CN117664531A - 基于单参考信号的激光信号特性测量方法及装置 - Google Patents

基于单参考信号的激光信号特性测量方法及装置 Download PDF

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CN117664531A CN202311677719.4A CN202311677719A CN117664531A CN 117664531 A CN117664531 A CN 117664531A CN 202311677719 A CN202311677719 A CN 202311677719A CN 117664531 A CN117664531 A CN 117664531A
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Suzhou Liuyaoliu Photoelectric Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于单参考信号的激光信号特性测量方法。包括：步骤1、将参考与待测激光信号波分复用为一路后，对其进行基于短延时的自零差/自外差探测并解波分复用，然后对所得到的对应于参考和待测激光信号的自零差/自外差探测光信号分别进行光电探测，分别得到参考和待测激光信号的拍频电信号；步骤2、提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据；步骤3、利用相对相位数据计算出待测激光信号以下特性参数中的至少一个：相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽。本发明还公开了一种基于单参考信号的激光信号特性测量装置。本发明可有效克服现有技术对于延时光纤长度、参考激光器性能等的限制。

Description

基于单参考信号的激光信号特性测量方法及装置
技术领域
本发明属于光电测量技术领域，尤其涉及一种激光信号特性测量方法及装置。
背景技术
随着激光器技术的飞速发展，半导体激光器在人类生活的各个领域如航空航天、材料加工、军事等具有广泛的应用。而窄线宽激光器由于线宽窄、噪声低、抗电磁干扰能力强、安全、可远程控制和价格比较合理等优点，在光通信、光传感、光遥感、高精度光谱、材料技术及矿井监测等领域都有它的身影。同时，激光器的线宽和相频噪声等参数对光纤传感系统的探测距离、探测精度、灵敏度以及噪声特性起决定性的作用，对通信的质量和水平有巨大的影响。
传统的激光器线宽测量方法主要有光谱分析仪法和法布里-玻罗(F-P)扫描干涉仪法两大类，但光谱分析仪法仅能测量GHz量级线宽，且法布里-玻罗(F-P)扫描干涉仪法检测的线宽极限在MHz量级。显然这两种方法已经不满足当前激光器线宽测量的发展需求。
常用的测量线宽的方法中延时自外差法和延时自零差法只需要一个光源，测试环境简单，但随着激光器线宽越来越窄，延时所需要的光纤可达上百公里，导致测量系统庞大、难以集成、成本高，并且会产生新的测量误差；而常用的测量线宽方法中双光束外差法具有高频带、高分辨率、高灵敏度的优点，但需与待测激光器频率相近的参考激光器，且两个激光器的光谱需为洛伦兹线型，这样所得的拍频功率谱的线宽大小为两激光器线宽的和。若两个激光器的光谱为高斯线型，则拍频功率谱线宽的大小为两激光器线宽的平方和，这就要求待测激光器的线宽远大于参考激光器的线宽，才能使得拍频谱的线宽与待测激光器的线宽近似相等。此外，现有基于相位解调原理的延时自外差或延时自零差探测的激光信号相频噪声测量方法受限于测量系统的信噪比和环境噪声的影响，要求对于线宽很窄的待测激光信号根据高频噪声信号的噪声谱密度确定待测激光信号的线宽，不能进一步直观地展示全频域下任意频率噪声谱对激光线型和线宽的影响。
综上可知，现有激光信号的线宽和相频噪声特性测量方案均存在较大不足，有必要进行改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于单参考信号的激光信号特性测量方法，在大幅提高激光信号的线宽和相频噪声特性测量精度的同时，可有效克服现有技术对于延时光纤长度、参考激光器性能等的限制，降低系统成本。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于单参考信号的激光信号特性测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将参考激光信号与待测激光信号波分复用为一路后，对其进行基于短延时的自零差/自外差探测并解波分复用，然后对所得到的对应于参考激光信号和待测激光信号的自零差/自外差探测光信号分别进行光电探测，分别得到参考激光信号的拍频电信号和待测激光信号的拍频电信号；所述参考激光信号与待测激光信号的波长不相同，且参考激光信号的相位噪声远小于待测激光信号的相位噪声；
步骤2、提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据；
步骤3、利用所述相对相位数据估计出待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度，并据此计算出待测激光信号以下特性参数中的至少一个：相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽。
