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2020-04

Connet 产品小讲堂第九期——单频光纤激光器的频率噪声和相位噪声(三)

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单频光纤激光器的频率噪声和相位噪声(三)

 

    单频光纤激光器的噪声概念几乎照搬了电子射频信号源的定义,测试强度噪声,相位噪声和频率噪声的基本思想和测试手段也都一脉相承。不过单频激光器尤其是单频光纤激光器因为综合的噪声水平极低,激光的绝对频率又高达THz,经典的噪声测试手段不能够很好适应单频光纤激光器的噪声测试,尤其是相频噪声的测试。


1.传统信号源的相位噪声测试

    相位噪声是指信号源中,输出频率的短期稳定性指标。由于相位噪声的存在,引起载波频谱的扩展。在实际应用,所有信号源的输出都存在着幅度、频率或相位的起伏,这些相位起伏的特征描述通常叫做相位噪声,由此可见,传统信号源的相位噪声概念更加笼统。 


2.信号相位噪声的来源

    信号源中的杂散分量一般是由电源纹波、机械振动或系统内部鉴相信号的泄漏或其它电路的信号窜扰,具有一定的规律性。另外一种呈随机分布的相位噪声通常是由振荡器本身内各器件所产生的各种随机噪声引起的。
重温单边带相位噪声的定义
    信号源中,由于相位噪声的存在,在频域中,输出信号的谱线相位调制边带的功率PSSB 与总功率 PS 之比, 即


    L(fm)通常用相对于载波1Hz带宽的对数来表示,单位为 dBc/Hz。

 

3. 信号相位噪声的测试方法

? 直接频谱仪法
? 鉴频法
? 鉴相法

? 相关测量法


    直接频谱仪法测试相位噪声采用商用的电学频谱仪,对信号源的相位噪声进行直接的测试,只需要把待测信号源输出端直接接入频谱仪的输入端,就可以实现测试。举例如下:
    测量载频功率P0,在偏离载波fm处,测量边带功率PSSB,利用以下公式计算就可得出待测信号的单边带相位噪声L(fm)。

 

    式中,B=1.2B3dB ,B3dB指的是分辨率带宽,单位用Hz

 

     直接频谱仪法测量信号的相位噪声有一定的局限性,这个频谱仪的技术原理有关,下图展示了安捷伦公司某一型号的频谱仪的设计原理框图。   

 

     频谱仪内部需要有本振,混频,中频放大,滤波,检波等一系列的功能电路和模块,通过和待测射频(RF)信号的混频,中频滤波等手段实现对高频的射频(RF)信号到中频可处理信号的转换,其核心思想是外差探测。频谱仪本身的各种信号源以及电路都会带来额外的噪声,这限制了频谱仪法测试相位噪声的分辨率。


    直接频谱仪法测量相位噪声的局限:
    1.只适合本身相位噪声较高的信号测试。

    2.不能分辨强度噪声还是相频噪声


     显然,直接频谱仪法不太适合于低相位噪声的单频光纤激光器的噪声测试。
     鉴频法和鉴相法的的根本出发点是通过外差或者自外差的手段,通过测量分析信号源的频率谱抖动功率谱密度(Sv(f))或者相位波动功率谱密度(Sφ(f))计算得到单边带相位噪声,在此不再详细介绍。采用鉴频法或者鉴相法的目的主要是为了消除强度噪声(幅度噪声)给相位噪声带来的影响,鉴频法只需要一个待测信号源,而鉴相法需要稳定的,低噪声的参考源,这给测试带来了复杂程度和成本上的增加。


4. 单频光纤激光器的相频噪声测试

     1. 为什么直接频谱仪法不适合单频光纤激光器的相位噪声测试?答案很简单,因为单频光纤激光器是一种激光信号源,他是光不是电!激光的频率非常高,例如波长1550nm的激光频率可以高达193.4THz (10的12次方赫兹),根本没有直接能够测试这么高频率的仪器!你肯定会说,用外差探测啊,这是没错的,要想测量单频光纤激光器的噪声,必须得具备两个必不可少的条件。第一是通过外差混频等手段降低激光频率到可以处理的频率水平,比如通过外差混频获得中频输出后进行分析处理。第二是光信号必须通过光电探测器转换成电信号,再进行采集分析处理计算,最终获得噪声测量的结果。

