CN111934781B - 一种激光器高斯白噪声相位调制线宽展宽实现装置 - Google Patents

一种激光器高斯白噪声相位调制线宽展宽实现装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光器高斯白噪声相位调制线宽展宽实现装置，包括高斯白噪声源模块、射频放大模块、可调衰减模块、射频信号检测反馈模块、激光器和电光调制器；高斯白噪声源模块：产生特定频率带宽和功率强度的高斯白噪声信号；射频放大模块：实现大带宽、低噪声、特定增益的信号放大功能；可调衰减模块：实现可编程精细化射频信号衰减功能；射频信号检测反馈模块：实现射频信号功率强度检测并提供与设定信号功率相关的反馈信息激光器：提供特定光功率和波长的窄线宽激光输出；电光调制器：提供特定频率带宽、波长范围的电光相位调制功能。本发明实现了集成化高品质激光器线宽展宽。

Description

一种激光器高斯白噪声相位调制线宽展宽实现装置
技术领域
本发明属于光纤陀螺技术领域，涉及激光器线宽展宽，具体涉及一种激光器高斯白噪声相位调制线宽展宽实现装置。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的全固态陀螺，具有可靠性高、寿命长、动态范围宽、抗冲击振动、体积小、质量轻、精度覆盖范围广、适合大批量生产等特点。历经四十余年不懈的技术与工程应用研究，光纤陀螺已在海、陆、空、天等领域得到广泛应用，成为21世纪主流惯性仪表。
光纤陀螺通常采用相干长度较短的宽带光源，用于抑制Kerr效应、背向散射和偏振耦合等引起的振幅型噪声与漂移，使其低至可接受水平，造就了光纤陀螺巨大的商业成功。然而，宽带光源固有的光学特性同样带来了光纤陀螺难以克服的性能弊端，凸显于长航时、高动态惯性导航应用中。一方面，光纤陀螺理论精度取决于散粒噪声，事实上宽带光源具有较大的相对强度噪声，远大于散粒噪声，导致光纤陀螺实际最小可探测速率受限于宽带光源。为了实现光纤陀螺高精度应用，不得不采取强度噪声抑制措施，增加了陀螺的复杂性和成本。另一方面，宽带光源平均波长稳定性提升手段匮乏，导致光纤陀螺标度因数稳定性提升受限，使光纤陀螺在高动态应用中受到限制。
面对宽带光源带来的机理性缺陷，激光器驱动干涉型光纤陀螺技术成为研究热点，该技术的优势主要体现在：①激光器相对强度噪声小，结合线宽展宽技术有潜力逼近陀螺理论精度；②带温控的激光器波长稳定性优异，光纤陀螺标度因数稳定性有望提升一个数量级。③激光器价格便宜，易于光纤陀螺降低成本和实现小型化。
激光器光谱线宽较窄，则相干长度长，应用于光纤陀螺时，原本被低相干宽带光源抑制的Kerr效应、背向散射和偏振耦合等误差再次成为问题，需通过不影响波长稳定性的激光器线宽展宽技术加以抑制。通过电光相位调制可实现激光器高品质线宽展宽，基于电光晶体线性Pockels效应，外加电场改变波导折射率实现相位调制，相位调制对平均波长没有影响，保持了激光器光源固有的极佳波长稳定性，该相位调制线宽展宽方式是激光器驱动干涉型光纤陀螺的最佳选择。
经过相位调制后的激光器输出可表示为：
Figure BDA0002544658010000011
其中，E0为激光场的振幅，v0为激光器中心频率，
Figure BDA0002544658010000012
为与激光器线宽相关的相位噪声，/>
Figure BDA0002544658010000021
为通过光电调制器施加的相位调制。
经过调制后的激光器输出的功率密度Sout(v)是原始激光器功率谱密度Slaser(v)与相位调制引起的光场涨落的功率谱密度Sm(v)的的卷积，如式(2)所示，频域卷积具有线宽加宽效应。
Sout(v)＝Slaser(v)Sm(v) (2)
Figure BDA0002544658010000022
