RU2664692C1 - Measuring phase noise of narrow-band laser based on the mach-zehnder interferometer consisting of the rm-fiber - Google Patents
Measuring phase noise of narrow-band laser based on the mach-zehnder interferometer consisting of the rm-fiber Download PDFInfo
- Publication number
- RU2664692C1 RU2664692C1 RU2017136195A RU2017136195A RU2664692C1 RU 2664692 C1 RU2664692 C1 RU 2664692C1 RU 2017136195 A RU2017136195 A RU 2017136195A RU 2017136195 A RU2017136195 A RU 2017136195A RU 2664692 C1 RU2664692 C1 RU 2664692C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- interferometer
- phase
- phase noise
- noise
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
- G01M11/02—Testing optical properties
- G01M11/0207—Details of measuring devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
- G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
- G01M11/33—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter being disposed at one fibre or waveguide end-face, and a light receiver at the other end-face
- G01M11/331—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter being disposed at one fibre or waveguide end-face, and a light receiver at the other end-face by using interferometer
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
- G01R29/26—Measuring noise figure; Measuring signal-to-noise ratio
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к устройствам измерения фазового шума методом частотного дискриминатора, в качестве которого выступает интерферометр Маха-Цендера, и может быть использовано для аттестации узкополосных высокостабильных лазеров, применяемых в линиях связи, гидрофонах, лидарных системах, а также в фазочувствительной рефлектометрии.The invention relates to devices for measuring phase noise by the method of frequency discriminator, which is a Mach-Zehnder interferometer, and can be used to certify narrow-band highly stable lasers used in communication lines, hydrophones, lidar systems, as well as in phase-sensitive reflectometry.
Уровень техникиState of the art
Частотная нестабильность, вызванная спонтанными переходами, оптическими потерями и техническим шумом, связанным с вибрациями и температурными флуктуациями в резонаторе лазера, оказывает существенное влияние на качество работы линий связи, ограничивая спектральную ширину линии, на системы мониторинга состояния объектов с помощью когерентной фазочувствительной рефлектометрии. Наиболее общей характеристикой частотной нестабильности лазера является спектральная плотность мощности флуктуаций фазы - фазовый шум. Одним из основных методов измерения фазового шума является метод когерентного частотного дискриминатора, преимущества которого заключаются в возможности измерения чрезвычайно узкой ширины линии спектра лазера, измерении характеристики в широком спектральном диапазоне, а также возможность измерения изменения частоты от времени. В методе частотного дискриминатора флуктуации частоты лазерного излучения за счет разности плеч в волоконном интерферометре преобразуются во флуктуации разности фаз интерферирующих волн. Эта разность фаз определяет интенсивность интерференционной картины. Регулируя время реализации, можно варьировать частотное разрешение; увеличение времени реализации позволяет измерять спектральную плотность фазового шума на низких частотах. Дополнительное измерение мощности лазера дает возможность учесть относительный шум интенсивности и компенсировать его влияние на результат вычисления фазового шума.Frequency instability caused by spontaneous transitions, optical loss, and technical noise associated with vibrations and temperature fluctuations in the laser cavity has a significant effect on the quality of communication lines, limiting the spectral line width, on systems for monitoring the state of objects using coherent phase-sensitive reflectometry. The most common characteristic of laser frequency instability is the spectral power density of phase fluctuations — phase noise. One of the main methods for measuring phase noise is the coherent frequency discriminator method, the advantages of which are the ability to measure the extremely narrow line width of the laser spectrum, measure the characteristics in a wide spectral range, and also the ability to measure frequency changes over time. In the method of a frequency discriminator, fluctuations in the frequency of laser radiation due to the shoulder difference in the fiber interferometer are converted into fluctuations in the phase difference of the interfering waves. This phase difference determines the intensity of the interference pattern. By adjusting the implementation time, you can vary the frequency resolution; an increase in implementation time allows the spectral density of phase noise to be measured at low frequencies. An additional measurement of the laser power makes it possible to take into account the relative intensity noise and compensate for its influence on the result of the calculation of phase noise.
В патенте США US 5995223A (опубл. 30.11.1999) описано устройство для быстрой фазовой интерферометрии. Данный прибор выполняет восстановление фазы интерференционного сигнала от тестовой среды с пространственно меняющейся оптической длиной. Устройство также использует принцип разделения по состоянию поляризации и внесение дополнительной разности хода в одну из поляризационных компонент. Регистрируемые интерференционные сигналы смещены по фазе на 90 градусов, что позволяет восстанавливать интерферометрическую фазовую картину тестовой среды от 0 до 2π радиан. Предложенная схема может использоваться для измерения фазовых шумов, однако в данном патенте это не основная задача устройства. Достоинством данного прибора является устойчивости к вибрациям и нестабильностям условий окружающей среды.In US patent US 5995223A (publ. 30.11.1999) describes a device for fast phase interferometry. This device performs phase reconstruction of the interference signal from a test medium with a spatially varying optical length. The device also uses the principle of separation according to the state of polarization and the introduction of an additional path difference in one of the polarization components. The recorded interference signals are phase-shifted by 90 degrees, which allows reconstructing the interferometric phase picture of the test medium from 0 to 2π radians. The proposed scheme can be used to measure phase noise, however, in this patent this is not the main task of the device. The advantage of this device is its resistance to vibrations and instabilities of environmental conditions.
