CN107727367A - 一种激光器频率噪声测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光器频率噪声测量方法及系统,属于光学测量领域。本方法将待测激光器作为基于光梳调制器所构建的光电混合振荡器的光源,然后测量该光电混合振荡器中射频振荡信号的相位噪声;根据该相位噪声得到待测激光器的频率噪声;光电混合振荡器为一双环结构的光电混合振荡器。本方案通过测量射频振荡信号的相位噪声来间接测量激光器的频率噪声,因此能够区分激光器的频率噪声和强度噪声,且具有极高的测量灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器频率噪声测量方法及系统。通过构建一个基于光梳调制器的光电混合振荡器,将待测激光器作为该光电振荡器的光源,在形成振荡的过程中,待测激光器的频率噪声将会转移到光电振荡器中射频振荡信号的相位噪声上去,再通过测量射频振荡信号的相位噪声可以得出待测激光器的频率噪声,属于光学测量领域。
背景技术
单频、窄线宽激光器是众多应用系统的关键部件,包括激光雷达、相干光通信系统、高精度的光学传感以及高稳定度的光学原子钟等。一般而言,激光器的线宽是通过测量其频率噪声的功率谱密度来衡量。近些年来,随着窄线宽激光器的发展,高灵敏度的窄线宽激光器频率噪声测量显得越来越重要。传统测量激光器频率噪声的方案主要包含四类:第一类是采用延时自拍频法;第二类是基于马赫-曾德调制器将激光器的频率噪声转移为激光功率抖动,从而获得待测激光器的频率噪声;第三类是采用光学谐振腔将激光器的频率噪声转化为光功率的抖动,然后测量得到激光器的频率噪声;第四类是将频率噪声极低的窄线宽激光器作为参考源,把待测激光器和参考激光器进行拍频,然后得到待测激光器的频率噪声。
以下是一些已有的激光器频率噪声的测量技术和方案:
方案1是文献D.Derickson,Fiber Optic Test and Measurement(Prentice-Hall,1998)所描述的测量方案。该方案利用一个延迟干涉仪,通过将待测激光器的信号进行延时,经过延时之后达到了延时信号和不延时信号的去相关操作,最后与待测激光器直接输出的光信号进行拍频,从而达到了测量激光器频率噪声的目的。
方案2是浙江大学申请的公开专利,公开号为CN 102183362。该方案通过采用马赫曾德干涉仪,完成对激光器的频率噪声到光强的转换,达到了测量激光器频率噪声的目的。
方案3是浙江大学申请的公开专利,公开号为CN 102692314A。该方案利用一个光纤谐振腔,将激光器的频率噪声转化为光场的幅度波动,从而达到了测量激光器频率噪声的目的。
方案4是2017年法国巴黎天文台提出的表征窄线宽激光器频率噪声的方案(X.Xie,R.Bouchand,D.Nicolodi,M.Lours,C.Alexandre,and Y.L.Coq,“Phase noisecharacterization of sub-hertz linewidth lasers via digital crosscorrelation,”Opt.Lett.42(7),1217-1220(2017).)。该方案采用了两个极窄线宽、极低频率噪声的单频激光器作为参考,将待测激光器分别与两个参考激光器进行拍频,通过测量拍频电信号的相位噪声,达到间接测量待测激光器的频率噪声的目的。
基于延迟干涉仪测量激光器频率噪声的方法在测量极窄线宽激光器时,需要长达几公里甚至几十公里量级的光纤作为延时线,由于长光纤的引入,造成极大的光损耗,并且长光纤的引入带来了不可避免的散射噪声,降低了频率噪声测量系统的灵敏度,并且这种方法并没有区分激光器的频率噪声和强度噪声;基于马赫曾德调制器的方案,受限于调制器的频率噪声到强度噪声转化系数较低的限制,难以实现更高灵敏度的激光器频率噪声测量;采用光纤谐振腔的方案,测量系统容易受到环境的干扰,降低了激光器频率噪声测量的稳定性;采用低频率噪声、高稳定度的参考激光器的方案,实现成本高,难以测量任意波长激光器的频率噪声。
发明内容
针对现有技术方案中存在的技术问题,本发明的目的在于提供一种激光器频率噪声的测量方法及系统。本发明适用于任意波长、窄线宽、具有极低频率噪声激光器的频率噪声测量,尤其适用于窄线宽激光器频率噪声的测量。
