CN111256955B - 基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法 - Google Patents

基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法，包括：基于激光器频率噪声频域特性，通过相位噪声谱和频率噪声谱的转换关系，得到光相干系统接收信号的相位噪声频域信息；使用得到的相位噪声频域信息，构建任意光纤延时下，接收信号相位噪声的自相关特性；根据得到的自相关特性，计算接收信号的自相关信息；根据得到的自相关信息，计算光相干系统接收信号的功率谱密度，对系统性能进行分析共四个步骤。该方法基于任意激光器频率噪声特性，分析其对光相干系统性能的影响，能够在任意长度光纤延迟下，精确衡量光相干测量系统中激光器频率噪声的影响，得到的分析结果精确可靠，更能满足高精度的光相干系统性能评估要求。

Description

基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法
技术领域
本发明涉及光相干通信系统和光相干测量技术领域，更具体的说是涉及一种基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法。
背景技术
目前，光相干系统由于具有灵敏度高、可测量对象多、抗辐射、抗电磁干扰等特点，被广泛应用于光相干通信、光相干检测及光传感等领域。影响光相干系统性能的一个重要因素是激光光谱纯度，或者说激光器本征相位噪声。通常有两种评估激光器本征相位噪声的方法：激光器光谱线宽和激光器频率噪声谱，其中后者能比前者提供更多的频域噪声信息。
现有的线宽法对光相干系统进行评估时，常通过将任意激光器光谱线宽带入预先构建的基于激光器线宽的光相干系统评估模型中，来估计该线宽限制下光相干系统干涉结果。但是，由于预先构建的模型将激光光谱假设为仅含有高斯白频率噪声的洛伦兹型，对于激光器频率噪声类型有所局限。对于大多数常用的半导体激光器、光纤激光器等，常常存在由于谐振腔腔长不稳定导致的闪烁频率噪声，由于自发辐射等量子效应引起的频率噪声，由于电流、振动和热效应等外部因素引起的频率噪声。另外，光锁相系统同样会改变激光器频率噪声特性，从而不能仅仅用白频率噪声来表征。因此，采用该线宽法对于激光器频率噪声频域特性的粗略估计，会导致光相干系统性能分析结果精度降低，不能满足实际需求。
因此，如何提供一种准确可靠的光相干系统性能评估方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法，该方法可以精确评估具有任意频率噪声特性的激光器对光相干系统的影响，解决了基于线宽进行光相干系统性能分析的方法精度有限的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法，该方法包括：
S1：基于激光器频率噪声频域特性，通过相位噪声谱和频率噪声谱的转换关系，得到光相干系统接收信号的相位噪声频域信息；
S2：使用得到的相位噪声频域信息，构建任意光纤延时下，接收信号相位噪声的自相关特性；
S3：根据得到的接收信号相位噪声的自相关特性，计算接收信号的自相关信息；
S4：根据得到的接收信号的自相关信息，计算光相干系统接收信号的功率谱密度，分析激光器频率噪声对光相干系统的影响，对系统性能进行分析。
进一步地，所述相位噪声谱和频率噪声谱的转换关系为：
Figure BDA0002373942600000021
式中，
Figure BDA0002373942600000022
为相位噪声谱，即相位噪声频域信息，Sν(f)为频率噪声谱，f为频率，τ为光纤延时。
进一步地，自相关信息的计算公式为：
Figure BDA0002373942600000023
式中，
Figure BDA0002373942600000024
为接收信号相位噪声的自相关特性，exp为自然对数的底。
利用得到的接收信号的自相关信息，可以分析出步骤S2中设置的延时作用下，激光器频率噪声在观测时间上对接收信号产生的累积恶化影响。
进一步地，利用得到的接收信号的自相关信息，通过傅里叶变换等处理，可以得到相干系统接收信号的功率谱密度信息，光相干系统接收信号的功率谱密度的计算公式为：
Figure BDA0002373942600000031
式中，Si(f)表示光相干系统接收信号的功率谱密度，exp为自然对数的底，G(f)为接收信号的归一化功率谱密度。
进一步地，所述G(f)的计算公式为：
Figure BDA0002373942600000032
式中，