作为其中一个优选方案，步骤1中使用自零差探测；步骤2中使用以下方法提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据：对每一路拍频电信号，将其分为两路，对其中的一路移相90度作为同相分量，另一路作为正交分量，然后将同相分量与正交分量相除后提取其反正切函数，从而得到这一路拍频电信号的相位数据；将待测激光信号的拍频电信号相位数据与参考激光信号的拍频电信号相位数据相减，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。
进一步地，先对待测激光信号的拍频电信号相位数据与参考激光信号的拍频电信号相位数据分别进行相位角平滑及去直流偏置操作，然后再将两者相减。
作为另一个优选方案，步骤1中使用自外差探测；步骤2中使用以下方法提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据：以待测激光信号的拍频电信号、参考激光信号的拍频电信号分别作为RF信号、LO信号，对两者进行IQ解调，并对IQ解调所得到的同相分量与正交分量分别进行低通滤波和放大；最后将低通滤波和放大后的同相分量与正交分量相除后提取其反正切函数，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。
进一步地，在提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据时，还包括：对所提取的反正切函数进行相位角平滑及去直流偏置操作。
基于同一发明构思还可得到以下技术方案：
一种基于单参考信号的激光信号特性测量装置，包括：
探测模块，用于将参考激光信号与待测激光信号波分复用为一路后，对其进行基于短延时的自零差/自外差探测并解波分复用，然后对所得到的对应于参考激光信号和待测激光信号的自零差/自外差探测光信号分别进行光电探测，分别得到参考激光信号的拍频电信号和待测激光信号的拍频电信号；所述参考激光信号与待测激光信号的波长不相同，且参考激光信号的相位噪声远小于待测激光信号的相位噪声；
相对相位提取模块，用于提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据；
数据处理模块，用于利用所述相对相位数据估计出待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度，并据此计算出待测激光信号以下特性参数中的至少一个：相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽。
作为其中一个优选方案，探测模块使用自零差探测；相对相位提取模块使用以下方法提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据：对每一路拍频电信号，将其分为两路，对其中的一路移相90度作为同相分量，另一路作为正交分量，然后将同相分量与正交分量相除后提取其反正切函数，从而得到这一路拍频电信号的相位数据；将待测激光信号的拍频电信号相位数据与参考激光信号的拍频电信号相位数据相减，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。
进一步地，相对相位提取模块先对待测激光信号的拍频电信号相位数据与参考激光信号的拍频电信号相位数据分别进行相位角平滑及去直流偏置操作，然后再将两者相减。
作为其中另一个优选方案，探测模块使用自外差探测；相对相位提取模块使用以下方法提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据：以待测激光信号的拍频电信号、参考激光信号的拍频电信号分别作为RF信号、LO信号，对两者进行IQ解调，并对IQ解调所得到的同相分量与正交分量分别进行低通滤波和放大；最后将低通滤波和放大后的同相分量与正交分量相除后提取其反正切函数，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。
进一步地，相对相位提取模块还对所提取的反正切函数进行相位角平滑及去直流偏置操作。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明利用相位噪声远小于待测激光信号的参考激光信号与待测激光信号波分复用，并将自零差/自外差探测方式与相对相位提取技术有机结合，可基于短延时光纤实现激光信号的相频噪声、线宽的精确测量，降低受1/f噪声影响而引起相位抖动的问题，改善测量系统的噪底限制和测量线宽的范围限制，且易于集成以实现小型化。
附图说明
图1为采用自零差探测方式的本发明激光信号特性测量装置原理框图；
图2为采用自零差探测方式的本发明激光信号特性测量装置中相对相位提取模块的一种优选结构示意图；
图3为采用自外差探测方式的本发明激光信号特性测量装置原理框图；