本发明的技术方案为:
一种激光器频率噪声测量方法,其特征在于,将待测激光器作为基于光梳调制器所构建的光电混合振荡器的光源,然后测量该光电混合振荡器中射频振荡信号的相位噪声;根据该相位噪声得到待测激光器的频率噪声。
进一步的,所述光电混合振荡器为一双环结构的光电混合振荡器,其包括一光梳调制器,该光梳调制器的输出端经一光纤放大器与一光耦合器连接,该光耦合器的一输出端连接一段第一单模光纤,该第一单模光纤的输出信号经一第一光电探测器转换为电信号输入微波功率合成器;该光耦合器的另一输出端连接一段第二单模光纤,该第二单模光纤的输出信号经一第二光电探测器转换为电信号输入该微波功率合成器;该微波功率耦合器的输出端依次经微波移相器、第一低相位噪声放大器、电带通滤波器后输入微波定向耦合器;该微波定向耦合器的一输出端用于连接相位噪声测试仪,另一输出端连接直流偏置器的交流电压输入端口;该直流偏置器的输出端口与该光梳调制器的驱动端口连接。
进一步的,所述电带通滤波器与所述微波定向耦合器之间设有第二低相位噪声放大器、第三低相位噪声放大器;所述第一单模光纤的光纤长度为所述第二单模光纤的光纤长度的10倍以上。
进一步的,该相位噪声得到待测激光器的频率噪声其中,β是光梳调制器的调制指数,FSR为光梳调制器中法布里-珀罗腔的自由光谱范围,H(f)是光电混合振荡器的传递函数,为光电混合振荡器中各类光电器件所引入的附加相位噪声,待测激光器的频率噪声对光电混合振荡器的振荡信号所引入的附加相位噪声
进一步的,所述光电混合振荡器为一偏振双环结构的光电混合振荡器,其包括一光梳调制器,该光梳调制器的输出端经一光纤放大器与一偏振分束器连接,该偏振分束器的一输出端连接一段第一保偏光纤,该第一保偏光纤的输出信号经一第一光电探测器转换为电信号输入偏振合束器;该偏振分束器的另一输出端连接一段第二保偏光纤,该第二保偏光纤的输出信号经一第二光电探测器转换为电信号输入该偏振合束器;该偏振合束器的输出端依次经微波移相器、第一低相位噪声放大器、电带通滤波器后输入微波定向耦合器;该微波定向耦合器的一输出端用于连接相位噪声测试仪,另一输出端连接直流偏置器的交流电压输入端口;该直流偏置器的输出端口与该光梳调制器的驱动端口连接。
进一步的,所述电带通滤波器与所述微波定向耦合器之间设有第二低相位噪声放大器、第三低相位噪声放大器。
进一步的,所述第一保偏光纤的光纤长度为所述第二保偏光纤的光纤长度的10倍以上。
一种激光器频率噪声测量系统,其特征在于,包括一光梳调制器,该光梳调制器用于对待测激光器输出的激光进行调制,该光梳调制器的输出端经一光纤放大器与一光耦合器连接,该光耦合器的一输出端连接一段第一单模光纤,该第一单模光纤的输出信号经一第一光电探测器转换为电信号输入微波功率合成器;该光耦合器的另一输出端连接一段第二单模光纤,该第二单模光纤的输出信号经一第二光电探测器转换为电信号输入该微波功率合成器;该微波功率耦合器的输出端依次经微波移相器、第一低相位噪声放大器、电带通滤波器后输入微波定向耦合器;该微波定向耦合器的一输出端用于连接相位噪声测试仪,另一输出端连接直流偏置器的交流电压输入端口;该直流偏置器的输出端口与该光梳调制器的驱动端口连接。
一种激光器频率噪声测量系统,其特征在于,包括一光梳调制器,该光梳调制器用于对待测激光器输出的激光进行调制,该光梳调制器的输出端经一光纤放大器与一偏振分束器连接,该偏振分束器的一输出端连接一段第一保偏光纤,该第一保偏光纤的输出信号经一第一光电探测器转换为电信号输入偏振合束器;该偏振分束器的另一输出端连接一段第二保偏光纤,该第二保偏光纤的输出信号经一第二光电探测器转换为电信号输入该偏振合束器;该偏振合束器的输出端依次经微波移相器、第一低相位噪声放大器、电带通滤波器后输入微波定向耦合器;该微波定向耦合器的一输出端用于连接相位噪声测试仪,另一输出端连接直流偏置器的交流电压输入端口;该直流偏置器的输出端口与该光梳调制器的驱动端口连接。
进一步的,所述电带通滤波器与所述微波定向耦合器之间设有第二低相位噪声放大器、第三低相位噪声放大器。