Figure BDA0002373942600000033
为接收信号的自相关信息。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法，该方法基于任意激光器频率噪声特性，分析其对光相干系统性能的影响，能够在任意长度光纤延迟下，精确衡量光相干测量系统中激光器频率噪声的影响，得到的分析结果精确可靠，更能满足高精度的光相干系统性能评估要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法的流程示意图；
图2附图为本发明实施例中光延迟自外差相干测量系统的结构示意图；
图3附图为本发明实施例中光相干系统的性能评估结果示意图。
图中：1为激光器，2为第一光耦合器，3为单模光纤，4为偏振控制器，5为声光调制器，6为声光调制器驱动器，7为第二光耦合器，8为平衡光电探测器，9为数据采集卡，10为计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1，本发明实施例公开了一种基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法，该方法包括：
S1：基于激光器频率噪声频域特性，通过相位噪声谱和频率噪声谱的转换关系，得到光相干系统接收信号的相位噪声频域信息；
S2：使用得到的相位噪声频域信息，构建任意光纤延时下，接收信号相位噪声的自相关特性；
S3：根据得到的接收信号相位噪声的自相关特性，计算接收信号的自相关信息；
S4：根据得到的接收信号的自相关信息，计算光相干系统接收信号的功率谱密度，分析激光器频率噪声对光相干系统的影响，对系统性能进行分析。
在一个具体的实施例中，相位噪声谱和频率噪声谱的转换关系为：
Figure BDA0002373942600000041
式中，
Figure BDA0002373942600000051
为相位噪声谱，即相位噪声频域信息，Sν(f)为频率噪声谱，f为频率，τ为光纤延时。
在一个具体的实施例中，自相关信息的计算公式为：
Figure BDA0002373942600000052
式中，
Figure BDA0002373942600000053
为接收信号相位噪声的自相关特性。
利用得到的接收信号的自相关信息，可以分析出步骤S2中设置的延时作用下，激光器频率噪声在观测时间上对接收信号产生的累积恶化影响。
在一个具体的实施例中，利用得到的接收信号的自相关信息，通过傅里叶变换等处理，可以得到相干系统接收信号的功率谱密度信息，光相干系统接收信号的功率谱密度的计算公式为：
Figure BDA0002373942600000054
式中，Si(f)表示光相干系统接收信号的功率谱密度，exp为自然对数的底，G(f)为接收信号的归一化功率谱密度，G(f)的计算公式为：
Figure BDA0002373942600000055
其中，
Figure BDA0002373942600000056
为接收信号的自相关信息。
下面通过将上述基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法得到的评估结果与光自外差相干测量系统获得的实测结果进行对比，验证本发明提供的方法的可行性。
参见附图2，本实施例提供了一种光自外差相干测量系统，包括激光器1、第一光耦合器2、单模光纤3、偏振控制器4、声光调制器5、声光调制器驱动器6、第二光耦合器7、平衡光电探测器8。并对该相干测量系统进行了激光器频率噪声评估分析。激光器1的光信号经过第一光耦合器2形成第一路输出端和第二路输出端，第一路输出端经过单模光纤3后输入到偏振控制器4中，通过偏振控制器4与第二光耦合器7的第一个输入端相连接，第二路输出端经过声光调制器5与第二光耦合器7的第二个输入端相连接。光信号通过第二光耦合器7后输出到第三输出端和第四输出端，第三输出端和第四输出端分别与平衡光电探测器8的第一个和第二个输入端相连接，然后由平衡光电探测器8输出。
进一步地，还包括数据采集卡9和计算机10，平衡光电探测器8的输出端与数据采集卡9的输入端相连接，数据采集卡9的输出端与计算机10相连接。
如图2所示，本实施例的部件和组件主要包括：一个中心波长为1550nm的单频激光器，第一光耦合器和第二光耦合器均为保偏光耦合器，一个长度为4km的单模光纤，一个偏振控制器，一个平衡光电探测器，一个采样频率为50MHz的数据采集卡。
工作原理为：单频激光器的输出光信号通过第一光耦合器分为第一路光信号和第二路光信号，其中，第一路光信号经过延迟光纤输出到偏振控制器，与第二光耦合器的第一个输入端相连接，第二路光信号经过声光调制器，与第二光耦合器的第二个输入端相连接，经过光耦合器耦合输入到平衡光电探测器的输入端。平衡光电探测器接收的电信号输出到数据采集卡上，采集到的电信号通过计算机计算可以得到接收信号的功率谱密度。
