CN115242299A - 基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试装置及方法，涉及光电技术领域，包括待测激光器、电光强度调制器、光耦合器、偏置点控制器、低相噪微波信号源、光电探测器和相位噪声分析仪；其中，待测激光器输出直流光进入到电光强度调制器、电光强度调制器的偏压端口由一个偏置点控制器控制，低相噪微波信号源输出频率为fc的单音信号驱动电光强度调制器的微波输入端口，电光强度调制器的输出光信号通过光耦合器分束，一部分作为反馈信号反馈到偏置点控制器，另外一部分直接进入到光电探测器，产生频率为fc的微波信号；所述光电探测器的输出进入相位噪声分析仪。

Description

基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试装置及方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域，更具体的是涉及基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试装置及方法。
背景技术
激光器是光通信、微波光子系统的核心关键器件之一，其噪声对上述系统的性能影响较大。一般而言，激光器的噪声主要由相位噪声与相对强度噪声组成，其中相对强度噪声与激光器输出功率成正比，它决定了高功率情况下光通信和微波光子链路输出信号的信噪比、系统的动态范围等关键指标。因此，准确地测量激光器的相对强度噪声，对光通信和微波光子链路的设计以及仿真分析起到至关重要的作用。
目前，针对激光器相对强度噪声的测试方法主要是直接测量法(R.Pillai,E.Garmire and P.Menendez-Valdes,Relative intensity noise of laser-diodearrays[J],IEEE Photonics Technology Letters,1991,3(11):968-970.)，此方法将激光器的输出直接连接到光电探测器的输入光口，产生的光电流由低噪声放大器放大后输入到频谱仪检测分析。直接法测量激光器相对强度噪声，测试系统简单可靠，但过于依赖低噪声放大器的放大以及噪声性能，测量灵敏度难以低于-160dBc/Hz。为了降低直接测量法对放大器噪声性能的要求，吉林大学戴逸松教授在直接测量法的基础上提出了互谱测量法(戴逸松，微弱随机信号功率谱的互相关测量原理及性能研究[J]，计量学报，1991，12(4):10)，此方法将光电探测器输出的光电流分成两路，分别由不同的低噪声放大器放大，再使用互谱仪对两路信号进行采集并分析。互谱估计法降低了测量系统对放大器的噪声性能的要求，但受限于互谱仪的模拟带宽，无法测量激光器的高频相对强度噪声。
直接测量法与互谱估计法，都需要低噪声放大器对光电转换后的光电流信号进行放大，不可避免地在低频段引入f-1噪声等有色噪声，这极大地降低了系统在低频段的测量灵敏度，有色噪声较大时甚至无法测量。目前已推出的商用相对强度噪声测试仪都是基于直接测量法，例如：Agilent 4371A，SYCATUS A0010A，这些测试系统的测量频率范围一般在10MHz以上。然而，随着近些年微波光子技术的发展，已广泛应用于宽带无线接入、传感网络、雷达卫星通信等领域，激光器低频相对强度噪声显得尤为重要。例如在基于微波光子学的多普勒雷达系统中，激光器低频相对强度噪声直接影响了探测信号的相位噪声，进而影响了探测精度与灵敏度。
综上所述，目前激光器相对强度噪声的测试都是基于直接测量法，需要低噪声放大器对信号进行放大，对放大器性能的放大和噪声性能要求较高。同时，放大器会引入f-1噪声等有色噪声，使得低频处的激光器相对强度噪声的测试变得尤为困难。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试方法。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试装置，包括待测激光器、电光强度调制器、光耦合器、偏置点控制器、低相噪微波信号源、光电探测器和相位噪声分析仪；
其中，待测激光器输出直流光进入到电光强度调制器、电光强度调制器的偏压端口由一个偏置点控制器控制，低相噪微波信号源输出频率为fc的单音信号驱动电光强度调制器的微波输入端口，电光强度调制器的输出光信号通过光耦合器分束，一部分作为反馈信号反馈到偏置点控制器，另外一部分直接进入到光电探测器，产生频率为fc的微波信号；所述光电探测器的输出进入相位噪声分析仪。
一种基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试方法，基于权利要求1所述的装置，包括以下步骤：
步骤1：通过直接测试法测量待测激光器中高频段的相对强度噪声RIN(f)，选取相对强度噪声最低的频点作为后续测试过程中载波的频率fc；
步骤2：低相噪微波信号源直接输出频率为fc的微波信号到相位噪声分析仪，测试得到微波信号的相位噪声S1(foffset)与功率P1；