Основной его недостаток, обусловленный областью применения устройства, заключается в его пространственной реализации, которая, по сравнению с волоконной, имеет большие габариты и большие потери мощности излучения, а также очень сложную периодическую юстировку.Its main drawback, due to the scope of the device, is its spatial implementation, which, compared to fiber, has large dimensions and large losses of radiation power, as well as a very complex periodic alignment.
В патентной заявке США US 20110122906 А1 (опубл. 26.05.2011) описана установка, использующая волоконный несбалансированный интерферометр Маха-Цендера и отведенный эталонный сигнал от лазера для измерения длины волны источника излучения.US patent application US 20110122906 A1 (publ. May 26, 2011) describes an apparatus using a fiber unbalanced Mach-Zehnder interferometer and a dedicated reference signal from a laser to measure the wavelength of the radiation source.
Однако предложенная схема в данном патенте не используется для измерения фазовых шумов лазера, а только для контроля испускаемого лазером излучения. Также недостатком патента является наличие только одного интерферометра Маха-Цендера, а это приведет к высокой нестабильности измерений при наличии внешних факторов.However, the proposed circuit in this patent is not used to measure the phase noise of the laser, but only to control the radiation emitted by the laser. Also, the patent drawback is the presence of only one Mach-Zehnder interferometer, and this will lead to high measurement instability in the presence of external factors.
Устройство, описанное в патенте США US 5671301 A (опубл. 23.09.1997), основано на измерении разности фаз между опорным и измерительным сигналами и обработки полученных данных. Устройство выполнено на основе интерферометра Маха-Цендера, в опорном плече которого установлен фазовращатель, контролируемый пьезоэлектрическим элементом через блок обработки сигнала. Таким образом, сформирована обратная связь, что негативно сказывается на стоимости данного устройства.The device described in US patent US 5671301 A (publ. 23.09.1997), based on measuring the phase difference between the reference and measuring signals and processing the received data. The device is based on a Mach-Zehnder interferometer, in the supporting arm of which there is a phase shifter controlled by a piezoelectric element through a signal processing unit. Thus, feedback is formed, which negatively affects the cost of this device.
В патенте РФ RU 2569052 C1 (опубл. 20.11.2015) представлен способ компенсации дрейфа частоты опорного источника излучения в спектрометрическом приборе на основе фурье-интерферометра. Метод компенсации основан на получении и накоплении данных, представляющих опорную интерферограмму, которая зависит от частоты излучения опорного источника; а также данных, представляющий сигнальную интерферограмму, записанную фурье-интерферометром. Опорная и сигнальная интерферограммы сравниваются в арифметическом блоке для определения фазового сдвига, затем производятся математические преобразования для управления действием спектрометра для получения интерферограммы неизвестного образца.In the patent of the Russian Federation RU 2569052 C1 (publ. 20.11.2015) a method of compensating for the frequency drift of a reference radiation source in a spectrometric device based on a Fourier interferometer is presented. The compensation method is based on the acquisition and accumulation of data representing the reference interferogram, which depends on the radiation frequency of the reference source; as well as data representing a signal interferogram recorded by a Fourier interferometer. The reference and signal interferograms are compared in an arithmetic unit to determine the phase shift, then mathematical transformations are performed to control the action of the spectrometer to obtain an interferogram of an unknown sample.
Данная схема позволяет скомпенсировать шумы лазера, но при этом не измеряет непосредственно спектральную плотность фазового шума лазера.This scheme allows you to compensate for laser noise, but does not directly measure the spectral density of the phase noise of the laser.
В качестве прототипа была выбрана установка, описанная в патенте США US 4918373 (опубл. 17.04.1990). В данной установке сигнал от источника делится ответвителем на два компонента, один из которых поступает на волоконную линию задержки, вносящую определенное запаздывание в этот сигнал. Другая часть проходит через регулируемый фазовращатель, который смещает фазу подаваемого сигнала. Оба сигнала затем поступают на волоконный соединитель, результат смешения усиливается слабошумящим усилителем и затем подается на электрический анализатор спектра, который отображает частотное распределение фазового шума. Результат смешения сигналов зависит от относительной разности фаз и представляет изменения амплитуды. Другими словами, система преобразует фазовый шум исследуемого сигнала во флуктуации амплитуды интерференционного сигнала, которые затем исследуются на спектроанализаторе.As a prototype, the installation described in US patent US 4918373 (publ. 04.17.1990) was selected. In this installation, the signal from the source is divided by the coupler into two components, one of which enters the fiber delay line, introducing a certain delay into this signal. The other part passes through an adjustable phase shifter, which biases the phase of the supplied signal. Both signals are then fed to the fiber connector, the result of the mixing is amplified by a low-noise amplifier and then fed to an electric spectrum analyzer, which displays the frequency distribution of the phase noise. The result of signal mixing depends on the relative phase difference and represents the amplitude changes. In other words, the system converts the phase noise of the signal under study into fluctuations in the amplitude of the interference signal, which are then studied on a spectrum analyzer.
