CN113776781A - 一种窄线宽激光器相位噪声测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电技术领域，提出了一种窄线宽激光器相位噪声测量系统，包括待测直流激光器、光隔离器、光耦合器、延时光纤、法拉第旋转反射镜、第一偏振控制器、第二偏振控制器、相干接收模块、数据采集模块和离线数字信号处理模块，利用延时模块对光信号进行延时，利用相干接收模块对本振光、信号光进行相干解调，恢复出带激光器相位噪声信息的同向分量、正交分量（I/Q），利用离线数字处理模块恢复出激光器相位噪声和线宽；通过上述部件的协作，本发明可以减少相干检测系统的延时光纤长度，并对光信号的偏振稳定控制有一定的帮助，能同时得到激光器的相位噪声和线宽特性，并能测量线宽低于10kHz的激光器；本发明优点在于结构简单，易操作。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种窄线宽激光器相位噪声测量系统——带法拉第旋转反射镜的自零差光相干接收系统。
背景技术
随着互联网应用的快速发展，社会对通信容量的需求正在急剧增加，引入高阶调制格式和超密集波分复用的光通信可以满足日益增长的通信容量需求。这一类光通信的快速发展离不开各种高性能的光电子器件，如窄线宽激光器、高速调制器和高速探测器等。其中，窄线宽半导体激光器具有线宽窄、噪声低、频率稳定性高和相干性高的优良特性，可利用其超窄的光谱线宽和高相干特性，来实现光通信的高速和大容量传输。因此，对窄线宽激光器的线宽精确测量有着重要的意义。同时，这些光通信系统容易受到激光相位和频率不稳定的影响。激光器的相位噪声过大会导致相干通信系统的星座图相位发生旋转，从而无法分开各个星座点。所以，精确地表征窄线宽激光器的线宽和相位噪声具有重大意义。
传统的测量激光器相位噪声的方法包括鉴相法、鉴频法和相干法。鉴相法是通过混频器将待测激光器信号与参考激光器信号进行混频，将待测激光器的相位抖动转化为强度抖动，通过测量强度变化就可得到相位噪声；但是鉴相法需要参考激光器频率与待测激光器频率相同，实际上不能保证两者频率一致。鉴频法是将激光器频率抖动先转为相位抖动，再将相位抖动以强度变化的形式表征出来；鉴频法中的鉴频器可以是移相器、法布里-珀罗腔、马赫-曾德干涉仪，鉴频系统结构简单，精度受响应曲线斜率限制，测量带宽不高。基于相位调制的相干法探测法是将分别经过长延时光纤和相位调制器的两路信号拍频，从拍频信号的第一谐波和第二谐波中恢复出带激光器相位噪声信息的同向分量与正交分量(I/Q)，最后恢复出激光器的频率调制(FM)噪声。自零差光相干接收法不需要相位调制，可直接从载波处恢复出I、Q信号。FM噪声功率谱被定义为瞬时频率的功率谱，所以FM噪声谱能够得到更加全面的相位噪声信息，带相位调制的延迟自外差法和自零差光相干接收法被广泛用于测量FM噪声谱，但是这两种方法需要较长的延时光纤，且需要严格的偏振控制。
传统线宽测量方法使用较多的是移频延时自外差法，把待测激光器的一部分光作为参考光经过长延时光纤，另一部分作为信号光经过移频器移频，两者产生拍频，从拍频信号可确定待测激光器的线宽。延时自外差法只能测量激光器的线宽值，且系统需要长延时光纤去除相干性，但是延时光纤过长会导致拍频信号展宽，因此不适于窄线宽激光器线宽测量。
综上所述，传统线宽测量方法不适用于窄线宽激光器，且只能得到激光器的线宽值，不能表征激光器的相位噪声。而目前提出的测量激光器相位噪声系统主要存在以下问题：鉴相法和鉴频法测量带宽小，相干法需要长延时光纤，且偏振不易控制。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明提出一种窄线宽激光器相位噪声测量系统。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种窄线宽激光器相位噪声测量系统，包括待测直流激光器、光隔离器、光耦合器、延时光纤、法拉第旋转反射镜、第一偏振控制器、第二偏振控制器、相干接收模块、数据采集模块、离线数字信号处理模块；其中，所述光耦合器为非定向耦合器，具有四个端口，分别是a端口、b端口、c端口和d端口。其特征在于，当光耦合器的a端口和b端口作为输入时，c端口和d端口为输出端口，当耦合器的c端口和d端口作为输入时，a端口和b端口为输出端口，优选地，光耦合器分光比为50/50。