步骤3：低相噪微波信号源输出频率为fc的微波信号到一个微波光子链路，其中，待测激光器输出连续波激光到电光强度调制器，电光强度调制器的微波端口由上述微波信号驱动，电光强度调制器的直流偏置由一个偏置点控制器控制，电光强度器的输出进入到光电探测器完成光电转换，产生频率为fc的微波信号。
步骤4：光电探测器产生的光电流输入到电流表，测量其平均电流，用于计算散粒噪声Nshot；
步骤5：光电探测器产生的频率为fc的微波信号，直接输入到相位噪声分析仪中，测量其相位噪声S2(foffset)与功率P2。
步骤6：根据输入与输出微波光子链路的微波信号的相位噪声S1(foffset)、S2(foffset)，以及直接测量的微波信号的中高频频段相对强度噪声RIN(f)，散粒噪声Nshot(f)和热噪声Nthermal(f)，计算求出待测激光器的低频相对强度噪声。
作为一种可选方案，所述待测激光器的输出光信号E(t),如公式一所示：
Figure BDA0003750474740000031
其中，
Figure BDA0003750474740000032
为平均光功率，ΔP(t)为光功率的抖动。即强度噪声，需要注意的是，<ΔP(t)>＝0
4.根据权利要求3所述的一种基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试方法，其特征在于，所述光信号在强度调制器中受到频率为fc微波信号的强度调制，并在光电探测器完成光电转换产生光电流I(t)，如公式二所示：
Figure BDA0003750474740000041
其中，η为光电探测器6的响应度，α为光链路的损耗，m和φdc分别为电光强度调制器2的调制系数和直流偏压引入的相移，t为时间；
用贝塞尔函数展开，并且忽略高阶项，此时光电流I(t)，如公式三所示：
Figure BDA0003750474740000042
其中，Idc为平均光功率对应的直流光电流，Irin(t)为光功率抖动对应的噪声电流，Jn(x)为n阶Bessel函数；
根据公式三中
Figure BDA0003750474740000043
进一步在频域分析此光电流，如公式四所示：
I(f)＝[Idcδ(0)+Irin(f)]*[(1+cosφdcJ0(m))δ(0)+sinφdcJ1(m)δ(fc)+sinφdcJ1(m)δ(-fc)]
＝(1+cosφdcJ0(m))Idcδ(0)+(1+cosφdcJ0(m))Irin(f)+sinφdcIdcJ1(m)δ(fc)+sinφdcJ1(m)Irin(f+fc)+sinφdcIdcJ1(m)δ(-fc)+sinφdcJ1(m)Irin(f-fc)
(4)
其中，Irin(f)为噪声电流Irin(t)对应的的频谱，δ(x)为狄拉克函数。
频率fc附近的噪声包含两个部分：相对强度噪声和上变频fc后的相对强度噪声(即低频段的相对强度噪声)；同时，再考虑到散粒噪声与热噪声，上述四种噪声的功率谱密度分别用公式五、公式六、公式七、公式八表示：
Figure BDA0003750474740000044
Nrin2(f)＝[sinφdcJ1(m)Irin(f-fc)]2R (6)
Nshot(f)＝2e(1+cosφdc)IdcR (7)
Nthermal(f)＝kBT (8)
其中，Nrin1(f)，Nrin2(f)，Nshot(f)，Nthermal(f)分别为激光器相对强度噪声功率谱，通过微波光子链路上变频后的激光器相对强度噪声功率谱，散粒噪声功率谱，热噪声功率谱。，R、e、kB和T分别代表阻抗、电子电荷量、玻尔兹曼常数和热力学温度；
上述四种噪声在窄带内均可视为白噪声，因此可利用白噪声到相位噪声的传递关系，计算出微波光子链路输出信号的相位噪声的劣化程度：
Figure BDA0003750474740000051
其中，b(f)表示相位噪声的劣化程度，P2为微波光子链路输出射频信号的功率。
作为一种可选方案，上述测量或计算得到的参数，以及式(5)-(9)，可建立等式(10)求得激光器低频相对强度噪声：
Figure BDA0003750474740000052
其中，foffset＝f-fc，Idc为微波光子链路输出平均光电流，R为阻抗，RIN(f)为激光器相对强度噪声，P2为微波光子链路输出射频信号的功率，e为电子电荷量，kB为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。
本发明的有益效果如下：
1、光电探测器输出的光电流无需经过低噪声放大器放大，摆脱了对放大器的依赖；
2、将激光器低频相位噪声测量转移为中高频处相位噪声测量，且无需使用低噪声放大器，因此避免了f-1噪声等有色噪声的影响，使得系统可以测量激光器低频相对强度噪声。
附图说明
图1是本发明的装置结构和原理示意图。
图2是用直接测试法测量激光器相对强度噪声的结构装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试装置，包括待测激光器、电光强度调制器、光耦合器、偏置点控制器、低相噪微波信号源、光电探测器和相位噪声分析仪；