本方案是基于光梳调制器的光电混合振荡器实现待测激光器的频率噪声测量的方法。本发明通过将待测激光器作为基于光梳调制器所构建的光电混合振荡器的光源,将待测激光器的频率噪声转移到光电混合振荡器中射频振荡信号的相位噪声上去,再通过测量射频振荡信号的相位噪声可以得到待测激光器的频率噪声。系统测量灵敏度只受限于光电混合振荡器中光电探测器的散弹噪声,掺铒光纤放大器的自发辐射噪声以及电放大器的热噪声和闪烁噪声等,能够实现极高的激光器频率噪声测量灵敏度。
与现有技术相比,本发明的积极效果:
1、本方案采用基于具有高精细度的法布里-珀罗腔的光梳调制器的光电混合振荡器,实现了待测窄线宽激光器的频率噪声到振荡信号相位噪声的转化。相比于延迟干涉仪的方法,不需要较长的光纤,避免了长光纤传输损耗、散射噪声等所导致的频率噪声测量灵敏度下降的问题,能够测量更窄线宽激光器的频率噪声。除此之外,本方案通过测量射频振荡信号的相位噪声来间接测量激光器的频率噪声,因此能够区分激光器的频率噪声和强度噪声。
2、本方案采用了具有高精细度的法布里-珀罗腔的光梳调制器实现了激光器的频率噪声到光电混合振荡器中射频振荡信号的相位噪声转化,系统测量灵敏度只受限于光电振荡环路中的器件噪声,具有极高的测量灵敏度。
3、本方案不需要采用线宽极窄、频率噪声极低的激光器作为参考源,降低了系统的复杂度和成本。同时,该方法能够测量任意波长激光器的频率噪声。
附图说明
图1为本发明方案原理图;
图2为本发明方案实验结果图;
(a)为图1中A点光谱结果图;
(b)为图1中B点电谱结果图;
(c)为图1中B点相位噪声结果图;
(d)为本方案激光器频率噪声测量结果与商用频率噪声测试仪所测结果的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的方案进行进一步详细描述。
本发明的方案原理如图1所示。待测激光器输出连续波激光,并且注入到光梳调制器中,该光梳调制器是由高带宽的电光相位调制器两端镀高反膜所构成,两端的高反膜形成了一个高精细度的法布里-珀罗腔。由于光梳调制器存在一定的光损耗,因此需要采用掺铒光纤放大器对光梳调制器输出的光信号进行放大。放大之后的光信号被一个50%的光耦合器分成两束,两束光被送入到不同长度的标准单模光纤中,采用两段标准单模光纤是为了形成双环结构的光电混合振荡环路,从而能够抑制光电混合振荡器中振荡信号的副振荡模式,两段光纤的长度差别越大能够更有效的抑制副振荡模式。一般最长一段的光纤长度不超过10km,两段光纤长度差别一般在10倍以上。两个光电探测器分别将经过标准单模光纤传输之后的光信号转换成电信号,两个光电探测器输出的电信号通过50%微波功率合成器进行功率合成。除了采用光纤耦合器分成两束光形成光电混合振荡器的双环结构之外,还有采用偏振双环结构实现,即采用光纤偏振分束器将入射光分成两个偏振方向,两个偏振方向的光经过两段不同长度的保偏光纤之后,再经过偏振合束器合成一路光信号,通过一个光电探测器即可同时探测到两路信号,从而实现了双环结构的光电混合振荡器,该结构可见文献J.Wang,Y.Long,W.Tian,Z.Tai,and Y.Ze,“An Optical Domain CombinedDual-Loop Optoelectronic Oscillator,”IEEE Photonics Technology Letters,19(11),807-809,(2007)。50%微波功率合成器后端的微波移相器能够对50%微波功率合成器输出的微波信号进行移相。由于光电探测器输出的电信号功率较小,因此采用了三个低相位噪声放大器级联对其进行放大。低相位噪声放大器具有极低的闪烁噪声,能够降低电放大器对激光器频率噪声测量灵敏度的影响。由于光梳调制器中的法布里-珀罗腔存在多个透射峰,从而会形成光电混合振荡环路中多个模式的振荡,因此在环路中增加了一个窄带的电带通滤波器对其他振荡模式进行抑制。低相位噪声放大器3的输出信号进入到一个微波定向耦合器,微波定向耦合器有两个输出端口,其中大部分的微波功率被用于直流偏置器的交流输入,微波定向耦合器分出一小部分微波功率被用于测量其相位噪声,相位噪声的测量可以通过商用的相位噪声测试仪来实现。直流偏置器有两个输入端口和一个输出端口,其中输入端口包含交流输入端口和直流电压端口,直流偏置器的输出端口与光梳调制器的驱动端口相连。直流偏置器所提供的直流偏压是作为光梳调制器中的电光调制器的偏置电压,通过外加可调的直流稳压源进行提供。