进一步的，所述待测直流激光器的输出端与光隔离器的输入端连接，光隔离器输出端与光耦合器的a输入端连接，所述光耦合器的c输出端与延时光纤的输入端连接，延时光纤输出端与法拉第旋转反射镜的输入端连接，光耦合器的d输出端与第一偏振控制器的输入端连接，光耦合器的b输出端与第二偏振控制器的输入端连接,第一偏振控制器和第二偏振控制器的输出端分别与相干接收模块的输入端相连，相干接收模块的输出端连接数据采集模块，采集到的输出信号使用离线数字信号处理模块进行处理。
进一步的，所述待测直流激光器产生单频的直流光载波，所述光隔离器是为了防止被法拉第旋转反射镜反射回来的光进入待测直流激光器。
进一步的，所述光耦合器将单频直流光载波分成两路信号，从c端口和d端口输出，分别作为信号光和本振光。
进一步的，所述延时光纤用于消除本振光与信号光之间的干涉，满足延时时间T远远大于相干时间τc；优选地，延时光纤采用单模光纤。
进一步的，所述法拉第旋转反射镜主要用于光信号反射，同时增强系统中光信号的偏振稳定性；优选地，所述法拉第旋转反射镜选用与待测激光器相同波段的法拉第旋转反射镜。
进一步的，所述第一偏振控制器和第二偏振控制器的作用是调节信号光和本振光的偏振特性；优选地，第一偏振控制器和第二偏振控制器选用与待测激光器相同波段的偏振控制器。
进一步的，所述相干接收模块主要用于对信号光和本振光进行I/Q解调，优选地，所述相干接收器使用高带宽相干接收模块。
进一步地，数据采集模块采集I、Q信号并传入离线数字信号处理模块进行信号处理；优选地，数据采集模块选择高速、大宽带示波器。
需要说明的是：所述系统解调的I、Q为正交信号，携带激光器相位噪声信息，在离线数字信号处理模块中对采集的I、Q信号进行数据处理，可以恢复出激光器的FM噪声功率谱并求出其线宽。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明利用法拉第旋转反射镜，可以减少相干检测系统中延时光纤的使用，且增加了系统光信号的偏振稳定性，测量带宽大，更换不同的激光器，均可快速测量其相位噪声和线宽。
(2)本发明相比于传统的相干检测法，不需过长的延时光纤，能提高系统光信号偏振稳定性，且能同时得到激光器的相位噪声和线宽参数，可以测量线宽低于10kHz的激光器。
附图说明
图1本发明提供的系统结构示意图；
图2本发明提供的系统解调光信号时域示意图；
图3本发明提供的系统FM噪声功率谱图。
图中：1-待测直流激光器、2-光隔离器、3-光耦合器、4-延时光纤、5-法拉第旋转反射镜、6-第一偏振控制器、7-第二偏振控制器、8-相干接收模块、9-数据采集模块、10-离线数字信号处理模块。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1～3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。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。
本发明提供了一种窄线宽激光器相位噪声测量系统，包括待测直流激光器1、光隔离器2、光耦合器3、延时光纤4、法拉第旋转反射镜5、第一偏振控制器6、第二偏振控制器7、相干接收模块8、数据采集模块9和离线数字信号处理模块10，其中：光隔离器2是为了防止被法拉第旋转反射镜5反射回来的光进入待测直流激光器1，离线数字信号处理模块10用于恢复待测直流激光器1的相位噪声和线宽。
本实施例中，待测直流激光器1选用1550nm波段可调谐窄线宽激光器，需要说明的是，在实际运用中待测直流激光器1的选取并不限于1550nm波段可调谐窄线宽激光器；光耦合器3为非定向耦合器，本实施例中其耦合比率为50/50。
作为优选的，延时光纤4选择为长度为10.25km的单模光纤；法拉第旋转反射镜5工作波段与待测直流激光器1波段一致，采用1550nm波段法拉第旋转反射镜5，第一偏振控制器6和第二偏振控制器7选用与待测直流激光器1波段一致的1550nm波段偏振控制器，相干接收模块8带宽为20GHz，数据采集模块9采用大带宽的高速示波器，采样速率为25GSa/s，采样点数500kSa，离线数字信号处理模块10用于恢复待测激光器的相位噪声和线宽。
本发明中的实施步骤和原理如下：
待测直流激光器1产生中心频率为f0的直流光载波，输出光场表示为
其中A为光信号振幅，
为激光器相位噪声，i是虚数单位，ω0＝2πf0。光耦合器3将光载波分为两个支路，分别从光耦合器3的c端口和d端口输出。从c端口输出的光载波通过延时光纤4，经法拉第旋转反射镜5反射后再次经过延时光纤4，从光耦合器3的b端口输出，连接第二偏振控制器7，作为相干接收模块8的信号光，此时信号光光场表示为：
其中T为经过延时光纤所需要的时间。从光耦合器3的d端口输出的光载波连接第一偏振控制器6，直接作为相干接收模块8的本振光，此时本振光光场表示为：