其中，待测激光器输出直流光进入到电光强度调制器、电光强度调制器的偏压端口由一个偏置点控制器控制，低相噪微波信号源输出频率为fc的单音信号驱动电光强度调制器的微波输入端口，电光强度调制器的输出光信号通过光耦合器分束，一部分作为反馈信号反馈到偏置点控制器，另外一部分直接进入到光电探测器，产生频率为fc的微波信号；所述光电探测器的输出进入相位噪声分析仪。
由于微波光子链路存在着各种噪声，包括相对强度噪声、热噪声和散粒噪声，因此相较于输入微波光子链路的微波信号(此例中为低相噪微波信号源4输出的频率为fc微波信号)，输出微波光子链路的微波信号(此例中为光电探测器产生的频率为fc微波信号)的相位噪声会明显劣化。当微波光子链路中的光功率较高时，相对强度噪声在噪声中占主导地位，通过对比输入和输出微波光子链路的微波信号的相位噪声，可以计算得到待测激光器1在低频处的相位噪声。
实施例2
在实施例1的基础上，说明激光器的相位噪声与微波光子链路输出信号相位噪声的传递关系，具体传递过程如下所示：
待测激光器1的输出光信号可以表示为：
Figure BDA0003750474740000071
其中，
Figure BDA0003750474740000072
为平均光功率，ΔP(t)为光功率的抖动，即强度噪声，需要注意的是，<ΔP(t)>＝0。此光信号在强度调制器2中受到频率为fc微波信号的强度调制，并在光电探测器6完成光电转换，产生的光电流可表示为：
Figure BDA0003750474740000073
其中，η为光电探测器6的响应度，α为光链路的损耗，m和φdc分别为电光强度调制器2的调制系数和直流偏压引入的相移。用贝塞尔函数展开，并且忽略高阶项，此时光电流可以表示为：
Figure BDA0003750474740000074
式中
Figure BDA0003750474740000075
在频域分析此光电流：
I(f)＝[Idcδ(0)+Irin(f)]*[(1+cosφdcJ0(m))δ(0)+sinφdcJ1(m)δ(fc)+sinφdcJ1(m)δ(-fc)]
＝(1+cosφdcJ0(m))Idcδ(0)+(1+cosφdcJ0(m))Irin(f)+sinφdcIdcJ1(m)δ(fc)+sinφdcJ1(m)Irin(f+fc)+sinφdcIdcJ1(m)δ(-fc)+sinφdcJ1(m)Irin(f-fc)
(4)
可见，频率fc附近的噪声包含两个部分：相对强度噪声和上变频fc后的相对强度噪声(即低频段的相对强度噪声)。同时，再考虑到散粒噪声与热噪声，上述四种噪声的功率谱密度分别可表示为：
Figure BDA0003750474740000081
Nrin2(f)＝[sinφdcJ1(m)Irin(f-fc)]2R (6)
Nshot(f)＝2e(1+cosφdc)IdcR (7)
Nthermal(f)＝kBT (8)
其中，R、e、kB和T分别代表阻抗、电子电荷量、玻尔兹曼常数和热力学温度。
需要注意的是，上述四种噪声在窄带内均可视为白噪声，因此可利用白噪声到相位噪声的传递关系，计算出微波光子链路输出信号的相位噪声的劣化程度：
Figure BDA0003750474740000082
其中，b(f)表示相位噪声的劣化程度，P2为微波光子链路输出射频信号的功率。
根据上述的微波光子链路的噪声与信号相位噪声的传递关系，本发明的具体实施方法说明如下：
步骤1.通过如图2所示的相对强度噪声直接测量法，直接测量待测激光器中频段的相对强度噪声RIN(f)，选取相对强度噪声最低的频点fc作为后续测试中微波信号的频率；
步骤2.低相噪微波信号源输出频率为fc的微波信号到相位噪声分析仪，测得微波信号的相位噪声S1(foffset)；
步骤3.微波光子链路中，电光强度调制在偏置在一个合适的偏置点φdc，低相噪微波信号源输出频率为fc的微波信号驱动电光强度调制器的微波端口，电光调制器的输出光信号直接进入到光电探测器产生光电流，其中频率为fc的信号的相位噪声S2(foffset)和功率P2由相位噪声分析仪测量得到。
步骤4.使用电流表测量光电探测器输出信号的平均光电流
Figure BDA0003750474740000092
步骤5.根据测量得到的平均光电流
Figure BDA0003750474740000093
可以计算散粒噪声的归一化功率谱密度：
Figure BDA0003750474740000094
步骤6.根据上述测量或计算得到的参数，以及式(5)-(9)，可建立等式(10)求得激光器低频相对强度噪声：
Figure BDA0003750474740000091
其中，foffset＝f-fc。根据上述等式，可以求得激光器低频相对强度噪声。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试装置，其特征在于，包括待测激光器、电光强度调制器、光耦合器、偏置点控制器、低相噪微波信号源、光电探测器和相位噪声分析仪；