Основным недостатком прототипа является необходимость опорного высокостабильного источника излучения, а также схемы обратной связи для удержания рабочей точки интерферометра в области квадратуры.The main disadvantage of the prototype is the need for a highly stable reference radiation source, as well as a feedback circuit for holding the operating point of the interferometer in the quadrature region.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачами изобретения являются минимизация погрешности измерения фазовых шумов узкополосного лазера при отсутствии необходимости использования высокостабильного источника излучения и схемы обратной связи, обеспечивающей рабочую точку интерферометра.The objectives of the invention are to minimize the measurement error of the phase noise of a narrow-band laser in the absence of the need to use a highly stable radiation source and feedback circuit providing the operating point of the interferometer.
Указанная задача решается предлагаемым измерителем фазовых шумов узкополосных лазеров, включающим в себя: оптический ответвитель, формирующий два канала: первый, регистрирующий мгновенные значения мощности источника, и второй, записывающий два интерференционных сигнала. Поляризатор во втором канале формирует линейно-поляризованное излучение на входе в разбалансированный волоконный интерферометр Маха-Цендера, выполненный из волоконно-оптического ответвителя 1×2 на основе волокна с сохранением состояния поляризации (РМ-волокна) на входе интерферометра, дополнительного волокна с сохранением состояния поляризации (РМ-волокна), вносящего разность фаз, и волоконно-оптического ответвителя 2×1 на основе волокна с сохранением состояния поляризации (РМ-волокна) на выходе интерферометра. После интерферометра Маха-Цендера расположен поляризационный светоделитель, разделяющий два интерференционных сигнала от ортогонально поляризованных волн. Далее расположены три приемника оптического излучения, два из которых находятся после поляризационного светоделителя во втором канале, а один в первом канале, и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), на который приходят сигналы со всех трех приемников, выходы которого подключены к блоку обработки его цифровых сигналов для вычисления спектральной плотности мощности фазового шума за счет выполнения функций в следующем порядке: нормировка интерференционного сигнала на мгновенные значения сигнала, пропорционального мощности лазера, с целью компенсации относительного шума интенсивности лазера; высокочастотная фильтрация с целью компенсации температурной нестабильности; вычисление флуктуаций фазы и расчет спектральной плотности мощности фазового шума.This problem is solved by the proposed phase-noise meter of narrow-band lasers, which includes: an optical coupler that forms two channels: the first, which records the instantaneous values of the source power, and the second, which records two interference signals. The polarizer in the second channel generates linearly polarized radiation at the input to the unbalanced Mach-Zehnder fiber interferometer made of a 1 × 2 fiber-optic coupler based on a fiber with preservation of the polarization state (PM fiber) at the input of the interferometer, an additional fiber with preservation of the polarization state (PM fiber), introducing a phase difference, and a fiber
Возможность проведения корректных измерений без опорного источника излучения достигается за счет формирования двух интерференционных сигналов для ортогонально поляризованных волн при помощи разбалансированного интерферометра Маха-Цендена, состоящего из волокна с сохранением состояния поляризации (РМ-волокна), дальнейшего разделения интерференционных сигналов с помощью поляризационного светоделителя в волоконном исполнении и последующего их анализа. В интерферометр поступает линейно поляризованное лазерное излучение, ориентированное под углом 45° по отношению к быстрой и медленной осям РМ-волокна, сформированное после прохождения лазерного пучка через поляризатор. Разбалансированный волоконный интерферометр Маха-Цендера включает в себя два ответвителя 1x2, выполненных из РМ-волокна и делящих излучение в равном соотношении, а также дополнительного участка РМ-волокна, включенного в одно из плеч интерферометра. Часть излучения от исследуемого источника через волоконный ответвитель 1×2 поступает непосредственно на приемник излучения для измерения относительного шума интенсивности исследуемого лазера и компенсации его влияния на оценку фазового шума, вторая часть проходит поляризатор, интерферометр и поляризационный светоделитель, после чего интерференционные сигналы от ортогонально поляризованных волн с выходов поляризационного светоделителя также поступают на приемники излучения. Коэффициент деления первого ответвителя выбирается таким образом, чтобы величина сигнала на всех трех приемниках была одного порядка. Три оцифрованных при помощи АЦП сигнала формируют реализации, которые обрабатываются по определенному алгоритму с целью вычисления спектральной плотности мощности фазового шума.The possibility of making correct measurements without a reference radiation source is achieved by generating two interference signals for orthogonally polarized waves using an unbalanced Mach-Zenden interferometer consisting of a fiber with the polarization state preserved (PM fiber), further separation of interference signals using a polarizing beam splitter in a fiber execution and their subsequent analysis. A linearly polarized laser radiation, oriented at an angle of 45 ° relative to the fast and slow axes of the PM fiber, formed after the laser beam passes through the polarizer, enters the interferometer. The unbalanced Mach-Zehnder fiber interferometer includes two 1x2 couplers made of PM fiber and sharing radiation in equal proportions, as well as an additional part of the PM fiber included in one of the arms of the interferometer. Part of the radiation from the test source through the 1 × 2 fiber coupler goes directly to the radiation receiver to measure the relative noise of the studied laser intensity and compensate for its influence on the phase noise estimate, the second part passes through a polarizer, an interferometer and a polarization beam splitter, after which interference signals from orthogonally polarized waves the outputs of the polarizing beam splitter also go to radiation receivers. The division ratio of the first coupler is selected so that the signal value at all three receivers is of the same order. Three signals digitized using the ADC form realizations that are processed according to a certain algorithm in order to calculate the spectral power density of the phase noise power.