当光电混合振荡环路形成振荡之后,结构图1中B点的射频信号的单边带相位噪声功率谱可表示为:
其中,H(f)是双环结构光电混合振荡器的传递函数,具体表达形式可参考文献H.Peng,C.Zhang,X.Xie,T.Sun,P.Guo,X.Zhu,L.Zhu,W.Hu,and Z.Chen,“Tunable DC-60GHz RF Generation Utilizing a Dual-Loop Optoelectronic Oscillator Based onStimulated Brillouin Scattering,”Journal of Lightwave Technology,33(13),2707-2715(2015)。和分别是激光器频率噪声和光电混合振荡环路中各类光电器件所引入的附加相位噪声。如果不考虑光放大器引入的相位噪声,的计算公式表示如下:
其中F为三个低相位噪声放大器的噪声系数之和,k为玻尔兹曼常数,T为室温,e为电子电荷,Iph为光电探测器输出的光电流,Z为放大器的阻抗,NRIN为待测激光器的强度噪声,b-1为放大器和光电探测器的闪烁噪声系数之和,f为偏离振荡信号载波的频率。
激光器的频率噪声对光电混合振荡器的振荡信号所引入的附加相位噪声可表示为:
其中是光梳调制器的调制指数,V0是光梳调制器的驱动电压,这个值是根据具体实验实施时确定,Vπ是光梳调制器的半波电压,FSR为光梳调制器中法布里-珀罗腔的自由光谱范围。本方案中采用的光梳调制器是日本公司OptoComb的OptoComb WTEC-01-25,根据官方的数据手册,10GHz调制频率时,其调制的半波电压为20V,光梳调制中法布里-珀罗腔的自由光谱范围FSR为2.5GHz。Sv(f)为待测窄线宽激光器的频率噪声。当光电振荡器所形成的射频振荡信号的相位噪声由待测激光器的频率噪声主导时,可以反推出待测激光器的频率噪声为:
为了验证该方案的有效性,实验比较了本方案和商用激光器频率噪声测量仪器测量同一待测激光器的频率噪声测量结果。在实验中,待测激光器的波长为1550nm,功率为17dBm,光梳调制器的射频驱动功率为17dBm,采用的光纤长度分别为500米和2000米,电带通滤波器的中心频率为10GHz,带宽为1GHz,三个低相位噪声放大器的增益均为15dB。实验测试得到的结果如图2所示。图2(a)表示了结构图1中A点的光谱,该光谱关于待测激光器波长为中心具有对称光边带。图2(b)表示了结构图1中B点的电谱,该电谱的中心频率为10GHz。图2(c)表示了结构图1中B点射频振荡信号的相位噪声结果,测量的频率偏移范围为100Hz到10MHz,同时,图中给出了光电探测器的散弹噪声本底,低相位噪声放大器的热噪声本底以及低相位噪声放大器的附加相位噪声本底。这些噪声本底将会限制该测量方案的测量灵敏度。图2(d)中的虚线表示了通过图2(c)中所测的相位噪声反推出的待测激光器的频率噪声测量结果,同时实线所示的曲线表示了采用日本SYCAUTS公司商用的激光器频率噪声测量仪器得到的待测激光器的频率噪声测量结果。对比本方案和商用测量仪器的频率噪声测量结果,可以发现本方案能够实现对激光器频率噪声的有效测量。
以上实施仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制,本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明的精神和范围,本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.一种激光器频率噪声测量方法,其特征在于,将待测激光器作为基于光梳调制器所构建的光电混合振荡器的光源,然后测量该光电混合振荡器中射频振荡信号的相位噪声;根据该相位噪声得到待测激光器的频率噪声。