CN117073990B - 一种窄线宽激光器的线宽测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光电技术领域的一种窄线宽激光器的线宽测试系统及测试方法，包括光源和两组并联的短时延延时差拍信道，所述短时延延时差拍信道用于将待测激光光波相噪转化为参考源频率上的相噪，并采用GPU后进行实时互相关计算后以抑制系统中噪声的影响，本发明的有益效果是：本方案中通过采用两组短时延延时差拍信道的结构设置，通过两路光相位到电参考频率通道，分别为上支路和下支路的两组短时延光纤差拍单元，在这个系统中，除了输入待测光波和超低相噪参考源外，其它光电器件均是相互独立的，可以通过互相关频谱计算来抑制非相关噪声，从而大大提高了测试系统的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体为一种窄线宽激光器的线宽测试系统及测试方法。
背景技术
激光器线宽是表征激光器输出光相干性性能的关键指标。近年来，窄线宽激光器在光通信、光纤传感、激光雷达、量子感知与计算等领域应用越来越广泛，线宽测试需求也逐渐迫切。
传统激光器线宽测试方法通过延时差拍方法来测量。在这种方法中，激光光波被分成两路，其中一路经过若干公里光纤后与另一路光同时输入光电探测器，得到了电谱宽度推算出激光线宽。由于这种方法需要光纤的长度超过相干长度。随着激光线宽越来越窄，往往需求几十公里到上百公里的光纤，将周围环境噪声的影响引入测试系统，从而影响测量精度。另一种方案是将光纤时延缩小到10米量级，通过测试拍频电信号的相噪来推算激光光波的相位噪声，从而计算出激光器的线宽。这种方案减小了延时光纤受环境的扰动程度，但是由于延时光纤长度较短，得到的电信号中的相位噪声分量较小，测试系统中的光电噪声、ADC的量化噪声等因素均将影响测试系统的性能。
为此，我们提出一种窄线宽激光器的线宽测试系统及测试方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种窄线宽激光器的线宽测试系统及测试方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种窄线宽激光器的线宽测试系统，包括光源和两组并联的短时延延时差拍信道，所述短时延延时差拍信道用于将待测激光光波相噪转化为参考源频率上的相噪，并采用GPU后进行互相关计算后去除了系统中噪声；
所述短时延延时差拍信道包括耦合器、短时延光纤差拍单元、光电信号转换模块、参考源和采集卡，所述耦合器用于光信号的耦合、分配或混合，所述短时延光纤差拍单元用于光信号到电信号的转换，所述短时延光纤差拍单元包括延时光纤和声光移频器，光信号通过所述延时光纤进行时延，光信号通过所述声光移频器进行移频，所述参考源用于驱动声光移频器，所述光电信号转换模块包括光电平衡探测器、电放大器，所述光电平衡探测器用于接入延时光纤、声光移频器输出的光信号的耦合后的光混频并生成电信号，所述电放大器用于放大光电平衡探测器输出的电信号，所述采集卡用于将转化电放大器输出的电信号转化为数字信号。
优选的，所述延时光纤为短光纤。
优选的，一种窄线宽激光器的线宽测试方法，包括以下步骤：
步骤一：光源将光信号输入第一耦合器中，通过第一耦合器将光信号同时分配至两组短时延延时差拍信道中；
步骤二：光信号进入短时延光纤差拍单元中，再次通过第二耦合器分配至延时光纤和声光移频器中，一组光信号通过延时光纤进行时延，另一路光信号由参考源驱动的声光移频器进行移频；
步骤三：延时光纤与声光移频器再将输出的光信号接入第三耦合器，实现两组光信号的耦合，得到光混频后接入光电平衡探测器，生成电信号，实现光信号相位差拍到电信号相位的转化；
步骤四：带有相得到的输出接入电放大器，后经过采集卡转化为数字信号；
步骤五：测试电信号推算出光信号的相位噪声，从而得到激光光波的线宽；