Уменьшение погрешности измерений достигается за счет уменьшения влияния температурных нестабильностей и вибраций на интерферометр путем линейной фильтрации интерференционных сигналов, а также за счет компенсации относительного шума интенсивности лазера, который измеряется предложенным устройством путем записи мгновенных значений мощности излучения лазера. Предложенную схему можно рассматривать как два интерферометра для независимых состояний поляризации. Так как фактически интерферометр единый, то на оба выходных интерференционных сигнала влияют одинаковые внешние условия: температурные изменения, вибрации, давление. Перечисленные внешние воздействия представляют собой достаточно медленные процессы, в связи с чем интерферограммы будут коррелировать между собой, что позволяет при цифровой обработке применить высокочастотную фильтрацию и тем самым компенсировать влияние шумов интерферометра на измерение фазового шума. Также за счет реализации двух интерферометров возможно компенсировать нелинейность рабочего участка интерферометра, которая имеет место в схемах с одним интерферометром без обратной связи и приводит к искажению интерференционного сигнала из-за возникновения колебаний на дополнительных частотах.Reducing the measurement error is achieved by reducing the influence of temperature instabilities and vibrations on the interferometer by linearly filtering interference signals, and also by compensating for the relative noise of the laser intensity, which is measured by the proposed device by recording the instantaneous values of the laser radiation power. The proposed scheme can be considered as two interferometers for independent polarization states. Since the interferometer is actually single, then the same external conditions influence both output interference signals: temperature changes, vibrations, pressure. The listed external influences are rather slow processes, in connection with which the interferograms will correlate with each other, which allows high-frequency filtering to be applied during digital processing and thereby compensate for the effect of interferometer noise on the measurement of phase noise. Also, due to the implementation of two interferometers, it is possible to compensate for the nonlinearity of the working section of the interferometer, which occurs in circuits with one interferometer without feedback and leads to a distortion of the interference signal due to oscillations at additional frequencies.
Перечень фигурList of figures
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого измерителя.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed meter.
На фиг. 2 представлены графики фазовых шумов, полученных экспериментально.In FIG. 2 shows graphs of phase noise obtained experimentally.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого измерителя. Измеритель содержит оптический разъем 1, к которому подключается исследуемый лазер; волоконно-оптический ответвитель на два канала (1×2) 2; поляризатор 3 с выходом, выполненным из РМ-волокна; волоконно-оптический ответвитель (1×2) с сохранением состояния поляризации 4, дополнительное РМ-волокно 5; волоконно-оптический ответвитель (2×1) с сохранением состояния поляризации 6 для объединения двух сигналов; поляризационный светоделитель 7; три приемника излучения 8; аналого-цифровой преобразователь 9 и блок цифровой обработки сигналов 10. Все компоненты от поляризатора 3 до приемников излучения 8 выполнены из РМ-волокна (волокна с сохранением состояния поляризации), которое позволяет передавать излучение с ортогональными состояниями поляризации независимо друг от друга и тем самым сформировать два интерференционных сигнала, которые впоследствии разделяются поляризационным светоделителем 7.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed meter. The meter contains an
Исследуемый узкополосный лазер подключают к оптическому разъему 1, соединенному с волоконно-оптическим ответвителем (1×2) 2, делящим энергию излучения в долях, определяемых из условия обеспечения достаточного для корректной работы отношения сигнал/шум, при этом величина сигнала на всех трех приемниках должна быть одного порядка. Один из выходов ответвителя 2 подключают к поляризатору 3 излучения, второй - напрямую к одному из приемников излучения 8. Выход поляризатора 3 подключают к оптическому ответвителю (1×2) излучения на основе РМ-волокна 4, делящего излучение между двумя плечами интерферометра в соотношении 50% на 50%. При этом медленная ось входного волокна ответвителя (1×2) 4 должна быть ориентирована под углом 45° к направлению поляризации излучения после поляризатора, то есть к медленной или быстрой оси выходного РМ-волокна. В одно из плеч интерферометра включено РМ-волокно 5, вносящее определенную разность фаз между интерферирующими волнами, тем самым обеспечивая рабочую точку интерферометра. Длину волокна 5 подбирают таким образом, чтобы изменения в интенсивности интерференционного сигнала, обусловленные флуктуациями частоты лазера, возможно было зарегистрировать. При длине волокна 70 см оптическая разность хода в плечах интерферометра составляет 1 м (, где - длина волокна, n - показатель преломления), что