一、第二输出端口分别连接光纤延迟线和传感臂光纤，其第三输出端口连接PGC解调单元的输入端口，作为光信号输入，第三输出端口可以是FC或SC或E2000接口或其他通用光学接口且类型与PGC解调单元相同。

本发明所述光纤延迟线为可调光学延迟线，其光学延迟范围为5ns～500ns可调，精度小于5ns，初始状态为光纤延迟线和传感臂光纤6之间的延时差为5ns或对应光纤长度差为1m,具体与所使用光纤的折射率有关，计算公式如下：

τ＝l*n/c

其中l,τ,n,c,分别为延时对应实际光纤的长度，延时的具体数值，光纤的折射率及光在真空中的光速。

本发明所述第一反射镜与第二反射镜均为法拉第旋转镜，其旋转角度为90°，插入损耗小于1dB。

本发明所述传感臂光纤长度为1m且缠绕于外调制器上，且缠绕张力介于10g～30g之间。

本发明所述外调制器为压电陶瓷环PZT,其工作频率低于50KHz,最大振幅小于1μm。

本发明所述屏蔽盒为隔震隔热隔音封装的保护盒子，由聚酯纤维、腈纶纤维等化学纤维经过无胶技术复合，正面再经防水涂层处理制成，厚度不小于10mm，光纤隔离器，光纤耦合器，光纤延迟线，第一反射镜，传感臂光纤，第二反射镜，外调制器封装在其内部，作为本窄线宽激光器相位噪声测量装置的迈克尔逊干涉仪光路部分，用于输出携带有待测激光器相位噪声信息的干涉信号并输出至PGC解调单元。

本发明所述PGC解调单元为本装置的信号解调部分，采用场效应管PIN探测器将采集到的光信号转换为电信号，场效应管PIN探测器及模拟/数字转换芯片，探测器跨阻抗不小于100KV/W，-3dB带宽小于50MHz，模拟/数字转换芯片采样率高于100Msps,精度高于于12bit，并采用PGC(Phase Generated Carrier,相位生成载波)零差法进行解调；且PGC解调单元为外调制器提供5Hz～1KHz的正弦调制信号，用于测量不同调制频率下对应的激光器相位噪声；外调制器与PGC解调单元可以通过通用BNC端子或SMA端子连接。

本发明所述显示与控制单元包括能执行解调算法的计算机及其显示软件部分，其特征在于能够显示不同频率下对应的相位噪声功率谱。

本发明还提出了一种窄线宽激光器相位噪声测量方法，其特征在于窄线宽激光器输出光信号至屏蔽盒内部的干涉仪光路，输出干涉信号通过光纤耦合器输出至PGC解调单元进行信号解调，在光频调制的情况下，光纤干涉仪的检测信号表达式为：

其中

其包括干涉仪的一系列低频声信号或加速度信号D_icosω_sit和环境扰动引起的相位随机波动ψ₀(t)，这些信息可以通过PGC解调过程还原出来，将式(1)以Bessel函数式展开，得到：

其中J_k(C)为第k阶Bessel函数。可见经过调制后的干涉信号包括调制信号频率ω₀的零频、ω₀和ω₀的无穷项高次倍频，其中ω₀的零频和偶次倍频的幅度与成正比，ω₀及其奇次倍频的幅度与成正比，由于随着k的增大，J_k(C)总体趋势变小，在检测时可以选用载波信号的一倍频和二倍频来进行相关检测求得和将上式分别乘以Gcosω₀t和Hcos 2ω₀t，得到：

由于调制频率ω₀远大于被测信号频率ω_s1，ω_s2，……ω_sn，所以上述两式经低通滤波后所含ω₀及其倍频项均被滤去，变为：

经微分电路后有：

由式(6)和式(9)相乘得：

式(11)减去式(10)得：

上式积分得到：

上式除以系数GHB²J₁(C)J₂(C)，即可将被测信号解调出来。

本发明的有益效果在于：1、本发明通过使用法拉第旋镜FRM替换迈克尔逊干涉仪中的普通反射镜的方式，使得经干涉仪两臂返回的光始终具有相同的偏振态，干涉信号的可见度保持为1，能够有效消除偏振衰落现象。2、本发明通过控制外调制器而非直接调制激光器的方式测量不同频率下激光器的相位噪声，避免引入调制噪声，提高了相位噪声测量的准确性；3、本发明通过对干涉仪进行隔震隔热隔音处理，避免引入外界环境干扰，保证了激光器相位噪声测量结果的准确性；4、本发明通过干涉仪中的光纤延迟线的光学延迟可调功能，可以动态测量干涉仪不同臂长差对激光器相位噪声测量值的影响，具有重要的研究意义。5、本发明具有集成度高，结构简单的特点，只需将待测激光器接入测量系统，操作简单，提高了测量的可信度。