图4为采用自外差探测方式的本发明激光信号特性测量装置中相对相位提取模块的一种优选结构示意图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是利用相位噪声远小于待测激光信号的参考激光信号与待测激光信号波分复用，并将自零差/自外差探测方式与相对相位提取技术有机结合，可基于短延时光纤实现激光信号的相频噪声、线宽的精确测量，降低受1/f噪声影响而引起相位抖动的问题，改善测量系统的噪底限制和测量线宽的范围限制，且易于集成以实现小型化。
本发明所提出的基于单参考信号的激光信号特性测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将参考激光信号与待测激光信号波分复用为一路后，对其进行基于短延时的自零差/自外差探测并解波分复用，然后对所得到的对应于参考激光信号和待测激光信号的自零差/自外差探测光信号分别进行光电探测，分别得到参考激光信号的拍频电信号和待测激光信号的拍频电信号；所述参考激光信号与待测激光信号的波长不相同，且参考激光信号的相位噪声远小于待测激光信号的相位噪声；
步骤2、提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据；
步骤3、利用所述相对相位数据估计出待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度，并据此计算出待测激光信号以下特性参数中的至少一个：相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽。
本发明所提出的基于单参考信号的激光信号特性测量装置，包括：
探测模块，用于将参考激光信号与待测激光信号波分复用为一路后，对其进行基于短延时的自零差/自外差探测并解波分复用，然后对所得到的对应于参考激光信号和待测激光信号的自零差/自外差探测光信号分别进行光电探测，分别得到参考激光信号的拍频电信号和待测激光信号的拍频电信号；所述参考激光信号与待测激光信号的波长不相同，且参考激光信号的相位噪声远小于待测激光信号的相位噪声；
相对相位提取模块，用于提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据；
数据处理模块，用于利用所述相对相位数据估计出待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度，并据此计算出待测激光信号以下特性参数中的至少一个：相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽。
为了便于公众理解，下面分别通过采用自零差探测、自外差探测的两个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
图1显示了采用自零差探测方式的本发明激光信号特性测量装置原理框图，其包括参考激光器、光电探测器1、光电探测器2、波分复用器、解波分复用器、短延时光纤、两个光耦合器、相对相位提取模块、数据处理模块；其中，参考激光器的波长λ1与待测激光器的波长λ2不相同，且参考激光器的相位噪声远小于待测激光信号的相位噪声。如图1所示，波分复用器将参考激光器发出的参考激光信号与待测激光器发出的待测激光信号波分复用为一路后经由第一个光耦合器分为两路，其中一路经短延时光纤延时后与另一路再次耦合并解波分复用，从而得到分别对应于参考激光信号和待测激光信号的两路自零差探测光信号；两路自零差探测光信号分别经光电探测器1、2拍频，分别得到参考激光信号λ1的拍频电信号以及待测激光信号λ2的拍频电信号；相位提取模块提取出待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据；数据处理模块利用所述相对相位数据估计出待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度，并据此计算出待测激光信号以下特性参数中的至少一个：相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽。
其中相对相位提取模块可采用移相器、ADC等器件构成，考虑到基于ADC的相对相位提取模块在相对差足够小时，可完成“电压起伏-相位起伏”的转换，但是消除不了幅度噪声，而基于移相器的相对相位提取模块能消除幅度噪声；为此，本实施例中的相位提取模块采用图2所示结构，对所输入的每一路拍频电信号，将其分为两路，对其中的一路移相90度作为同相分量，另一路作为正交分量，然后对同相分量与正交分量进行ADC模数转换，并在数字域中相除后提取其反正切函数，从而得到这一路拍频电信号的相位数据，为了进一步提高相对相位提取的准确性，本实施例中还进一步对每一路拍频电信号的相位数据分别进行相位角平滑及去直流偏置操作；然后利用减法器将待测激光信号的拍频电信号相位数据与参考激光信号的拍频电信号相位数据相减，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。
光电探测器1、2所输出的电信号可分别表示为：
其中，I1、I2分别表示参考激光器的激光信号、待测激光器的激光信号进行自零差探测的拍频电信号；同理，E1、E2分别表示对应激光信号上下两路输出合并返回到光耦合器的光场强度，w1、w2分别表示对应激光信号的频率，分别表示对应激光信号的相位差；td为短延时光纤的延时时间，A(t)为测量系统和环境振动的本底噪声。
