CN115396018A - 一种光纤放大器增益和噪声系数的测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤放大器增益和噪声系数的测试系统及方法，系统包括激光器，用于输出功率稳定的激光光源；1:1光耦合器，用于将所述的激光光源进行分束，一束输入至声光调制器及可调衰减器Ⅰ，另一束输入至可调衰减器Ⅱ；可调衰减器Ⅰ、可调衰减器Ⅱ，用于调整输出光信号的光功率；待测光纤放大器，用于增加可调衰减器Ⅱ输出的光信号的噪声；光混频器，用于对输入的两路光信号进行180度混频；探测器，用于将混频后的光信号转换成电信号；信号分析，用于对上述电信号模数转换后进行数字域分析，通过有无光纤放大器的两路数字域分析结果确定光纤放大器的增益和噪声系数。本发明可实现光放大器增益、噪声系数的准确测量。

Description

一种光纤放大器增益和噪声系数的测试系统及方法
技术领域
本发明属于高速星载光通信技术领域，特别涉及一种适用于高速星载光通信的光纤放大器测试方法。
背景技术
星载激光通信是新一代卫星互联网以及天基骨干网中星间链路最有前景的技术路线。作为激光通信的核心模块，光放大器是实现高功率输出和高增益接收的关键因素。评价光纤放大器性能的参量主要有小信号增益、增益平坦度、增益带宽、饱和增益、饱和输出光功率以及噪声系数等指标。增益和噪声系数是光纤放大器最基本和最重要的两个指标，如何有效测试光纤放大器上述两种特性是关系到测试结果准确性的关键所在。在星载相干光通信系统中，低噪声光纤放大器由于具有较高的光增益和较强的抗噪性能等特点得到了广泛的应用，但是目前使用的光谱法会导致测试的低噪声光纤放大器增益和噪声系数不准确，影响整个系统性能。传统的测量方法为了简单方便，一般通过光谱仪测试，公式复杂，且受限于分辨率。因此，开展低噪声光纤放大器特性测试研究具有现实的应用需求和重要的研究价值。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤放大器增益和噪声系数的测试系统及方法，该方法不仅测试易于实现，且准确性高，极大提高了光放大器性能可靠性。
本发明解决技术的方案是：一种光纤放大器增益和噪声系数的测试系统，包括
激光器，用于输出功率稳定的激光光源；
1:1光耦合器，用于将所述的激光光源进行分束，一束输入至声光调制器及可调衰减器Ⅰ，另一束输入至可调衰减器Ⅱ；
可调衰减器Ⅰ、可调衰减器Ⅱ，用于调整输出光信号的光功率；
待测光纤放大器，用于增加可调衰减器Ⅱ输出的光信号的噪声；
光混频器，用于对输入的两路光信号进行180度混频；
探测器，用于将混频后的光信号转换成电信号；
信号分析，用于对上述电信号模数转换后进行数字域分析，通过有无光纤放大器的两路数字域分析结果确定光纤放大器的增益和噪声系数。
优选的，所述的激光器选用窄线宽DFB激光器，所述的窄线宽为10KHz以下。
一种利用所述测试系统实现的测试方法，包括：
未连入光纤放大器，调节可调衰减器Ⅰ、可调衰减器Ⅱ，使得进入光混频器的两路光信号的光功率相等；
对探测器输出的电信号进行功率谱密度分析，确定Δω频率分量信号功率PΔw,1；
确定探测器输出噪声功率的表达式，进而得到未连入光纤放大器时的差频信号信噪比SNRΔw,1；
保持可调衰减器Ⅰ、可调衰减器Ⅱ的衰减不变，连入光纤放大器，对探测器输出的电信号进行功率谱密度分析，确定Δω频率分量信号功率PΔw,2；
根据上述Δω频率分量信号功率PΔw,1、PΔw,2得到光纤放大器增益参数G；
保持可调衰减器Ⅱ的衰减不变，回退可调衰减器Ⅰ增益G，对探测器输出的电信号进行功率谱密度分析，确定Δω频率分量信号功率PΔw,3；
确定探测器输出噪声功率的表达式，进而得到连入光纤放大器时的差频信号信噪比SNRΔw,2；
根据上述差频信号信噪比SNRΔw,1、SNRΔw,2，得到光纤放大器噪声系数测量结果；
所述Δω为输入混频器两路光信号频率之差信号。
优选的，确定Δω频率分量信号功率PΔw,1包括：
确定包含的Δω频率分量信号的表达式：
Figure BDA0003765544020000031
根据上述表达式确定Δω频率分量信号功率
Figure BDA0003765544020000032
Figure BDA0003765544020000033