步骤六：采用GPU对控测到的上支路和下支路信号进行高速互相关计算，输出结果。
优选的，所述步骤三中，两组光电平衡探测器接收到的光信号分别可表示为：、/>，其中，/>为激光器产生的相位噪声，/>和/>为由测量系统引入的等效相位波动，测量系统引入的等效相位波动包括光电平衡探测器的散粒噪声与热噪声、采集卡的量化噪声，以及延时光纤受到外界环境振动的影响。
优选的，所述步骤五中，两组采集卡转化的数字信号分别表示为ADC1、ADC2，ADC1、ADC2依次通过希尔伯特变换得到其正交分量，反正切运算得到相位值和相位展宽算法得到实际相位变化。
优选的，两路信号的总相位变化分别为：、，单路信号的功率谱为：/>、/>，其中，/>表示傅里叶变换，/>为激光器的相位噪声产生的功率谱贡献，/>和/>分别为测量系统中上支路和下支路的噪声引入的功率谱贡献；功率谱贡献指不同频率分量对总功率的贡献程度。
优选的，用上支路信号和下支路信号的互相关函数的傅里叶变换来估计单路信号的功率谱，可表示为：，其中，/>为/>与/>的互相关函数。
优选的，由傅里叶变换的性质可知，可表示为：，其中，为/>的傅里叶变换，/>为/>的傅里叶变换，*表示取共轭。
优选的，在相位噪声测量中，相位噪声噪底强度和互相关次数有一定的关联性，其具体计算公式为：
互相关后的相位噪声噪底强度（dBc/Hz）=和互相关前的相位噪声噪底强度的乘积；
其中,即/>，M为互相关运算的次数。
优选的，单路信号的功率谱作为对其相位噪声谱的估计，最后积累多次测量结果平均。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本方案中通过采用两组短时延延时差拍信道的结构设置，通过两路光相位到电参考频率通道，分别为上支路和下支路的两组短时延光纤差拍单元，在这个系统中，除了输入待测光波和超低相噪参考源外，其它光电器件均是相互独立的，可以通过互相关频谱计算来抑制非相关噪声，从而大大提高了测试系统的灵敏度；
本方案中的装置中采用GPU对控测到的双路信号进行高速互相关计算，有效地去除了两路测量链路中的各种噪声，大大降低了噪底，提升了灵敏度。
附图说明
图1为本发明线宽测试系统结构组成示意图；
图2为本发明线宽测试系统噪声消除方法流程示意图；
图3为本发明线宽测试系统不同互相关次数下激光器相位噪声的测量结果示意图。
图中：1、光源；2、第一耦合器；21、第二耦合器；22、第三耦合器；3、延时光纤；4、声光移频器；5、光电平衡探测器；6、电放大器；7、参考源；8、采集卡。
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。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例一
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
一种窄线宽激光器的线宽测试系统，该系统包括光源1和两组并联的短时延延时差拍信道，短时延延时差拍信道包括第一耦合器2、延时光纤3、声光移频器4、光电平衡探测器5、电放大器6、参考源7、采集卡8等器件。通过上述器件构成短时延延时差拍信道，将待测激光光波相噪转化为参考源7频率上的相噪。采用GPU后进行互相关计算，去除了系统中的量化噪声、光电探测噪声等噪声，提升了激光线宽即相噪测量的精度。
互相关法是一种信号处理技术，用于衡量两个信号之间的相似性。它计算两个信号在不同时间点上的乘积，并将结果进行求和。
其中，短时延延时差拍信道包括第二耦合器21、第三耦合器22、短时延光纤差拍单元、光电信号转换模块和参考源7。短时延光纤差拍单元由一组延时光纤3和一组声光移频器4组成。短时延光纤差拍单元用于光相位到电相位的转换。光源1通过第一耦合器2同时和两组短时延延时差拍信道中的两组短时延光纤差拍单元相连通，使得光源1输入光信号后，光信号通过第一耦合器2同时进入两组短时延光纤差拍单元内。当光信号进入短时延光纤差拍单元中后，再通过第二耦合器21分别分配至延时光纤3、声光移频器4中。短时延光纤差拍单元再将延时光纤3、声光移频器4混合后的光信号通过第三耦合器22接入至光电平衡探测器5中，在光电平衡探测器5上测试相位，其中测量包含了激光相位噪声变化的电信号。
