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2020-03

Connet 产品小讲堂第五期—— 单频光纤激光器的相对强度噪声RIN

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单频光纤激光器的相对强度噪声RIN 

1.单频光纤激光器的噪声根源

    理想状态下的单频单纵模激光器输出激光全部由受激辐射产生,没有自发辐射,我们用一个简单的关系式来描述输出光和时间相关的电场矢量。

 

其中E0代表强度,ω0代表角频率,Φ0代表初始相位,理想状态下的单频单纵模激光器输出的光波频率和相位恒定不变。输出为频率f0的单一谱线。
实际上,激光器存在自发辐射,自发辐射导致相位和振幅的随机起伏,导致激光器谱线展宽和输出功率起伏。
E0变成了Et,随机强度扰动称为强度噪声
f0变成了ft,随机频率扰动称为频率噪声
Φ0变成了Φt,随机相位扰动称为相位噪声
所以说自发辐射的随机性是激光器噪声的根源。


2.什么是相对强度噪声(RIN)?  

单频光纤激光器的强度噪声描述的是激光器输出光强度的波动,主要通过相对强度噪声(Relative Intensity Noise: RIN)来衡量。其表达式为:

根据表达式的字面解释为有效的噪声带宽(B)内,光功率波动的均方差和平均光功率的比值。这样的解释很生硬,换成通俗的理解就容易多了:
首先得确定一个测量时间吧,不能无休止的测下去,这就是所谓的噪声带宽B的概念,标准的时间单位定义为1秒,反映到频域上就是1Hz。
要测试得到尽可能多的功率点,这样能够更准确地计算光功率的平均值,也能更准确描述即时功率和平均功率的偏离情况。
采用数学统计手段,引入均方差,让这个结果更准确,更接近于真实。
单位时间(1秒)时间内功率偏离均方差和平均功率平方的比值就是相对强度噪声,这个值很小,通常用对数的形式表示,单位为dB/Hz或者dBc/Hz,两者意义本质上相同。
 

 

3. 为什么说RIN是一个频域的概念?  

答案很简单,因为时域没法测啊,瞬时的随机的波动无法用现有的时域测试手段,比如光功率计啊光谱仪啊测试出来,所以只能指望频域喽。
既然时域上无法实现,聪明的攻城狮们就把RIN的测试搬到了频域,强度噪声在频域不得不都现身形成了一个噪声谱,于是乎,功率谱密度(Power Spectral Density简称PSD)的概念被引入。这样就可以计算单频激光器的相对强度噪声了。这不,新的能够测量能够计算的RIN的表达式出现了:

 

其中SP(f)表示的就是输出功率波动谱密度,上面带着一横的P则表示平均功率,可以通过频谱上涵盖的面积的方式计算出来。


4. RIN的分类 

根据频段不同,单频光纤激光器的强度噪声可以分成三类: 

? 低频段的技术噪声:主要来源于单频光纤激光器本身的1/f噪声(也称闪烁噪声),外部环境的干扰等。 

? 中频段的驰豫振荡:根本来源是激光器腔内的辐射和增益介质的相互作用,对单频光纤激光器而言,泵浦源的波动是导致驰豫振荡现象的主要原因

?高频段的量子噪声:也叫散粒噪声(散弹噪声:shot noise),主要来自于和频率不相关的光量子波动。对应产生量子噪声极限。 

对单频光纤激光器而言,相对强度噪声(RIN)的抑制主要针对低频技术噪声和中频的驰豫振荡,频率从几十Hz到几MHz


5. 如何看懂RIN的测试谱?

一个典型的单频光纤激光器RIN测试结果是这样的:

                  CoSF-D-EY单频光纤激光器的典型RIN测试结果(未加抑制)
 

横坐标的单位是Hz,代表着频率,纵坐标是RIN的值,这样的谱是怎么得到的呢?它是根据上文提到的RIN再频域的表达式,把单频光纤激光器在不同频段(低频,中频,高频)的RIN的值计算出来,再连成这样一条曲线。这个RIN的测试图就能够展示单频光纤激光器在不同的频段的相对强度噪声的情况。例如:RIN的最高点称为峰值,大约-105dBc/Hz,对应的频率为1MHz附近。这就是CoSF-D-EY系列分布反馈(DFB)型单频光纤激光器的驰豫振荡峰的表现。

 

6. 驰豫振荡是怎么回事?

驰豫振荡是光纤激光器和半导体激光器的基本特性之一。是谐振腔内辐射和增益介质之间相互作用的结果,只要增益介质的上能级粒子寿命远大于谐振腔内光子的寿命,就会产生驰豫振荡现象。 

驰豫振荡是造成光纤激光器强度噪声的主因,抑制单频光纤激光器相对强度噪声的主要目标就是抑制驰豫振荡。

让我们来看看驰豫振荡产生的过程:


示意图中上图的纵坐标表示能级反转的粒子数,下图的纵坐标表示激光器谐振腔内光子数量。可以看出,只要有泵浦激励存在,单频光纤激光器的谐振腔不断重复以上过程,所以说驰豫振荡现象不可避免,而驰豫振荡是单频光纤激光器强度噪声的主要因素。 


7. 导致单频光纤激光器驰豫振荡产生的因素

? 泵浦激光器的输出功率扰动

? 单频光纤激光器谐振腔的损耗扰动

? 机械振动

? 单频光纤激光器谐振腔的热扰动

 

8.单频光纤激光器RIN的特点 

单频光纤激光器的驰豫振荡是相对强度噪声(RIN)的主要原因,而驰豫振荡由主要受到泵浦的功率波动的影响,简单来说,单频光纤激光器的RIN有以下几个特点:

1) 单频光纤激光器的谐振腔越长,RIN的峰值频率越低,反之则越高。这一点很容易理解,腔长越短,出现驰豫振荡就越快。峰值频率高,意味着出现驰豫振荡的时间短。

2) 泵浦的功率越高,RIN的峰值频率越高,同样的道理,泵浦的激励越猛烈,越快出现驰豫振荡。

3) 泵浦的功率越高,RIN的峰值越低,这一点可以从更多的粒子被同时激励,跃迁到上能级的角度去理解。

4) RIN的峰值越高意味着这时候单频光纤激光器的瞬时功率波动的更剧烈。

 

对单频光纤激光器而言,相对强度噪声很重要,过高的RIN会导致整个系统的信噪比下降,降低整个系统的性能。在一些相干探测,分布式光纤传感以及相干激光LiDAR等领域都需要低相对强度噪声(RIN)的单频光纤激光器。

 

单频光纤激光器因为驰豫振荡现象不可避免,在中频段(一般几百kHz到MHz)存在着驰豫振荡峰,相对强度噪声(RIN)的峰值比较高,通常需要采取必要的手段对RIN进行抑制。

抑制RIN的手段较多,包括光电负反馈法,半导体饱和放大法等等,各有优缺点,我们将会在以后的产品技术小讲堂中进行专门介绍。