附图说明：

附图1是本发明的结构框图。

附图2是本发明中解调示意图。

附图标记：待测激光器1、光纤隔离器2、光纤耦合器3、光纤延迟线4、第一反射镜5、传感臂光纤6、第二反射镜7、外调制器8、屏蔽盒9、PGC解调单元10、显示与控制单元11。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步说明。

先请参阅图1,图1是一种窄线宽激光器相位噪声测量装置，其连接方式如下：待测窄线宽激光器1的输出端口与屏蔽盒9的输入端口连接；屏蔽盒9的输入端口即对应光纤隔离器2的输入端口，光纤隔离器2的输出端口连接光纤耦合器3的输入端口，光纤耦合器3的第一、第二输出端口分别连接干涉仪的信号臂与参考臂，其中第一输出端口与光纤延迟线4连接、第一反射镜5连接的光纤作为干涉仪的参考臂，第二输出端口与传感臂光纤6连接、第二反射镜7连接的光纤作为干涉仪的信号臂；其中传感臂光纤6缠绕在外调制器8上并接受PGC解调单元10的输出端口提供的调制信号。受到调制的干涉信号由光纤耦合器3的第三输出端口输出至PGC解调单元10的输入端口。由PGC解调单元进行光电转换及解调，将解调数据传输至显示与控制单元11。显示与控制单元11将解调的不同调制频率对应的相位噪声功率谱。

工作时，窄线宽激光器1输出光信号至屏蔽盒内部的干涉仪光路，输出干涉信号通过光纤耦合器3输出至PGC解调单元10进行信号解调，PGC解调原理如图2所示：在光频调制的情况下，光纤干涉仪的检测信号表达式为：

其中

它包括干涉仪的一系列低频声信号或加速度信号D_icosω_sit和环境扰动引起的相位随机波动ψ₀(t)，这些信息可以通过PGC解调过程还原出来。

具体解调原理如下：

将式(1)以Bessel函数式展开，得到：

其中J_k(C)为第k阶Bessel函数。可见经过调制后的干涉信号包括调制信号频率ω₀的零频、ω₀和ω₀的无穷项高次倍频。其中ω₀的零频和偶次倍频的幅度与成正比，ω₀及其奇次倍频的幅度与成正比。由于随着k的增大，J_k(C)总体趋势变小，在检测时可以选用载波信号的一倍频和二倍频来进行相关检测求得和如2所示，将上式分别乘以Gcosω₀t和Hcos 2ω₀t，得到：

由于调制频率ω₀远大于被测信号频率ω_s1，ω_s2，……ω_sn，所以上述两式经低通滤波后所含ω₀及其倍频项均被滤去，变为：

经微分电路后有：

由式(6)和式(9)相乘得：

式(11)减去式(10)得：

上式积分得到：

上式除以系数GHB²J₁(C)J₂(C)，即可将被测信号解调出来。

在屏蔽外界环境震动、热干扰，同时避免直接调制引入调制噪声的条件下，解调得到的信号即待测窄线宽激光器的相位噪声。

对该信号做功率谱估计就可以得到待测窄线宽激光器的相位噪声功率谱。

Claims (9)

1.一种窄线宽激光器相位噪声测量装置，其特征在于设有待测激光器、PGC解调单元以及封装在屏蔽盒内的光纤隔离器、光纤耦合器、光纤延迟线、第一反射镜、传感臂光纤、第二反射镜、外调制器，其中光纤隔离器的输出送入光纤耦合器，光纤耦合器分别与光纤延迟线、传感臂光纤相连接，光纤延迟线的输出端与第一反射镜连接，传感臂光纤的输出端与第二反射镜相连接，外调制器与传感臂光纤相连接；待测激光器的输出端与光纤隔离器相连接；PGC解调单元接收光纤耦合器的输出信号，且与外调制器相连接。