позволяет измерять фазовые шумы лазера, нормированные на единицу оптической длины. Излучение после прохождения плеч интерферометра объединяется волоконно-оптический ответвителем (2×1) 6, выход которого соединен с поляризационным светоделителем 7. Интерференционные сигналы от ортогонально поляризованных волн, сформированных на выходах поляризационного светоделителя 7, регистрируются приемниками излучения 8, подключенными к АЦП 9. Оцифрованные сигналы с трех каналов АЦП передаются в блок цифровой обработки сигнала 10, в котором рассчитывается спектральная плотность фазового шума за счет выполнения функций в следующем порядке: нормировка интерференционного сигнала на мгновенные значения сигнала, пропорционального мощности лазера, с целью компенсации относительного шума интенсивности лазера; высокочастотная фильтрация с целью компенсации температурной нестабильности; вычисление флуктуаций фазы и расчет спектральной плотности мощности фазового шума.The studied narrow-band laser is connected to an
Таким образом часть излучения от исследуемого источника через волоконный ответвитель (1×2) с известным коэффициентом деления поступает непосредственно на приемник излучения, вторая часть проходит поляризатор, интерферометр и поляризационный светоделитель, после чего интерференционные сигналы от ортогонально поляризованных волн с выходов поляризационного светоделителя также поступают на приемники излучения. В интерферометр поступает линейно поляризованное лазерное излучение, ориентированное под углом 45° по отношению к быстрой и медленной осям РМ-волокна, сформированное после прохождения лазерного пучка через поляризатор. Разбалансированный волоконный интерферометр Маха-Цендера включает в себя ответвители (1×2) и (2×1), выполненные из РМ-волокна и делящие излучение в равном соотношении, а также дополнительный участок РМ-волокна, включенный в одно из плеч интерферометра. Три оцифрованных при помощи АЦП сигнала формируют реализации, которые обрабатываются по вышеуказанному алгоритму с целью вычисления спектральной плотности мощности фазового шума.Thus, part of the radiation from the studied source through the fiber coupler (1 × 2) with a known fission factor goes directly to the radiation receiver, the second part passes the polarizer, interferometer and polarizing beam splitter, after which interference signals from orthogonally polarized waves from the outputs of the polarizing beam splitter radiation receivers. A linearly polarized laser radiation, oriented at an angle of 45 ° relative to the fast and slow axes of the PM fiber, formed after the laser beam passes through the polarizer, enters the interferometer. The unbalanced Mach-Zehnder fiber interferometer includes (1 × 2) and (2 × 1) couplers made of PM fiber and sharing radiation in equal proportions, as well as an additional portion of the PM fiber included in one of the arms of the interferometer. Three ADC-digitized signals form realizations that are processed according to the above algorithm in order to calculate the spectral power density of phase noise power.
Интерферометр преобразует малые изменения частоты в изменения интенсивности, которые далее преобразуются приемниками в изменения фототока и, соответственно, напряжения. Так как на входе интерферометра направление вектора напряженности электрического поля поляризованного излучения отклонено на 45 градусов относительно быстрой и медленной осей РМ-волокна, по волокну распространяются две ортогональные компоненты Ex и Ey с разными скоростями, что при прохождении излучением волокна длиной Lw приводит к возникновению разностей фаз между двумя плечами интерферометра, различных для ортогональных поляризаций. Таким образом, предложенную схему измерителя можно рассматривать в виде двух интерферометров для независимых состояний поляризации. Полученные интерференционные сигналы описываются следующими выражениями:The interferometer converts small changes in frequency into changes in intensity, which are further converted by receivers into changes in photocurrent and, accordingly, voltage. Since at the input of the interferometer the direction of the electric field vector of the polarized radiation is deflected by 45 degrees relative to the fast and slow axes of the PM fiber, two orthogonal components E x and E y propagate at different speeds along the fiber, which, when a fiber passes through a fiber of length L w, leads to the occurrence of phase differences between the two arms of the interferometer, different for orthogonal polarizations. Thus, the proposed meter circuit can be considered in the form of two interferometers for independent polarization states. Received interference signals are described by the following expressions:
где Iвх(t) - сигнал на входе, ν(t) - частота лазера, с - скорость света, Δ1(t) и Δ2(t) - оптические разности хода лучей в плечах интерферометра для ортогональных составляющих Ex и Ey, соответственно.where I in (t) is the input signal, ν (t) is the laser frequency, s is the speed of light, Δ 1 (t) and Δ 2 (t) are the optical path differences at the arms of the interferometer for the orthogonal components E x and E y , respectively.