本装置的工作原理如下：
首先通过光源1输入光信号至第一耦合器2中。第一耦合器2可以将光信号从一个光纤中耦合到另一个光纤中，实现光信号的传输，也可以将来自一个光源的光信号分配到多个光纤中，实现光信号的分配，然后进入第一耦合器2内的光信号会同时分配到两组并联的短时延光纤差拍单元内。
两组短时延延时差拍信道分别为上支路和下支路，以上支路为例：当光源1将光信号传输至第一耦合器2中，通过第一耦合器2将光信号输入至短时延延时差拍信道中，当光信号进入短时延光纤差拍单元内后，会先进入一组第二耦合器21中，通过第二耦合器21对光信号进行分配，使光信号分别进入延时光纤3和声光移频器4中。其中一路光信号通过一段延时光纤3进行时延，另一路接入由参考源7驱动的声光移频器4进行移频。延时光纤3与声光移频器4的输出再接入一组第三耦合器22，实现两组光信号的耦合，得到光混频后接入光电平衡探测器5，生成电信号，完成了光信号相位差拍到电信号相位的转化。因此只需要测试电信号就可以推算出光信号的相位噪声，从而得到激光光波的线宽。带有相得到的输出接入电放大器6，后经过采集卡8转化为数字信号，其中带有相得到的输出指光电平衡探测器输出的电信号，其中电信号的相位包含了两支路光信号的相位差变化。上支路中采集卡8表示为转化的数字信号ADC1。
同理，在下支路中例：当光源1将光信号传输至第一耦合器2中，通过第一耦合器2将光信号输入至短时延延时差拍信道中，当光信号进入短时延光纤差拍单元内后，会先进入一组第二耦合器21中，通过第二耦合器21对光信号进行分配，使光信号分别进入延时光纤3和声光移频器4中。其中一路光信号通过一段延时光纤3进行时延，另一路接入由参考源7驱动的声光移频器4进行移频。延时光纤3与声光移频器4的输出再接入一组第三耦合器22，实现两组光信号的耦合，得到光混频后接入光电平衡探测器5，生成电信号，完成了光信号相位差拍到电信号相位的转化。因此只需要测试电信号就可以推算出光信号的相位噪声，从而得到激光光波的线宽。带有相得到的输出接入电放大器6，后经过采集卡8转化为数字信号。下支路中采集卡8表示为转化的数字信号ADC2。
最后，用GPU对控测到的ADC1和ADC2进行高速互相关计算，输出结果。
其中，电信号推算出光信号的相位噪声需要考虑光信号的调制方式和传输介质的影响。一般来说，光信号的相位噪声可以通过以下几个步骤进行推算：
首先，确定光信号的调制方式：光信号可以通过不同的调制方式进行传输，如直接调制、相位调制、频率调制等。不同的调制方式会对相位噪声产生不同的影响。
然后，确定光信号的传输介质：光信号的传输介质可以是光纤、自由空间等。不同的传输介质会对光信号的相位噪声产生不同的影响，如光纤的色散效应、非线性效应等。
其次，分析光信号的相位噪声源：光信号的相位噪声主要来自于光源的相位噪声、光调制器的相位噪声、传输介质的相位噪声等。可以通过测量或理论分析这些噪声源的特性来推算出光信号的相位噪声。
最后，进行相位噪声传递函数的计算：光信号的相位噪声在传输过程中随传输时间发生变化，可以通过计算电信号相位来得到光信号的相位差。相位噪声在光信号传输过程中会受到传输介质的影响而发生变化，可以通过计算相位，得到相位差值。
并且此处以参考源7作为采集卡8的触发信号，可以降低采集卡8时钟抖动带来的杂散。ADC时钟抖动会引入的杂散信号主要包括以下几个方面：
直流偏差：ADC时钟抖动可能导致采样时刻的偏移，使得采样值产生直流偏差。这种偏差会引入一个恒定的误差，使得ADC的输出值与输入信号之间存在一个固定的偏差。
高频噪声：ADC时钟抖动会引入高频噪声，这是由于时钟抖动的不稳定性导致采样时刻的波动，这些高频噪声会以不同的频率分布在ADC输出的频谱中，从而产生杂散信号。