为未连入光纤放大器时，Δω为频率分量信号的相位偏移；R为光电探测器响应度。
优选的，确定Δω频率分量信号功率PΔw,2包括：
确定包含的Δω频率分量信号的表达式：
Figure BDA0003765544020000034
根据上述表达式确定Δω频率分量信号功率
Figure BDA0003765544020000035
Figure BDA0003765544020000036
为保持可调衰减器Ⅰ、可调衰减器Ⅱ的衰减不变，连入光纤放大器时Δω频率分量信号的相位偏移。
优选的，确定Δω频率分量信号功率PΔw,3包括：
确定包含的Δω频率分量信号的表达式：
Figure BDA0003765544020000037
根据上述表达式确定Δω频率分量信号功率PΔw,3＝2(GRPin)2；
Figure BDA0003765544020000038
为保持可调衰减器Ⅱ的衰减不变，回退可调衰减器Ⅰ增益G时Δω频率分量信号的相位偏移。
优选的，未接入光纤放大器时探测输出噪声主要为散粒噪声，其噪声功率表述为：
Figure BDA0003765544020000039
其中，Δf表示探测器带宽，q为电子电荷，R为光电探测器响应度。
优选的，未连入光放大器时的差频信号信噪比：
Figure BDA00037655440200000310
其中h为普朗库常数，v为光子频率，Δf表示探测器带宽。
优选的，接入光放大器后，探测器输出噪声主要由散粒噪声和自发辐射噪声与信号光之间的差拍噪声两部分组成，即:
Figure BDA0003765544020000041
其中，Ssp＝(G-1)nsphv为光放大器ASE噪声的功率谱密度，nsp≥1为自发辐射因子，h为普朗库常数，v为光子频率，Δf表示探测器带宽，q为电子电荷。
优选的，输出差频信号信噪比表述为：
Figure BDA0003765544020000042
其中，Ssp＝(G-1)nsphv为光放大器ASE噪声的功率谱密度，nsp≥1为自发辐射因子，h为普朗库常数，v为光子频率，Δf表示探测器带宽，q为电子电荷。
优选的，输出差频信号信噪比简化表述为：
Figure BDA0003765544020000043
优选的，光纤放大器噪声系数测量结果：
Figure BDA0003765544020000044
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明设计了一种新的测试方案与系统，引入中频测量方法，可实现光放大器增益、噪声系数的准确测量。
本发明采用电谱测量法，通过数字域信号处理与分析，大大提高了测量精度，更适用于星间光接收机的前置光放大器的特性测试；
本发明在测试过程中引入了声光调制器实现了稳定相干探测，避免了激光器时变特性对测量的影响，提升了参数测量的准确性。
附图说明
图1为本发明方法的实施原理框图；
图2实验测试搭建框图；
图3经过窄带滤波器后的频谱图；
图4增益与噪声系数测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下参考附图1、2、附图3、附图4，对本发明进一步详细说明。
实施例中，按照附图2连接各个模块，输入光源为功率高稳定度的窄线宽DFB激光器，经1:1光耦合器将光源的输出进行分束，其中一路经过声光调制器(AOM)、可调衰减器(VOA1)，另外一路经过可调衰减器VOA2及光放大器连入可选，前后两路光信号经过180度混频器及光功率探测器。
输入光源采用1550nm连续光激光器，引入衰减器和EDFA增加输入光信号的噪声，声光调制器的频率偏移设置为300MHz。光混频器使用1:1光合路器，记录合路器两臂输入功率，然后将光信号经过光电转换、模数转换，带通滤波后进行数字域处理。
本发明公开的方法的操作步骤如下：
(1)未连入光放大器
调节VOA1、VOA2，使得进入混频器的两路光功率满足P1＝P2，将其数值采用Pin表示，即P1＝P2＝Pin。
对光电探测器输出信号进行功率谱密度分析，得到Δω频率分量的信号表达式：
Figure BDA0003765544020000051
根据功率和信号之间的关系，
Figure BDA0003765544020000052
根据上述分量Pa推导此时Δω频率分量信号功率为