Δ1(t)=nxLw,Δ 1 (t) = n x L w ,
Δ2(t)=nyLw=(nx+Δn)Lw,Δ 2 (t) = n y L w = (n x + Δ n ) L w ,
Δn=λ/BLΔn = λ / BL
где Lw - длина РМ-волокна, λ - длина волны лазера, nx, ny - показатели преломления медленной и быстрой осей, соответственно, Δn - разность в показателях преломления для ортогональных составляющих, BL=3…5 мм - длина биений (параметр РМ-волокна, определяющий расстояние, при прохождении которого разность фаз между ортогональными поляризованными модами равна 2π).where L w is the length of the PM fiber, λ is the laser wavelength, n x, n y are the refractive indices of the slow and fast axes, respectively, Δn is the difference in refractive indices for orthogonal components, BL = 3 ... 5 mm is the length of the beats ( the parameter of the RM fiber, which determines the distance at which the phase difference between the orthogonal polarized modes is 2π).
Помимо интерференционных сигналов на протяжении интервала времени измерения записывается сигнал, пропорциональный мощности лазера , которая может использоваться для компенсации влияния шумов интенсивности лазера на результат интерференции. Данную компенсацию амплитудной нестабильности предлагается выполнять после вычисления коэффициента пропорциональности, отвечающего за отношение средних потоков от лазера и интерферометра:In addition to interference signals, a signal proportional to the laser power is recorded during the measurement time interval , which can be used to compensate for the effect of laser intensity noise on the result of interference. It is proposed to perform this compensation of amplitude instability after calculating the proportionality coefficient, which is responsible for the ratio of the average fluxes from the laser and the interferometer:
где <Ix> - среднее значение интенсивности интерференционного сигнала от компоненты, поляризованной вдоль быстрой оси РМ-волокна, <> - среднее значение мощности лазера.where <I x > is the average value of the intensity of the interference signal from the component polarized along the fast axis of the PM fiber, < > is the average laser power.
Далее производится вычитание постоянной составляющей из интерференционного сигнала с учетом шума интенсивности:Next, the constant component is subtracted from the interference signal, taking into account the intensity noise:
, ,
где - колебания интерференционного сигнала для х-компоненты относительно среднего значения. Для получения гармонической составляющей необходимо нормировать на мгновенные значения интерференционного сигнала с учетом мощности лазера:Where - oscillations of the interference signal for the x-component relative to the average value. To obtain the harmonic component, it is necessary to normalize to the instantaneous values of the interference signal, taking into account the laser power:
Для компенсации влияния температурных нестабильностей интерферометра, анализируются фурье-спектры двух интерференционных сигналов и производится их фильтрация в области наибольшей корреляции. После произведенных операций вычисляются флуктуации фазы интерференционного сигнала как аргумент гармонической функции:To compensate for the influence of temperature instabilities of the interferometer, the Fourier spectra of two interference signals are analyzed and filtered in the region of greatest correlation. After the operations performed, the phase fluctuations of the interference signal are calculated as an argument of the harmonic function:
, ,
где - фильтрованный интерференционный сигнал, Ф1 - флуктуации фазы.Where - filtered interference signal, Ф 1 - phase fluctuations.
Спектральная плотность мощности фазового шума вычисляется по формуле:The spectral power density of phase noise is calculated by the formula:
, ,
где T - время записанной реализации; Δt=1/ƒ∂ - период дискретизации АЦП, ƒ∂ - частота дискретизации. Варьируя параметры считывания АЦП: частоту дискретизации и время записи - возможно вычислять спектральную плотность в нужном спектральном диапазоне и с необходимым частотным разрешением.where T is the time of the recorded implementation; Δt = 1 / ƒ ∂ - ADC sampling period, ƒ ∂ - sampling frequency. By varying the parameters of the ADC reading: the sampling frequency and the recording time, it is possible to calculate the spectral density in the desired spectral range and with the necessary frequency resolution.
Эффект компенсации влияния температуры достигается за счет фильтрации интерференционных сигналов в области наибольшей корреляции их спектров. Это связано с тем, что реализован единый интерферометр, то есть разность фаз обеих интерференционных картин изменяется одинаковым образом под влиянием внешних шумов: температурных изменений, вибраций, давления.The effect of temperature compensation is achieved by filtering interference signals in the region of the highest correlation of their spectra. This is due to the fact that a single interferometer is implemented, that is, the phase difference of both interference patterns changes in the same way under the influence of external noise: temperature changes, vibrations, pressure.