时钟干扰：ADC时钟抖动可能会与其他信号源的时钟信号产生干扰，这种干扰会以时钟频率的倍数出现在ADC输出的频谱中，从而引入杂散信号。
非线性失真：ADC时钟抖动可能会导致采样时刻的不均匀性，从而引入非线性失真，这种失真会使得ADC的输出值与输入信号之间存在非线性关系，产生杂散信号。
电放大器6的作用是将输入信号放大到更高的电压、电流或功率水平，以便驱动输出负载，它可以增加信号的幅度，提高信号的质量和可靠性，使信号能够远距离传输或驱动高阻抗负载。
但是在采集卡8得到的信号中，还带有系统本身引入的噪声，包括延时光纤3因环境振动与热波动引入的相位噪声、光电平衡探测器5引入的光电转换固有的散粒噪声、电放大器6引入的各种电噪声、采集卡8引入的量化噪声，这些噪声均恶化了测试系统的测试灵敏度。如前所述，由于系统中采用的延时光纤3为短光纤，电信号中激光光波的相位噪声的分量很小，可能被淹没在系统的噪声，特别是随着需要测试的激光器线宽越来越窄，需要测试系统本身引入的噪声将对测试结果造成重要影响。
因此本发明提出的装置采用两路光相位到电参考频率通道，分别为上支路和下支路的两组短时延光纤差拍单元。在这个系统中，除了输入待测光波和超低相噪参考源外，其它光电器件均是相互独立的，可以通过互相关频谱计算来抑制非相关噪声，从而大大提高了测试系统的灵敏度。本发明的装置中采用GPU对控测到的双路信号进行高速互相关计算，有效地去除了两路测量链路中的各种噪声，大大降低了噪底，提升了灵敏度。
实施例二
请参阅图1，在实施例一的基础上，本发明提供一种技术方案：
一种窄线宽激光器的线宽测试方法，包括以下步骤：
步骤一：光源1将光信号输入第一耦合器2中，通过第一耦合器2将光信号同时分配至上支路和下支路的两组短时延延时差拍信道中；
步骤二：光信号进入短时延光纤差拍单元中，再次通过第二耦合器21分配至延时光纤3和声光移频器4中，一组光信号通过延时光纤3进行时延，另一路光信号由参考源7驱动的声光移频器4进行移频；
步骤三：延时光纤3与声光移频器4再将输出的光信号接入第三耦合器22，实现两组光信号的耦合，得到光混频后接入光电平衡探测器5，生成电信号，实现光信号相位差拍到电信号相位的转化；
步骤四：测试电信号推算出光信号的相位噪声，从而得到激光光波的线宽；
步骤五：带有相得到的输出接入电放大器6，后经过采集卡8转化为数字信号；
步骤六：采用GPU对控测到的上支路和下支路信号进行高速互相关计算，输出结果。
实施例三
请参阅图1-3，在实施例一和实施例二的基础上，本发明提供一种技术方案：
一种窄线宽激光器的线宽测试系统中系统噪声的去除方法，单路测量时，系统噪声主要来源于光电平衡探测器5引入的散粒噪声与热噪声、采集卡8引入的量化噪声和驱动声光调制器的微波信号本身的相位噪声。
其中，微波信号的相位噪声明显低于激光器相位噪声，可忽略不计。
其中，热噪声是一种由于物体的热运动而产生的噪声。根据热力学理论，物体的温度越高，其分子和原子的热运动就越剧烈，产生的热噪声也就越大。热噪声是一种宽频带的噪声，其频率范围通常从几赫兹到几十千赫兹。热噪声的功率谱密度与频率成正比关系，即在频率上呈平坦分布。这意味着热噪声在所有频率上都存在，而且在较高频率上功率更大。热噪声服从高斯分布，量化噪声服从均匀分布，其功率谱均为常数。
其中，散粒噪声是一种随机信号，其特点是具有离散的、不规则的频率分布。它通常由大量不同频率和幅度的离散信号叠加而成，因此在频谱上呈现出离散的特征。散粒噪声近似服从指数分布，在中低频段测量频段范围内也接近于白噪声。
这些噪声反映在相位噪声测量中，尤其当测试系统精度有限，比如采集卡8有效位数较低时，会明显抬高测量结果的噪底水平，降低系统的测量精度。