Figure BDA0003765544020000053
此时，光电探测输出噪声主要为散粒噪声，其噪声功率可表述为：
Figure BDA0003765544020000054
通过对光电探测器输出信号进行数字处理，可得到未连入光放大器时的差频信号信噪比：
Figure BDA0003765544020000061
(2)连入光放大器-增益测量
保持VOA1、VOA2衰减不变，连入待测光放大器，对光电探测输出信号进行功率谱密度分析，此时包含的Δω频率分量信号可表示为：
Figure BDA0003765544020000062
得到此时Δω频率分量信号的信号功率
Figure BDA0003765544020000063
得到待测放大器增益参数：
Figure BDA0003765544020000064
(3)连入光放大器-噪声系数测量
保持VOA2衰减不变，回退VOA1衰减器增益G，此时进入混频器的两路光功率相等。对光电探测输出信号进行功率谱密度分析，只包含Δω频率分量信号：
Figure BDA0003765544020000065
其中
Figure BDA0003765544020000066
为此时Δω频率分量信号的相位偏移，对应的差频信号功率为PΔw,3＝2(GRPin)2。
接入待测光放大器后，光电探测器输出噪声主要由散粒噪声和自发辐射噪声与信号光之间的差拍噪声两部分组成，即:
Figure BDA0003765544020000067
其中，Ssp＝(G-1)nsphv为光放大器ASE噪声的功率谱密度，nsp≥1为自发辐射因子。
因此，输出差频信号信噪比可表述为：
Figure BDA0003765544020000071
如附图3为经过窄带滤波器后的频谱图，可通过计算输出差频信号信噪比SNRΔw,2，得到高准确度的光放大器噪声系数测量结果：
Figure BDA0003765544020000072
SNRΔw,1为步骤(1)中测量得到未连入光放大器时的差频信号信噪比。
由于G＞＞1，输出差频信号信噪比可简化为
Figure BDA0003765544020000073
理论上光放大器的噪声系数的计算公式为：
Figure BDA0003765544020000074
因此，可通过计算输出差频信号信噪比SNRΔw,2，得到高准确度的光放大器噪声系数测量结果：
Figure BDA0003765544020000075
至此，通过计算输入、输出信噪比完成光放大器增益、噪声系数参数测量，附图4为固定输入功率，不同光放增益下噪声系数的测量结果，可以看出本发明方法与理论特性相符合，说明本方法的有效性。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (12)

1.一种光纤放大器增益和噪声系数的测试系统，其特征在于：包括
激光器，用于输出功率稳定的激光光源；
1:1光耦合器，用于将所述的激光光源进行分束，一束输入至声光调制器及可调衰减器Ⅰ，另一束输入至可调衰减器Ⅱ；
可调衰减器Ⅰ、可调衰减器Ⅱ，用于调整输出光信号的光功率；
待测光纤放大器，用于增加可调衰减器Ⅱ输出的光信号的噪声；
光混频器，用于对输入的两路光信号进行180度混频；
探测器，用于将混频后的光信号转换成电信号；
信号分析，用于对上述电信号模数转换后进行数字域分析，通过有无光纤放大器的两路数字域分析结果确定光纤放大器的增益和噪声系数。
2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述的激光器选用窄线宽DFB激光器，所述的窄线宽为10KHz以下。
3.一种利用权利要求1所述测试系统实现的测试方法，其特征在于包括：
未连入光纤放大器，调节可调衰减器Ⅰ、可调衰减器Ⅱ，使得进入光混频器的两路光信号的光功率相等；
对探测器输出的电信号进行功率谱密度分析，确定Δω频率分量信号功率PΔw,1；
确定探测器输出噪声功率的表达式，进而得到未连入光纤放大器时的差频信号信噪比SNRΔw,1；
保持可调衰减器Ⅰ、可调衰减器Ⅱ的衰减不变，连入光纤放大器，对探测器输出的电信号进行功率谱密度分析，确定Δω频率分量信号功率PΔw,2；
根据上述Δω频率分量信号功率PΔw,1、PΔw,2得到光纤放大器增益参数G；