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述光电混合振荡器为一双环结构的光电混合振荡器,其包括一光梳调制器,该光梳调制器的输出端经一光纤放大器与一光耦合器连接,该光耦合器的一输出端连接一段第一单模光纤,该第一单模光纤的输出信号经一第一光电探测器转换为电信号输入微波功率合成器;该光耦合器的另一输出端连接一段第二单模光纤,该第二单模光纤的输出信号经一第二光电探测器转换为电信号输入该微波功率合成器;该微波功率耦合器的输出端依次经微波移相器、第一低相位噪声放大器、电带通滤波器后输入微波定向耦合器;该微波定向耦合器的一输出端用于连接相位噪声测试仪,另一输出端连接直流偏置器的交流电压输入端口;该直流偏置器的输出端口与该光梳调制器的驱动端口连接。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述电带通滤波器与所述微波定向耦合器之间设有第二低相位噪声放大器、第三低相位噪声放大器;所述第一单模光纤的光纤长度为所述第二单模光纤的光纤长度的10倍以上。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,该相位噪声得到待测激光器的频率噪声其中,β是光梳调制器的调制指数,FSR为光梳调制器中法布里-珀罗腔的自由光谱范围,H(f)是光电混合振荡器的传递函数,为光电混合振荡器中各类光电器件所引入的附加相位噪声,待测激光器的频率噪声对光电混合振荡器的振荡信号所引入的附加相位噪声
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述光电混合振荡器为一偏振双环结构的光电混合振荡器,其包括一光梳调制器,该光梳调制器的输出端经一光纤放大器与一偏振分束器连接,该偏振分束器的一输出端连接一段第一保偏光纤,该第一保偏光纤的输出信号经一第一光电探测器转换为电信号输入偏振合束器;该偏振分束器的另一输出端连接一段第二保偏光纤,该第二保偏光纤的输出信号经一第二光电探测器转换为电信号输入该偏振合束器;该偏振合束器的输出端依次经微波移相器、第一低相位噪声放大器、电带通滤波器后输入微波定向耦合器;该微波定向耦合器的一输出端用于连接相位噪声测试仪,另一输出端连接直流偏置器的交流电压输入端口;该直流偏置器的输出端口与该光梳调制器的驱动端口连接。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述电带通滤波器与所述微波定向耦合器之间设有第二低相位噪声放大器、第三低相位噪声放大器。
7.如权利要求5或6所述的方法,其特征在于,所述第一保偏光纤的光纤长度为所述第二保偏光纤的光纤长度的10倍以上。
8.一种激光器频率噪声测量系统,其特征在于,包括一光梳调制器,该光梳调制器用于对待测激光器输出的激光进行调制,该光梳调制器的输出端经一光纤放大器与一光耦合器连接,该光耦合器的一输出端连接一段第一单模光纤,该第一单模光纤的输出信号经一第一光电探测器转换为电信号输入微波功率合成器;该光耦合器的另一输出端连接一段第二单模光纤,该第二单模光纤的输出信号经一第二光电探测器转换为电信号输入该微波功率合成器;该微波功率耦合器的输出端依次经微波移相器、第一低相位噪声放大器、电带通滤波器后输入微波定向耦合器;该微波定向耦合器的一输出端用于连接相位噪声测试仪,另一输出端连接直流偏置器的交流电压输入端口;该直流偏置器的输出端口与该光梳调制器的驱动端口连接。
9.一种激光器频率噪声测量系统,其特征在于,包括一光梳调制器,该光梳调制器用于对待测激光器输出的激光进行调制,该光梳调制器的输出端经一光纤放大器与一偏振分束器连接,该偏振分束器的一输出端连接一段第一保偏光纤,该第一保偏光纤的输出信号经一第一光电探测器转换为电信号输入偏振合束器;该偏振分束器的另一输出端连接一段第二保偏光纤,该第二保偏光纤的输出信号经一第二光电探测器转换为电信号输入该偏振合束器;该偏振合束器的输出端依次经微波移相器、第一低相位噪声放大器、电带通滤波器后输入微波定向耦合器;该微波定向耦合器的一输出端用于连接相位噪声测试仪,另一输出端连接直流偏置器的交流电压输入端口;该直流偏置器的输出端口与该光梳调制器的驱动端口连接。
10.如权利要求8或9所述的系统,其特征在于,所述电带通滤波器与所述微波定向耦合器之间设有第二低相位噪声放大器、第三低相位噪声放大器。
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