双路探测结构中，两路测试系统中的传输延时相同，两组光电平衡探测器5接收到的光信号分别可表示为：、，其中，/>为激光器产生的相位噪声，和/>为由测量系统引入的等效相位波动，测量系统引入的等效相位波动包括光电平衡探测器5的散粒噪声与热噪声、采集卡8的量化噪声，以及延时光纤3受到外界环境振动的影响。
通过希尔伯特变换、相位展开等信号处理后，得到两路信号的总相位变化分别为：、/>，单路信号的功率谱为：、/>，其中，/>表示傅里叶变换，/>为激光器的相位噪声产生的功率谱贡献，/>和/>分别为测量系统中上支路和下支路的噪声引入的功率谱贡献。
傅里叶变换用于将一个函数从时域转换到频域，是将一个连续函数表示为一系列正弦和余弦函数的叠加。通过傅里叶变换，我们可以将一个信号分解成不同频率的成分，从而可以更好地理解信号的频率特性。
希尔伯特变换是一种信号处理中常用的数学变换方法，用于将实数信号转换为复数信号，并改变信号的相位。它可以在频域中对信号进行解析，提取出信号的振幅和相位信息。
希尔伯特变换的步骤如下：
将实数信号进行傅里叶变换，得到信号的频谱表示；
将频谱表示中的负频率部分置零，保留正频率部分；
将保留的正频率部分进行相位平移，将相位延迟90度（或π/2弧度）；
将相位平移后的频谱表示进行逆傅里叶变换，得到复数信号。
希尔伯特变换的结果是一个复数信号，其中实部部分与原始信号相同，虚部部分包含了原始信号的相位信息。通过取复数信号的幅度和相位，可以分别得到信号的振幅和相位。
相位展开是一种信号处理中常用的技术，用于解决相位信号在范围内的不连续性问题。当信号的相位变化超过/>时，相位会突然跳变，导致相位信息的失真。相位展开的目标是将相位信号从离散的相位值恢复为连续的相位函数，以准确地表示相位变化。
相位展开的基本步骤如下：
计算相位差：首先，计算相邻采样点之间的相位差。可以使用相位差公式：，其中/>表示第i个采样点的相位。
相位差修正：对于每个相位差，判断其是否超过了阈值/>的范围。如果超过了阈值，则需要进行相位差修正。
相位修正：根据相位差修正的结果，对相位进行修正。修正的方法可以是将相位差加上或减去的整数倍，以使相位差在/>范围内。
相位累积：将修正后的相位累积起来，得到连续的相位函数。
功率谱是描述信号在不同频率上的能量分布的工具。在信号处理中，功率谱贡献是指不同频率分量对总功率的贡献程度。对于一个信号，其功率谱可以通过将信号进行傅里叶变换得到。傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，将信号分解为不同频率的正弦和余弦分量。功率谱表示了每个频率分量的能量大小。功率谱贡献可以通过计算每个频率分量的功率与总功率之比来得到。功率谱贡献越大，表示该频率分量对信号的能量贡献越大。
用上支路信号和下支路信号的互相关函数的傅里叶变换来估计单路信号的功率谱，可表示为：，其中，/>为/>与/>的互相关函数，由傅里叶变换的性质可知，上式可表示为：，其中，为/>的傅里叶变换，/>为/>的傅里叶变换，/>为/>的傅里叶变换，为/>的傅里叶变换，/>为/>的傅里叶变换，/>为/>的傅里叶变换，*表示取共轭，即/>为/>的共轭，以此类推。
在信号处理中，共轭是指复数的虚部取负数的操作，实信号的傅里叶变换为复数，共轭指将复数的实部保留，虚部取相反数。
由傅里叶变换中的卷积定理知识可知，两组信号时域的卷积的傅里叶变换等于其各自的傅里叶变换频域的乘积。
故上述公式的具体推导过程为：，式子中的第一项为/>的功率谱，即排除系统噪声与环境噪声后，激光器输出光信号的相位噪声对应的相位噪声谱，其为实数，在多次累积平均中得以保留。而后三项为干扰项，其为复数，在每次测量中具有随机变化的相位，可通过多次累积平均来抑制”。
对于一个复数，其共轭复数为/> ，其中a为实部，b为虚部。
共轭操作可以表示为 。
相比之下，测量系统中的任意一次的单次测量结果无法区别激光器相位噪声和系统噪声的贡献，即测量结果会明显受到系统噪声影响，抬高噪底，而用互相关法对功率谱进行估计可将激光器相位噪声的贡献以绝对值形式保留下来，即仅存于功率谱中的实部。而系统其他噪声对功率谱的贡献在每次测量中具有随机的相位，进一步通过积累多次互相关结果并进行平均，可有效降低系统噪声水平。