相干接收模块8将本振光与信号光进行正交解调，可得到带有激光器相位差
信息的I、Q信号，I、Q信号可以表示为：
其中R为光电探测器的响应度，相位差
从数据采集模块9中捕获I、Q信号如图2(a)、(b)所示。将这两路正交信号传入离线数字信号处理模块10中进行数据处理，就可以恢复出原信号的复振幅：
根据复振幅E(t)可得到
通过傅里叶变换方式计算差分相位噪声的功率谱
差分相位噪声功率谱
与FM噪声功率谱SFM(f)关系如(6)式。
其中τ为时间间隔。从(6)式进一步确定激光器的FM噪声功率谱，如图3所示。从FM噪声功率谱中可以得到白噪声S0，根据白噪声与线宽关系式(7)可求得激光器线宽Δυ：
Δυ＝π×S0 (7)
从图3中可以看到，此待测激光器FM噪声功率谱如虚线所示的白噪声出现在10MHz～100MHz范围内。根据(7)式得到待测激光器线宽Δυ＝6.881kHz。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种窄线宽激光器相位噪声测量系统，其特征在于：包括待测直流激光器（1）、光隔离器（2）、光耦合器（3）、延时光纤（4）、法拉第旋转反射镜（5）、第一偏振控制器（6）、第二偏振控制器（7）、相干接收模块（8）、数据采集模块（9）和离线数字信号处理模块（10）；
所述光耦合器（3）为非定向耦合器，具有四个端口，分别是a端口、b端口、c端口和d端口，其特征在于，当光耦合器（3）的a端口和b端口作为输入时，c端口和d端口为输出端口，当耦合器（3）的c端口和d端口作为输入时，a端口和b端口为输出端口，所述光耦合器（3）分光比为50/50；所述待测直流激光器（1）的输出端与光隔离器（2）的输入端连接，所述光隔离器（2）的输出端与光耦合器（3）的a输入端连接，所述光耦合器（3）的c输出端与延时光纤（4）的输入端连接，延时光纤（4）的输出端与法拉第旋转反射镜（5）的输入端连接，所述光耦合器（3）的d输出端与第一偏振控制器（6）的输入端连接，所述光耦合器（3）的b输出端与第二偏振控制器（7）的输入端连接，所述第一偏振控制器（6）和第二偏振控制器（7）的输出端分别与相干接收模块（8）的两个输入端相连，所述相干接收模块（8）的输出端与数据采集模块（9）的输入端连接，并将采集到的输出信号使用离线数字信号处理模块（10）进行处理。
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系统，其特征在于：所述待测直流激光器（1）产生单频的直流光载波；
所述光隔离器（2）用于防止被法拉第旋转反射镜（5）反射回来的光进入待测直流激光器（1）；
所述光耦合器（3）将单频直流光载波分成两路信号，分别从c端口和d端口输出为信号光和本振光。
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系统，其特征在于：所述延时光纤（4）用于消除本振光与信号光之间的干涉，所述延时光纤（4）的延时时间远远大于相干时间。
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系统，其特征在于：所述法拉第旋转反射镜（5）用于光信号反射，同时增强系统中光信号的偏振稳定性，所述法拉第旋转反射镜（5）选用与待测直流激光器（1）相同波段的法拉第旋转反射镜（5）。
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系统，其特征在于：所述第一偏振控制器（6）和第二偏振控制器（7）用于调节信号光和本振光的偏振特性；所述第一偏振控制器（6）和第二偏振控制器（7）选用与待测直流激光器（1）相同波段的偏振控制器。
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系统，其特征在于：所述相干接收模块（8）用于对信号光和本振光进行I/Q解调。
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系统，其特征在于：所述数据采集模块（9）采集I、Q信号传入离线数字信号处理模块（10）进行信号处理。
8.根据权利要求7所述的一种窄线宽激光器相位噪声测量系统，其特征在于：所述I、Q信号为正交信号。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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