在相对相位提取模块中，每一主路的I/Q分量电信号表示为：
其中，I2(t)、Q2(t)、I1(t)、Q1(t)分别表示为待测激光信号的拍频电信号与参考激光信号的拍频电信号经过相对相位提取模块中I/Q分量电信号；
相对相位提取模块的每个主路将两个支路相除后可剔除幅度随机起伏的影响，有：
将上述运算结果再通过反正切函数并进行相位角平滑及去直流偏置操作，可得相位波动数据信号：
相对相位提取模块的两个主路通过减法器对他们的相位相减，可得相对相位数据信号：
由于参考激光器的线宽即相位噪声远小于待测激光器，故对于待测激光器的相位噪声来说，
故所述相对相位数据信号可表示为：
将上述相对相位数据信号应用现有的直接估计法(即先对信号序列求其傅里叶变换，变换结果乘自身的共轭并除以序列长度N，所得结果作为功率谱估计值)，即可得待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度此外，还可使用现有的间接估计法(即依据维纳-辛钦定理，求待测信号样本序列的自相关函数，再对其做傅里叶变换，将傅里叶变换结果作为功率谱估计值)得到待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度/>但当序列长度增大时，间接估计法中求相关函数的计算量陡增。因此本发明优选采用直接估计法对相对相位数据进行处理，以估计出待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度。
将上述待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度经过数学换算，可得待测激光信号的相位噪声功率谱密度和频率噪声功率谱密度为：
其中，为待测激光信号的相位噪声功率谱密度；Sf(f)为待测激光信号的频率噪声功率谱密度。
根据所得到的频率噪声功率谱密度，即可进一步采用β算法、功率面积法等各种现有激光线宽评估方案来表征激光器的线宽特性。
图3显示了采用自外差探测方式的本发明激光信号特性测量装置原理框图，其与图1的基本结构不同之处在于与延时支路平行的另一条支路上增加了移频模块，从而实现自外差探测。
其中，移频模块可采用声光调制器、电光调制器等方案实现。
相对相位提取模块可采用鉴相器、鉴频器、混频器、IQ解调器等器件来构成；其中，基于鉴频器或鉴频器的相对相位提取模块设置相对复杂，基于混频器的相对相位提取模块消除不了幅度噪声，而基于IQ解调器的相对相位提取模块无鉴相器和锁相环，不需要进行环路带宽修正，可以简化校准过程，并且消除幅度噪声；为此，本实施例中的相位提取模块采用图4所示结构，以待测激光信号的拍频电信号、参考激光信号的拍频电信号分别作为RF信号、LO信号，对两者进行IQ解调，并对IQ解调所得到的同相分量与正交分量分别进行低通滤波和放大；最后将低通滤波和放大后的同相分量与正交分量相除后提取其反正切函数；为了进一步提高相对相位提取的准确性，本实施例中还进一步对每一路反正切函数分别进行相位角平滑及去直流偏置操作，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。
光电探测器1、2所输出的电信号可分别表示为：
其中，I1、I2分别表示参考激光器的激光信号、待测激光器的激光信号进行自零差探测的拍频电信号；同理，E1、E2分别表示对应激光信号上下两路输出合并返回到光耦合器的光场强度，w1、w2分别表示对应激光信号的频率，分别表示对应激光信号的相位差；Ω为移频模块的移频频率，td为短延时光纤的延时时间，A(t)为测量系统和环境振动的本底噪声。
在相对相位提取模块中，经过低通滤波器和低噪声放大器模块的I/Q分量电信号表示为：
其中，I21(t)、Q21(t)分别表示为待测激光信号的拍频电信号作为RF信号与参考激光信号的拍频电信号作为LO信号的I/Q分量电信号。
由于参考激光器的线宽即相位噪声远小于待测激光器，故对于待测激光器的相位噪声来说，
故可将上述经过低通滤波器和低噪声放大器模块的I/Q分量电信号表示为：
将两路通道电信号相除可剔除幅度随机起伏的影响，有：
将上述运算结果再通过反正切函数并进行相位角平滑及去直流偏置操作，可得相对相位数据：
基于上述相对相位数据，即可使用现有的直接估计法、间接估计法等估计出待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度然后即可计算出待测激光信号的相位噪声功率谱密度/>和频率噪声功率谱密度Sf(f)，还可以进一步根据频率噪声功率谱密度Sf(f)，采用β算法、功率面积法等各种现有激光线宽评估方案来表征激光器的线宽特性。

Claims (10)

1.一种基于单参考信号的激光信号特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将参考激光信号与待测激光信号波分复用为一路后，对其进行基于短延时的自零差/自外差探测并解波分复用，然后对所得到的对应于参考激光信号和待测激光信号的自零差/自外差探测光信号分别进行光电探测，分别得到参考激光信号的拍频电信号和待测激光信号的拍频电信号；所述参考激光信号与待测激光信号的波长不相同，且参考激光信号的相位噪声远小于待测激光信号的相位噪声；