在信号处理中，功率谱可以用来表示信号的幅度信息，功率谱可以通过傅里叶变换或其他频谱分析方法得到，在进行频谱分析时，通常会计算信号的功率谱，并将其绘制成频谱图或频谱密度图，这样可以直观地观察信号在不同频率上的幅度分布情况，帮助分析信号的频率特性和频率成分。
互相关是一种信号处理方法，用于计算两个信号之间的相似性或相关性。互相关可以用于信号匹配、信号对齐、信号识别等应用。在进行互相关计算时，可以对多次互相关结果进行平均。这种平均可以通过累加每次互相关结果对应的频率谱，并最后除以互相关次数来实现。
互相关具体步骤如下：
S1：对于两个输入信号x和y，进行互相关计算，得到互相关结果z，；
S2：累加每次互相关结果的实部和虚部。
具体计算方法为:或；
S3：重复S1和S2，直到完成所有的互相关计算。
S4：最后，将累加的结果除以互相关次数，得到平均互相关结果:
具体计算方法为：。
通过对互相关结果进行平均，可以减小噪声的影响，提高互相关的稳定性和准确性。这在一些应用中特别有用，例如在信号识别中，通过对多个样本信号进行互相关计算并平均，可以提高信号的识别率和鲁棒性。
系统信号处理流程如图2所示，测量系统中的上支路和下支路两路光信号分别经两个光电平衡探测器5转换为电信号后，由两路采集卡8采集到进行信号处理，信号依次通过希尔伯特变换得到其正交分量，反正切运算得到相位值和相位展宽算法得到实际相位变化。对得到的两路相位变化进行互相关运算后通过傅里叶变换得到频谱，作为对其相位噪声谱的估计，最后积累多次测量结果平均，进一步降低系统噪底。
将系统整体噪声近似为均值为0，方差为的高斯白噪声，多次互相关运算等效于降低高斯白噪声的方差。根据工程经验，参照附图3所示，在相位噪声测量中，相位噪声强度和互相关次数有一定的关联性，其具体计算公式为：
互相关后的相位噪声噪底强度（dBc/Hz）=-5log（M）和互相关前的相位噪声噪底强度的乘积；
其中即/>，指求以10为底的对数，如/>,/>，M指互相关运算的次数。
dBc/Hz为相位噪声强度，dBc为功率相对值（分贝），Hz为赫兹。
如图3所示，为使用实施例一中所述的一种窄线宽激光器的线宽测试系统进行测量，不同互相关次数下，激光器相位噪声的测量结果。
测试系统引入的白噪声底限约为-110dBc/Hz，当测量频率低于300kHz时，激光器相位噪声能够被准确测量，当测量频率高于300kHz时，激光器相位噪声低于系统噪底，会被白噪声淹没，通过多次互相关算法降低系统噪底，可以对更高频率范围的激光器相位噪声进行测量。
结合附图3可导致，互相关次数每提高10倍，测量噪底降低约5dB，同理论分析一致。
实施例四
请参阅图1-3，在实施例三的基础上，本发明提供一种技术方案：
一种窄线宽激光器的线宽测试系统噪声去除方法：包括以下步骤：
步骤一：测量系统中的上支路和下支路两路光信号分别经两个光电平衡探测器5转换为电信号后，由两路采集卡8采集到进行信号处理，两组采集卡8分别表示为ADC1、ADC2；
步骤二：ADC1、ADC2依次通过希尔伯特变换得到其正交分量；
步骤三：反正切运算得到相位值和相位展宽算法得到实际相位变化；
步骤四：对得到的两路相位变化进行互相关运算;
步骤五：通过傅里叶变换得到频谱，作为对其相位噪声谱的估计；
步骤六：积累多次测量结果平均。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的保护范围。
Claims (3)
1.一种窄线宽激光器的线宽测试方法，包括以下步骤：
步骤一：光源（1）将光信号输入第一耦合器（2）中，通过第一耦合器（2）将光信号同时分配至两组短时延延时差拍信道中；