2.根据权利要求1所述的一种窄线宽激光器相位噪声测量装置，其特征在于还设有与PGC解调单元相连接的显示与控制单元。

3.根据权利要求1所述的一种窄线宽激光器相位噪声测量装置，其特征在于所述待测激光器为待测窄线宽激光器，具有一个光学输出接口及一个输入电压信号调制接口，光学输出接口是FC或SC或E2000接口或其他通用光学接口，输入电压信号调制接口是BNC或SMA或其他通用接口；所述光纤隔离器的隔离度大于60dB,插入损耗小于0.5dB且输入接头类型与所述的待测激光器的光学输出接口类型相同。

4.根据权利要求1所述的一种窄线宽激光器相位噪声测量装置，其特征在于所述光纤耦合器3为2×2类型3dB耦合器，其第一输入端口连接光纤隔离器的输出端口，其第一、第二输出端口分别连接光纤延迟线和传感臂光纤，其第三输出端口连接PGC解调单元的输入端口，作为光信号输入，第三输出端口可以是FC或SC或E2000接口或其他通用光学接口且类型与PGC解调单元相同。

5.根据权利要求1所述的一种窄线宽激光器相位噪声测量装置，其特征在于所述光纤延迟线为可调光学延迟线，其光学延迟范围为5ns～500ns可调，精度小于5ns，初始状态为光纤延迟线和传感臂光纤6之间的延时差为5ns或对应光纤长度差为1m,具体与所使用光纤的折射率有关，计算公式如下：

τ＝l*n/c

其中l,τ,n,c,分别为延时对应实际光纤的长度，延时的具体数值，光纤的折射率及光在真空中的光速。

6.根据权利要求1所述的一种窄线宽激光器相位噪声测量装置，其特征在于所述第一反射镜与第二反射镜均为法拉第旋转镜，其旋转角度为90°，插入损耗小于1dB。

7.根据权利要求1所述的一种窄线宽激光器相位噪声测量装置，其特征在于所述传感臂光纤长度为1m且缠绕于外调制器上，且缠绕张力介于10g～30g之间，所述外调制器为压电陶瓷环PZT,其工作频率低于50KHz,最大振幅小于1μm。

8.根据权利要求1所述的一种窄线宽激光器相位噪声测量装置，其特征在于所述PGC解调单元为本装置的信号解调部分，采用场效应管PIN探测器将采集到的光信号转换为电信号，场效应管PIN探测器及模拟/数字转换芯片，探测器跨阻抗不小于100KV/W，-3dB带宽小于50MHz，模拟/数字转换芯片采样率高于100Msps,精度高于于12bit，并采用PGC(PhaseGenerated Carrier,相位生成载波)零差法进行解调；且PGC解调单元为外调制器提供5Hz～1KHz的正弦调制信号，用于测量不同调制频率下对应的激光器相位噪声；外调制器与PGC解调单元可以通过通用BNC端子或SMA端子连接。

9.一种窄线宽激光器相位噪声测量方法，其特征在于窄线宽激光器输出光信号至屏蔽盒内部的干涉仪光路，输出干涉信号通过光纤耦合器输出至PGC解调单元进行信号解调，在光频调制的情况下，光纤干涉仪的检测信号表达式为：

其中

其包括干涉仪的一系列低频声信号或加速度信号D_icosω_sit和环境扰动引起的相位随机波动ψ₀(t)，这些信息可以通过PGC解调过程还原出来，将式(1)以Bessel函数式展开，得到：

其中J_k(C)为第k阶Bessel函数。可见经过调制后的干涉信号包括调制信号频率ω₀的零频、ω₀和ω₀的无穷项高次倍频，其中ω₀的零频和偶次倍频的幅度与成正比，ω₀及其奇次倍频的幅度与成正比，由于随着k的增大，J_k(C)总体趋势变小，在检测时可以选用载波信号的一倍频和二倍频来进行相关检测求得和将上式分别乘以Gcosω₀t和Hcos 2ω₀t，得到：

由于调制频率ω₀远大于被测信号频率ω_s1，ω_s2，……ω_sn，所以上述两式经低通滤波后所含ω₀及其倍频项均被滤去，变为：

经微分电路后有：

由式(6)和式(9)相乘得：

式(11)减去式(10)得：

上式积分得到：

上式除以系数GHB²J₁(C)J₂(C)，即可将被测信号解调出来。