其中，待测激光器输出直流光进入到电光强度调制器、电光强度调制器的偏压端口由一个偏置点控制器控制，低相噪微波信号源输出频率为fc的单音信号驱动电光强度调制器的微波输入端口，电光强度调制器的输出光信号通过光耦合器分束，一部分作为反馈信号反馈到偏置点控制器，另外一部分直接进入到光电探测器，产生频率为fc的微波信号；所述光电探测器的输出进入相位噪声分析仪。
2.一种基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试方法，其特征在于，基于权利要求1所述的装置，包括以下步骤：
步骤1：通过直接测试法测量待测激光器中高频段的相对强度噪声RIN(f)，选取相对强度噪声最低的频点作为后续测试过程中载波的频率fc；
步骤2：低相噪微波信号源直接输出频率为fc的微波信号到相位噪声分析仪，测试得到微波信号的相位噪声S1(foffset)与功率P1；
步骤3：低相噪微波信号源输出频率为fc的微波信号到一个微波光子链路，其中，待测激光器输出连续波激光到电光强度调制器，电光强度调制器的微波端口由上述微波信号驱动，电光强度调制器的直流偏置由一个偏置点控制器控制，电光强度器的输出进入到光电探测器完成光电转换，产生频率为fc的微波信号。
步骤4：光电探测器产生的光电流输入到电流表，测量其平均电流，用于计算散粒噪声Nshot；
步骤5：光电探测器产生的频率为fc的微波信号，直接输入到相位噪声分析仪中，测量其相位噪声S2(foffset)与功率P2。
步骤6：根据输入与输出微波光子链路的微波信号的相位噪声S1(foffset)、S2(foffset)，以及直接测量的微波信号的中高频频段相对强度噪声RIN(f)，散粒噪声Nshot(f)和热噪声Nthermal(f)，计算求出待测激光器的低频相对强度噪声。
3.根据权利要求1所述的一种基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试方法，其特征在于，所述待测激光器的输出光信号E(t),如公式一所示：
Figure FDA0003750474730000021
其中，
Figure FDA0003750474730000025
为平均光功率，ΔP(t)为光功率的抖动。
4.根据权利要求3所述的一种基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试方法，其特征在于，所述光信号在强度调制器中受到频率为fc微波信号的强度调制，并在光电探测器完成光电转换产生光电流I(t)，如公式二所示：
Figure FDA0003750474730000022
其中，η为光电探测器6的响应度，α为光链路的损耗，m和φdc分别为电光强度调制器2的调制系数和直流偏压引入的相移，t为时间；
用贝塞尔函数展开，并且忽略高阶项，此时光电流I(t)，如公式三所示：
Figure FDA0003750474730000023
其中，Idc为平均光功率对应的直流光电流，Irin(t)为光功率抖动对应的噪声电流，Jn(x)为n阶Bessel函数；
根据公式三中
Figure FDA0003750474730000024
进一步在频域分析此光电流，光电流的频谱I(f)如公式四所示：
Figure FDA0003750474730000031
其中，Irin(f)为噪声电流Irin(t)对应的的频谱，δ(x)为狄拉克函数。
频率fc附近的噪声包含两个部分：相对强度噪声和上变频fc后的相对强度噪声；同时，再考虑到散粒噪声与热噪声，上述四种噪声的功率谱密度分别用公式五、公式六、公式七、公式八表示：
Figure FDA0003750474730000033
Nrin2(f)＝[sinφdcJ1(m)Irin(f-fc)]2R (6)
Nshot(f)＝2e(1+cosφdc)IdcR (7)
Nthermal(f)＝kBT (8)
其中，Nrin1(f)，Nrin2(f)，Nshot(f)，Nthermal(f)分别为激光器相对强度噪声功率谱，通过微波光子链路上变频后的激光器相对强度噪声功率谱，散粒噪声功率谱，热噪声功率谱，R、e、kB和T分别代表阻抗、电子电荷量、玻尔兹曼常数和热力学温度；
上述四种噪声在窄带内均可视为白噪声，因此可利用白噪声到相位噪声的传递关系，计算出微波光子链路输出信号的相位噪声的劣化程度：
Figure FDA0003750474730000032
其中，b(f)表示相位噪声的劣化程度，P2为微波光子链路输出射频信号的功率。
5.根据权利要求4所述的一种基于微波光子链路的低频相对强度噪声测试方法，其特征在于，上述测量或计算得到的参数，以及式(5)-(9)，可建立等式(10)求得激光器低频相对强度噪声：
Figure FDA0003750474730000041
其中，foffset＝f-fc，Idc为微波光子链路输出平均光电流，R为阻抗，RIN(f)为激光器相对强度噪声，P2为微波光子链路输出射频信号的功率，e为电子电荷量，kB为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。
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