步骤二：光信号进入短时延光纤差拍单元中，再次通过第二耦合器（21）分配至延时光纤（3）和声光移频器（4）中，一路光信号通过延时光纤（3）进行时延，另一路光信号由参考源（7）驱动的声光移频器（4）进行移频；
步骤三：再将延时光纤（3）与声光移频器（4）输出的光信号接入第三耦合器（22），实现两组光信号的耦合，得到光混频后接入光电平衡探测器（5），生成电信号，实现光信号相位差拍到电信号相位的转化；
步骤四：带有相得到的输出接入电放大器（6），后经过采集卡（8）转化为数字信号，其中带有相得到的输出指光电平衡探测器输出的电信号，其中电信号相位包含了两支路光信号的相位差变化；
步骤五：测试电信号推算出光信号的相位噪声，从而得到激光光波的线宽；
步骤六：采用GPU对控测到的上下两组支路信号进行高速互相关计算，输出结果；
所述步骤三中，两组光电平衡探测器（5）接收到的光信号分别可表示为：、/>，其中，/>为激光器产生的相位噪声，/>和/>为由测量系统引入的等效相位波动，测量系统引入的等效相位波动包括光电平衡探测器（5）的散粒噪声与热噪声、采集卡（8）的量化噪声，以及延时光纤（3）受到外界环境振动的影响；
两组采集卡（8）转化的数字信号分别表示为ADC1、ADC2，ADC1、ADC2依次通过希尔伯特变换得到其正交分量，反正切运算得到相位值和相位展开算法得到实际相位变化；
两路信号的总相位变化分别为：、/>，单路信号的功率谱为：/>、，其中，/>表示傅里叶变换，/>为激光器的相位噪声产生的功率谱贡献，/>和/>分别为测量系统中上支路和下支路的噪声引入的功率谱贡献；功率谱贡献指不同频率分量对总功率的贡献程度；
用上支路信号和下支路信号的互相关函数的傅里叶变换来估计单路信号的功率谱，可表示为：，其中，/>为/>与/>的互相关函数；
由傅里叶变换的性质可知，可表示为：，其中，为/>的傅里叶变换，/>为/>的傅里叶变换，/>为/>的傅里叶变换，为/>的傅里叶变换，/>为/>的傅里叶变换，/>为/>的傅里叶变换，*运算符表示取共轭，/>为/>的共轭；
在相位噪声测量中，相位噪声噪底强度和互相关次数有一定的关联性，其具体计算公式为：
互相关后的相位噪声噪底强度=和互相关前的相位噪声噪底强度的乘积；
其中,即/>，M为互相关运算的次数；
单路信号的功率谱作为对其相位噪声谱的估计，计算两路信号的互相关谱抑制系统噪声，最后积累多次互相关运算结果并平均。
2.一种窄线宽激光器的线宽测试系统，应用于权利要求1所述的一种窄线宽激光器的线宽测试方法，其特征在于：包括光源（1）和两组并联的短时延延时差拍信道，所述短时延延时差拍信道用于将待测激光光波相噪转化为参考源（7）频率上的相噪，并采用GPU后进行实时互相关计算后以抑制系统中噪声的影响；
所述短时延延时差拍信道包括耦合器（2）、短时延光纤差拍单元、光电信号转换模块、参考源（7）和采集卡（8），所述耦合器（2）用于光信号的耦合、分配或混合，所述短时延光纤差拍单元用于光信号到电信号的转换，所述短时延光纤差拍单元包括延时光纤（3）和声光移频器（4），光信号通过所述延时光纤（3）进行时延，光信号通过所述声光移频器（4）进行移频，所述参考源（7）用于驱动声光移频器（4），所述光电信号转换模块包括光电平衡探测器（5）、电放大器（6），所述光电平衡探测器（5）用于接入延时光纤（3）、声光移频器（4）输出的光信号的耦合后的光混频并生成电信号，所述电放大器（6）用于放大光电平衡探测器（5）输出的电信号，所述采集卡（8）用于将转化电放大器（6）输出的电信号转化为数字信号。
3.根据权利要求2所述的一种窄线宽激光器的线宽测试系统，其特征在于：所述延时光纤（3）为短光纤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 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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