激光器的输出光信号可以表示为：
Figure BDA0002373942600000061
其中，E0为光场振幅，exp为自然对数的底，j为虚数单位，t为时间，ν0为初始光频率，
Figure BDA0002373942600000062
为激光器输出光信号的瞬时相位噪声。激光信号通过光耦合器分成两路，一路经过延时为τ的光纤延迟，另一路经过声光调制器，频率搬移了fM，平衡光电探测器接收的电信号可以表征为：
Figure BDA0002373942600000063
其中，η为平衡光电探测器的灵敏度。
上述接收信号的相位噪声频域特性
Figure BDA0002373942600000071
可以采用以下关系，基于激光器频率噪声谱Sν(f)转换得到：
Figure BDA0002373942600000072
上述接收信号的归一化功率谱密度可以采用以下关系，基于激光器频率噪声谱转换得到：
Figure BDA0002373942600000073
其中，
Figure BDA0002373942600000074
Figure BDA0002373942600000075
代表接收信号相位噪声的自相关特性，可以通过相位噪声频域信息转换得到。
图3是采用上述方法得到的光相干系统性能评估结果，与实验实测得到接收信号的功率谱密度对比，黑色是实验实测的功率谱密度，灰色是本发明实施例提供的方法得出的评估结果，不难看出，评估结果与实测结果吻合。因此，本发明能够精确地分析激光器频率噪声对光相干系统的影响。
不难发现，本发明实施例公开的方法基于激光器频率噪声频域特性的测量，可以精确评估任意激光器的相位噪声对光相干系统影响，进而得到任意相位噪声特性的激光器和任意光纤延迟作用下，延迟自外差相干系统的接收信号功率谱密度受激光器频率噪声影响的分析结果。分析结果可以精确地吻合实测接收信号功率谱密度，突破了基于线宽进行光相干系统性能分析精度有限的难点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法，其特征在于，包括：
S1：基于激光器频率噪声频域特性，通过相位噪声谱和频率噪声谱的转换关系，得到光相干系统接收信号的相位噪声频域信息；
S2：使用得到的相位噪声频域信息，构建任意光纤延时下，接收信号相位噪声的自相关特性；
S3：根据得到的接收信号相位噪声的自相关特性，计算接收信号的自相关信息；
S4：根据得到的接收信号的自相关信息，计算光相干系统接收信号的功率谱密度，分析激光器频率噪声对光相干系统的影响，对系统性能进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法，其特征在于，所述相位噪声谱和频率噪声谱的转换关系为：
Figure FDA0002853032730000011
式中，
Figure FDA0002853032730000012
为相位噪声谱，即相位噪声频域信息，Sν(f)为频率噪声谱，f为频率，τ为光纤延时。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法，其特征在于，自相关信息的计算公式为：
Figure FDA0002853032730000013
式中，
Figure FDA0002853032730000014
为接收信号相位噪声的自相关特性，exp为自然对数的底。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法，其特征在于，光相干系统接收信号的功率谱密度的计算公式为：
Figure FDA0002853032730000015
式中，Si(f)表示光相干系统接收信号的功率谱密度，exp为自然对数的底，G(f)为接收信号的归一化功率谱密度，
Figure FDA0002853032730000023
为相位噪声的标准差，fM为调制频率。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光器频率噪声谱的光相干系统性能评估方法，其特征在于，所述接收信号的归一化功率谱密度G(f)的计算公式为：
Figure FDA0002853032730000021
式中，
Figure FDA0002853032730000022
为接收信号的自相关信息。
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