Уменьшение влияния шумов интенсивности источника достигается с помощью введения дополнительного канала, регистрирующего мгновенные значения мощности лазера и последующего использования этих данных в алгоритме цифровой обработки сигналов.Reducing the effect of noise intensity of the source is achieved by introducing an additional channel that records the instantaneous values of the laser power and the subsequent use of these data in the digital signal processing algorithm.
Предложенный измеритель позволяет также избежать возможной нечувствительности интерферометра в связи с тем, что записываются два интерференционных сигнала, сдвинутых по фазе друг относительно друга на фиксированную величину, не зависящую от изменения внешних условий.The proposed meter also allows you to avoid the possible insensitivity of the interferometer due to the fact that two interference signals are recorded, which are phase shifted relative to each other by a fixed amount, independent of changes in external conditions.
Предложенный алгоритм обработки был применен к интерференционным сигналам от нескольких лазеров. В статье Pnev Alexey В.; Stepanov Konstantin V.; Dvoretskiy Dmitriy A.; Zhimov Andrei A.; Nesterov Evgeny Т.; Sazonkin Stanislav G.; Chemutsky Anton O.; Shelestov Dmitriy A.; Fedorov Aleksey K.; Svelto Cesare; Karasik Valeriy E. Minimization of errors in narrowband laser phase noise measurements based on reference measurement channels // International journal of advanced biotechnology and research. (2016), - V. 7, - I. 4, - PP. 1445-1451 представлены результаты измерений спектральной плотности фазового шума лазера Redfem Integrated Optic (фиг. 2). Измеренные спектральные плотности фазового шума сравнивались со спектральной плотностью фазового шума, представленной в документации на данный лазер. Характеристика, полученная без применения алгоритма компенсации относительного шума интенсивности (график 11), на порядки превышает спектральную плотность фазового шума, представленную в документации производителя (график 13). При этом результаты измерения с применением алгоритма компенсации относительного шума интенсивности (график 12) совпадают с данными производителя. Такая качественная оценка показывает, что обработка интерференционных сигналов с применением представленного алгоритма приводит к уменьшению погрешности, что позволяет сделать вывод о его работоспособности. Минимизация погрешности измерений происходит за счет того, что мгновенные значения интерференционного сигнала уменьшаются пропорционально мгновенным значениям мощности лазера.The proposed processing algorithm was applied to interference signals from several lasers. In an article by Pnev Alexey B .; Stepanov Konstantin V .; Dvoretskiy Dmitriy A .; Zhimov Andrei A .; Nesterov Evgeny T .; Sazonkin Stanislav G .; Chemutsky Anton O .; Shelestov Dmitriy A .; Fedorov Aleksey K .; Svelto Cesare; Karasik Valeriy E. Minimization of errors in narrowband laser phase noise measurements based on reference measurement channels // International journal of advanced biotechnology and research. (2016), - V. 7, - I. 4, - PP. 1445-1451 presents the results of measuring the spectral density of the phase noise of a Redfem Integrated Optic laser (Fig. 2). The measured spectral densities of the phase noise were compared with the spectral density of the phase noise presented in the documentation for this laser. The characteristic obtained without the use of the algorithm for compensating the relative noise of the intensity (Chart 11) is several orders of magnitude higher than the spectral density of the phase noise presented in the manufacturer's documentation (Chart 13). In this case, the measurement results using the algorithm for compensation of relative intensity noise (Figure 12) coincide with the manufacturer's data. Such a qualitative assessment shows that the processing of interference signals using the presented algorithm leads to a decrease in the error, which allows us to conclude that it is operable. The measurement error is minimized due to the fact that the instantaneous values of the interference signal are reduced in proportion to the instantaneous values of the laser power.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017136195A RU2664692C1 (en) | 2017-10-12 | 2017-10-12 | Measuring phase noise of narrow-band laser based on the mach-zehnder interferometer consisting of the rm-fiber |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017136195A RU2664692C1 (en) | 2017-10-12 | 2017-10-12 | Measuring phase noise of narrow-band laser based on the mach-zehnder interferometer consisting of the rm-fiber |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2664692C1 true RU2664692C1 (en) | 2018-08-21 |
Family
ID=63286725
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017136195A RU2664692C1 (en) | 2017-10-12 | 2017-10-12 | Measuring phase noise of narrow-band laser based on the mach-zehnder interferometer consisting of the rm-fiber |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2664692C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2793241C2 (en) * | 2020-10-26 | 2023-03-30 | Общество с ограниченной ответственностью «Яндекс Беспилотные Технологии» | Optical systems and methods for their control |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4918373A (en) * | 1988-03-18 | 1990-04-17 | Hughes Aircraft Company | R.F. phase noise test set using fiber optic delay line |