相位调制方式通常有三种，分别是正弦、伪随机序列和高斯白噪声相位调制。正弦相位调制线宽展宽程度与相位调制深度成正比，调制深度不能无限大，因此该调制方式对抑制陀螺相关噪声的效果有限。伪随机序列相位调制线宽展宽效果受限于光电调制器带宽，且调制后激光输出谱的自相关函数存在较多次相干峰，极易产生寄生干涉影响光纤陀螺精度。高斯白噪声相位调制方式无载波谐波产生，也无需超高带宽的高频电子线路，是干涉型光纤陀螺激光器线宽展宽的理想方式。但高斯白噪声调制信号功率强度与激光器线宽展宽程度密切相关，调制信号功率波动将造成激光器线宽展宽不稳定，极大影响激光器驱动干涉型光纤陀螺技术应用效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种激光器高斯白噪声相位调制线宽展宽实现装置。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案为：
一种激光器高斯白噪声相位调制线宽展宽实现装置，其特征在于：包括高斯白噪声源模块、射频放大模块、可调衰减模块、射频信号检测反馈模块、激光器和电光调制器；
所述高斯白噪声源模块，产生特定频率带宽和功率强度的高斯白噪声信号，输出声信号给射频放大模块；
所述射频放大模块，对输入的声信号进行功率强度预放大，使其处于合理的功率强度范围，并输出信号给可调衰减模块；
所述可调衰减模块：依据反馈信息对预放大输出的声信号进行精细化的衰减微调，形成满足功率强度要求的调制信号，并输出相位调制信号给电光调制器；
所述射频信号检测反馈模块：实时检测调制信号功率幅值，并将与设定的调制信号功率之差同步反馈给可调衰减模块，以调整衰减量形成相位调制信号实时闭环控制；
所述激光器：提供特定光功率和波长的窄线宽激光，并输出给电光调制器；
所述电光调制器：依据可调衰减模块提供的射频电学信号对来自激光器的输入光进行相位调制，以实现相位调制激光线宽展宽功能，并将线宽展宽后的光输出。
进一步的：所述射频信号检测反馈模块包括对数检波、模数转换、FPGA和串口芯片，对数检波芯片将输入的射频信号功率转换成与功率成正比的直流电平，模数转换芯片将直流电平数字化输入FPGA，FPGA将与功率成正比的数字量与预设功率值比较，差值作为调节量由串口芯片输出。
进一步的：所述激光器采用DFB激光器，波长1550nm，线宽10MHz，输出光功率10mW；所述电光调制器采用铌酸锂晶体，半波电压4V，调制带宽12GHz，插入损耗2.5dB；所述高斯白噪声模块频率带宽范围为10MHz至10GHz，高斯白噪声功率为-17dBm；所述射频放大模块频率带宽范围为300kHz至14GHz，增益60dB；所述可调衰减模块最高频率14GHz，衰减范围60dB，衰减微调分辨率0.5dB；所述射频信号检测反馈模块频率带宽范围为20kHz至20GHz。
本发明具有的优点和积极效果：
本发明通过特定高斯白噪声源、放大、衰减、检测与反馈等射频电路模块产生电光相位调制器所需的高稳定射频调制信号，利用相位调制信号闭环控制技术，解决了外界坏境干扰及自身器件变化带来的调制信号性能衰退问题，实现了集成化高品质激光器线宽展宽，支撑激光器驱动干涉型光纤陀螺技术工程化应用。
附图说明
图1是本发明激光器高斯白噪声相位调制线宽展宽实现装置的结构图；
图2是激光器原始光谱与经本发明线宽展宽后光谱对比参考图；
图3是本发明射频信号检测反馈模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
图1是本发明提出的一种激光器高斯白噪声相位调制线宽展宽实现装置的结构示意图，其中包括高斯白噪声源模块、射频放大模块、可调衰减模块、射频信号检测反馈模块、激光器和电光调制器。
所述高斯白噪声源模块：产生特定频率带宽和功率强度的高斯白噪声信号；
所述射频放大模块：实现大带宽、低噪声、特定增益的信号放大功能；
所述可调衰减模块：实现可编程精细化射频信号衰减功能，具有衰减动态范围宽、衰减线性度高、覆盖频率范围大、衰减量微调精细化等特点；
所述射频信号检测反馈模块：实现射频信号功率强度检测并提供与设定信号功率相关的反馈信息；
所述激光器：提供特定光功率和波长的窄线宽激光输出；
所述电光调制器：提供特定频率带宽、波长范围的电光相位调制功能，具有插入损耗小、半波电压低等特点。
信号传输过程如下：
1)高斯白噪声源模块产生的高斯白噪声信号进入射频放大模块，对该信号进行功率强度预放大，使其处于合理的功率强度范围；