保持可调衰减器Ⅱ的衰减不变，回退可调衰减器Ⅰ增益G，对探测器输出的电信号进行功率谱密度分析，确定Δω频率分量信号功率PΔw,3；
确定探测器输出噪声功率的表达式，进而得到连入光纤放大器时的差频信号信噪比SNRΔw,2；
根据上述差频信号信噪比SNRΔw,1、SNRΔw,2，得到光纤放大器噪声系数测量结果；
所述Δω为输入混频器两路光信号频率之差信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：确定Δω频率分量信号功率PΔw,1包括：
确定包含的Δω频率分量信号的表达式：
Figure FDA0003765544010000021
根据上述表达式确定Δω频率分量信号功率
Figure FDA0003765544010000022
Figure FDA0003765544010000023
为未连入光纤放大器时，Δω为频率分量信号的相位偏移；R为光电探测器响应度。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：确定Δω频率分量信号功率PΔw,2包括：
确定包含的Δω频率分量信号的表达式：
Figure FDA0003765544010000024
根据上述表达式确定Δω频率分量信号功率
Figure FDA0003765544010000025
Figure FDA0003765544010000026
为保持可调衰减器Ⅰ、可调衰减器Ⅱ的衰减不变，连入光纤放大器时Δω频率分量信号的相位偏移。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：确定Δω频率分量信号功率PΔw,3包括：
确定包含的Δω频率分量信号的表达式：
Figure FDA0003765544010000027
根据上述表达式确定Δω频率分量信号功率PΔw,3＝2(GRPin)2；
Figure FDA0003765544010000028
为保持可调衰减器Ⅱ的衰减不变，回退可调衰减器Ⅰ增益G时Δω频率分量信号的相位偏移。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：未接入光纤放大器时探测输出噪声主要为散粒噪声，其噪声功率表述为：
Figure FDA0003765544010000031
其中，Δf表示探测器带宽，q为电子电荷，R为光电探测器响应度。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：未连入光放大器时的差频信号信噪比：
Figure FDA0003765544010000032
其中h为普朗库常数，v为光子频率，Δf表示探测器带宽。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：接入光放大器后，探测器输出噪声主要由散粒噪声和自发辐射噪声与信号光之间的差拍噪声两部分组成，即:
Figure FDA0003765544010000033
其中，Ssp＝(G-1)nsphv为光放大器ASE噪声的功率谱密度，nsp≥1为自发辐射因子，h为普朗库常数，v为光子频率，Δf表示探测器带宽，q为电子电荷。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：输出差频信号信噪比表述为：
Figure FDA0003765544010000034
其中，Ssp＝(G-1)nsphv为光放大器ASE噪声的功率谱密度，nsp≥1为自发辐射因子，h为普朗库常数，v为光子频率，Δf表示探测器带宽，q为电子电荷。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：输出差频信号信噪比简化表述为：
Figure FDA0003765544010000035
12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：光纤放大器噪声系数测量结果：
Figure FDA0003765544010000041
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