步骤2、提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据；
步骤3、利用所述相对相位数据估计出待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度，并据此计算出待测激光信号以下特性参数中的至少一个：相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽。
2.如权利要求1所述基于单参考信号的激光信号特性测量方法，其特征在于，步骤1中使用自零差探测；步骤2中使用以下方法提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据：对每一路拍频电信号，将其分为两路，对其中的一路移相90度作为同相分量，另一路作为正交分量，然后将同相分量与正交分量相除后提取其反正切函数，从而得到这一路拍频电信号的相位数据；将待测激光信号的拍频电信号相位数据与参考激光信号的拍频电信号相位数据相减，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。
3.如权利要求2所述基于单参考信号的激光信号特性测量方法，其特征在于，先对待测激光信号的拍频电信号相位数据与参考激光信号的拍频电信号相位数据分别进行相位角平滑及去直流偏置操作，然后再将两者相减。
4.如权利要求1所述基于单参考信号的激光信号特性测量方法，其特征在于，步骤1中使用自外差探测；步骤2中使用以下方法提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据：以待测激光信号的拍频电信号、参考激光信号的拍频电信号分别作为RF信号、LO信号，对两者进行IQ解调，并对IQ解调所得到的同相分量与正交分量分别进行低通滤波和放大；最后将低通滤波和放大后的同相分量与正交分量相除后提取其反正切函数，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。
5.如权利要求4所述基于单参考信号的激光信号特性测量方法，其特征在于，在提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据时，还包括：对所提取的反正切函数进行相位角平滑及去直流偏置操作。
6.一种基于单参考信号的激光信号特性测量装置，其特征在于，包括：
探测模块，用于将参考激光信号与待测激光信号波分复用为一路后，对其进行基于短延时的自零差/自外差探测并解波分复用，然后对所得到的对应于参考激光信号和待测激光信号的自零差/自外差探测光信号分别进行光电探测，分别得到参考激光信号的拍频电信号和待测激光信号的拍频电信号；所述参考激光信号与待测激光信号的波长不相同，且参考激光信号的相位噪声远小于待测激光信号的相位噪声；
相对相位提取模块，用于提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据；
数据处理模块，用于利用所述相对相位数据估计出待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度，并据此计算出待测激光信号以下特性参数中的至少一个：相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽。
7.如权利要求6所述基于单参考信号的激光信号特性测量装置，其特征在于，探测模块使用自零差探测；相对相位提取模块使用以下方法提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据：对每一路拍频电信号，将其分为两路，对其中的一路移相90度作为同相分量，另一路作为正交分量，然后将同相分量与正交分量相除后提取其反正切函数，从而得到这一路拍频电信号的相位数据；将待测激光信号的拍频电信号相位数据与参考激光信号的拍频电信号相位数据相减，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。
8.如权利要求7所述基于单参考信号的激光信号特性测量装置，其特征在于，相对相位提取模块先对待测激光信号的拍频电信号相位数据与参考激光信号的拍频电信号相位数据分别进行相位角平滑及去直流偏置操作，然后再将两者相减。
9.如权利要求6所述基于单参考信号的激光信号特性测量装置，其特征在于，探测模块使用自外差探测；相对相位提取模块使用以下方法提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据：以待测激光信号的拍频电信号、参考激光信号的拍频电信号分别作为RF信号、LO信号，对两者进行IQ解调，并对IQ解调所得到的同相分量与正交分量分别进行低通滤波和放大；最后将低通滤波和放大后的同相分量与正交分量相除后提取其反正切函数，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。
10.如权利要求9所述基于单参考信号的激光信号特性测量装置，其特征在于，相对相位提取模块还对所提取的反正切函数进行相位角平滑及去直流偏置操作。
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