2)预放大信号进入可调衰减模块，对该信号进行精细化的衰减微调，形成满足功率强度要求的调制信号；
3)微调信号分流进入射频信号检测反馈模块，实时检测调制信号功率幅值，并将与设定的调制信号功率之差同步反馈给可调衰减模块，以调整衰减量形成相位调制信号实时闭环控制，产生高稳定调制信号；
4)经闭环控制的信号进入电光调制器对其提供相位调制信号；
5)激光器输出的光进入被施加调制信号的电光调制器，完成激光器输出光外部相位调制，形成线宽被展宽的激光输出。
图2是激光器白噪声相位调制线宽展宽实现方法的具体实施效果，调制展宽的光谱成理想的高斯型，相位调制过程无载波谐波产生，能够实现激光器线宽高品质展宽。
上述各功能模块的型号及参数优选如下：
激光器采用DFB激光器，波长1550nm，线宽10MHz，输出光功率10mW。电光调制器采用铌酸锂晶体，半波电压4V，调制带宽12GHz，插入损耗2.5dB。高斯白噪声模块采用的信号为：NW10G-M，频率带宽范围为10MHz至10GHz，高斯白噪声功率为-17dBm。射频放大模块由三个射频放大器件串联构成，采用的型号分别为：ZVA-183W+、ZX60-14012L+和SHF 100CPP，频率带宽范围为300kHz至12GHz，总增益60dB。可调衰减模块的型号为：RUDAT-13G-60，最高频率14GHz，衰减范围60dB，衰减微调分辨率0.5dB，RS232串口控制。射频信号检测反馈模块具体电路参见图3，其中对数检波芯片型号为HMC948LP3E，模数转换芯片型号为AD9235，FPGA型号为Xilinx Spartan-6，串口芯片型号为MAX3490。
综上，本发明提出一种激光器高斯白噪声相位调制线宽展宽实现方法，采用射频模块集成设计，引入射频调制信号闭环控制理念，产生超稳定激光器线宽展宽输出光，并具有结构紧凑体积小的优点，大幅提升激光器驱动干涉型光纤陀螺性能和工程化应用水平，有助于光纤陀螺标度因数稳定性提升和精度极限突破。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种激光器高斯白噪声相位调制线宽展宽实现装置，其特征在于：包括高斯白噪声源模块、射频放大模块、可调衰减模块、射频信号检测反馈模块、激光器和电光调制器；
所述高斯白噪声源模块，产生特定频率带宽和功率强度的高斯白噪声信号，输出声信号给射频放大模块；
所述射频放大模块，对输入的声信号进行功率强度预放大，使其处于合理的功率强度范围，并输出信号给可调衰减模块；
所述可调衰减模块：依据反馈信息对预放大输出的声信号进行精细化的衰减微调，形成满足功率强度要求的调制信号，并输出相位调制信号给电光调制器；
所述射频信号检测反馈模块：实时检测调制信号功率幅值，并将与设定的调制信号功率之差同步反馈给可调衰减模块，以调整衰减量形成相位调制信号实时闭环控制；
所述激光器：提供特定光功率和波长的窄线宽激光，并输出给电光调制器；
所述电光调制器：依据可调衰减模块提供的射频电学信号对来自激光器的输入光进行相位调制，以实现相位调制激光线宽展宽功能，并将线宽展宽后的光输出；
所述射频信号检测反馈模块包括对数检波、模数转换、FPGA和串口芯片，对数检波芯片将输入的射频信号功率转换成与功率成正比的直流电平，模数转换芯片将直流电平数字化输入FPGA，FPGA将与功率成正比的数字量与预设功率值比较，差值作为调节量由串口芯片输出。
2.根据权利要求1所述的激光器高斯白噪声相位调制线宽展宽实现装置，其特征在于：所述激光器采用DFB激光器，波长1550nm，线宽10MHz，输出光功率10mW；所述电光调制器采用铌酸锂晶体，半波电压4V，调制带宽12GHz，插入损耗2.5dB；所述高斯白噪声源模块频率带宽范围为10MHz至10GHz，高斯白噪声功率为-17dBm；所述射频放大模块频率带宽范围为300kHz至14GHz，增益60dB；所述可调衰减模块最高频率14GHz，衰减范围60dB，衰减微调分辨率0.5dB；所述射频信号检测反馈模块频率带宽范围为20kHz至20GHz。
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