US20030112442A1 (en) * | 2001-08-28 | 2003-06-19 | Baney Douglas M. | Optical analyzer and method for reducing relative intensity noise in interferometric optical measurements using a continuously tunable laser |
CN102426062A (en) * | 2011-09-26 | 2012-04-25 | 复旦大学 | Quasi-phase-matching-based laser pulse high-fidelity signal-to-noise ratio single measurement device |
RU2569052C1 (en) * | 2011-10-17 | 2015-11-20 | ФОСС Аналитикал А/С | Method to compensate frequency drift in interferometer |
CN106525256A (en) * | 2016-11-25 | 2017-03-22 | 威海北洋光电信息技术股份公司 | Narrow linewidth laser device phase noise measurement device and method |
-
2017
- 2017-10-12 RU RU2017136195A patent/RU2664692C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4918373A (en) * | 1988-03-18 | 1990-04-17 | Hughes Aircraft Company | R.F. phase noise test set using fiber optic delay line |
US20030112442A1 (en) * | 2001-08-28 | 2003-06-19 | Baney Douglas M. | Optical analyzer and method for reducing relative intensity noise in interferometric optical measurements using a continuously tunable laser |
CN102426062A (en) * | 2011-09-26 | 2012-04-25 | 复旦大学 | Quasi-phase-matching-based laser pulse high-fidelity signal-to-noise ratio single measurement device |
RU2569052C1 (en) * | 2011-10-17 | 2015-11-20 | ФОСС Аналитикал А/С | Method to compensate frequency drift in interferometer |
CN106525256A (en) * | 2016-11-25 | 2017-03-22 | 威海北洋光电信息技术股份公司 | Narrow linewidth laser device phase noise measurement device and method |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2793241C2 (en) * | 2020-10-26 | 2023-03-30 | Общество с ограниченной ответственностью «Яндекс Беспилотные Технологии» | Optical systems and methods for their control |
RU2805561C1 (en) * | 2023-04-20 | 2023-10-19 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | Device for controlling phase shifts of radiation in integrated circuits based on asymmetric mach-zehnder interferometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6612284B2 (en) | Brillouin and Rayleigh distribution sensors | |
JP5250736B2 (en) | Criteria for beat spectrum of optical frequency comb | |
EP3376169B1 (en) | Temperature or strain distribution sensor | |
US7009691B2 (en) | System and method for removing the relative phase uncertainty in device characterizations performed with a polarimeter | |
US7426021B2 (en) | Interferometric optical analyzer and method for measuring the linear response of an optical component | |
US6204924B1 (en) | Method and apparatus for measuring polarization mode dispersion of optical devices | |
US20140176937A1 (en) | Distributed disturbance sensing device and the related demodulation method based on polarization sensitive optical frequency domain reflectometry | |
BRPI1010668B1 (en) | INTERFEROMETER AND METHOD OF ACOUSTIC DISORDER MONITORING | |
CN103900798A (en) | Optical coherence domain polarization measurement device with optical distance scanning on-line correction function | |
US5654793A (en) | Method and apparatus for high resolution measurement of very low levels of polarization mode dispersion (PMD) in single mode optical fibers and for calibration of PMD measuring instruments | |
CN111678584A (en) | Optical fiber vibration measuring device with light source frequency shift calibration auxiliary channel and method | |
US20240011822A1 (en) | Ultrasound detection based on phase shift | |
CN110530531B (en) | Michelson interference-based fountain type atomic gravimeter light beam phase change measuring device and method | |
Huang et al. | Orthogonal phase demodulation of optical fiber Fabry-Perot interferometer based on birefringent crystals and polarization technology | |
US11506477B2 (en) | System and method for stabilization of multi-path optical interferometers | |
RU2664692C1 (en) | Measuring phase noise of narrow-band laser based on the mach-zehnder interferometer consisting of the rm-fiber | |
JP2014149190A (en) | Measuring device, measuring method, light source device, and article manufacturing method | |
US7253906B2 (en) | Polarization state frequency multiplexing | |
CN112461276A (en) | System and method for reducing OFDR light source nonlinear phase influence | |
Dudzik et al. | Demodulator electronics for laser vibrometry | |
CN114323242B (en) | Full-band laser frequency noise measuring device and method based on polarization decomposition optical fiber interferometer | |
WO2010096912A1 (en) | System and method for a virtual reference interferometer | |
Pnev et al. | Minimizing Measurement Error of Phase Noise of a Narrow-Band Laser Using a Fiber-Based Mach–Zehnder Interferometer with Polarization Maintenance | |
CN212030564U (en) | Light source frequency shift calibration auxiliary channel structure and optical fiber vibration measuring device | |
JP2019035724A (en) | Optical fiber strain measurement device and optical fiber strain measurement method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190620 Effective date: 20190620 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201013 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20220121 |