      如果把单频光纤激光器的输出功率通过光电探测器直接输入给频谱仪,那么,麻烦来了!单频光信号的强度噪声,相位起伏以及频率抖动都统统一股脑变成了探测器的输出电信号,在经过频谱仪内部的本振信号混频一搅和,就成了一锅粥了,很难分辨强度噪声,相位噪声和频率噪声。 要想测试出单频激光器的各种噪声,必须要在光的角度先区分相位噪声和强度噪声,再去做光电转换!这就是单频激光信号和射频电信号的噪声测试最大的区别所在。 

     此外,单频光纤激光器的各种噪声都很低,频谱仪自身的分辨率和测试精度很难胜任对单频光纤激光器的噪声测试任务。


     2.既然需要用光学手段来分辨识别单频光纤激光器的相位噪声和频率噪声,甚至要区分因为强度噪声导致的频谱展宽,那么什么样的装置和设备可以胜任这样的工作呢?答案就是干涉仪!常见的干涉仪有F-P干涉仪,迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer简称MI),马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer简称MZI),萨格奈克干涉仪(Sagnac Interferometer)等等。这些干涉仪功能强大,灵敏度极高,能够感知到单频激光极其细微的相位波动和频率抖动,通过选择合理的解调方式,能够原则上消除强度噪声对单频激光信号调制带来的频谱边带影响,从而获取准确的单频激光场的频谱分布,通过对相位波动功率谱密度和频率抖动功率频谱密度的计算得出单频光纤激光器的相位噪声和频率噪声。

     干涉仪的应用相当广泛,例如高灵敏度的相位敏感型光学或者光纤传感装置,用于引力波测试的著名装置LIGO就是利用F-P腔改进的迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer简称MI),臂长达4km,实际光程激光多次F-P腔反射后激光在真空管中的通过的实际长度达到1120km,是一种具有极高灵敏度的激光干涉仪。单频激光器的线宽(Linewidth)测试也广泛采用自外差非平衡马赫曾德尔干涉仪(MZI)的方案。

     单频光纤激光器的相位噪声和频率噪声测试一般采用非等臂的迈克尔逊干涉仪(MI)的方案,原理如下所示。通过分析拍频信号或鉴频信号频谱可得到相位噪声或者频率噪声的噪声谱密度。MI延时自外差技术是对传统MZI型延时自外差技术的一种改进,采用了法拉第旋转反射镜,既降低了随机偏振态漂移引起的噪声,又将时延光纤所需的长度缩短至MZI的一半,众所周知,起到延时作用的光纤长度决定了干涉仪的灵敏度。

                                       非平衡MI干涉仪测试相频噪声


    上海光机所凭借对单频激光器噪声的深刻理解和强大的技术实力开发设计了高水平的单频激光器噪声测试仪,其改进升级版的测试原理图如下。

    该方案采用了3x3耦合器的MI干涉仪解调方案,引入固定的120度相移,从而避免了2x2耦合器所需的正交点主动控制,例如PZT的闭环控制等。上光所研发的单频激光噪声测试仪功能强大,可以全面测试单频光纤激光器的各类噪声。

1) 线宽测试功能

2) 相位噪声测试

3) 频率噪声测试

4) 相对强度噪声RIN测试


    该仪器不但可以测量从几百赫兹到几百千赫兹不同量级的单频激光器的线宽,而且能够非常完整地呈现出他们的相位噪声、频率噪声分布特性以及线宽值依赖于测量时间等线宽特征,和其它技术相比具有明显的优势。

    实测结果举例:


    差分相位波动PSD SΔφ(f)、瞬时相位波动PSDSφ(f)、单边带相位噪声L(f)、差分频率波动PSDSΔv(f)以及瞬时频率波动PSDSv(f)

    归一化到1m的含义:就是标准化,每个非等臂的MI干涉仪的臂差不同,灵敏度也不同,得到的瞬时波动功率谱密度也不同,于是都统一到以1m臂差的理想MI干涉仪的理论灵敏度为基准。


5. 总结

      1.单频激光器的相频噪声和强度噪声测试的基本思想和实现方法都和传统的电域射频信号源的噪声测试一脉相承,但是又有区别。

      2.经典的直接频谱仪测试法,鉴频法和鉴相法等用于射频信号源的噪声测试手段不能满足单频激光尤其是单频光纤激光器的噪声测试要求。

      3.单频光纤激光器的相频噪声测试以及相对强度噪声测试一般通过高灵敏度光纤干涉仪,例如非等臂的MI或者非平衡的MZI来精确识别因为相位起伏和频率抖动,借鉴相干解调的思想,获取其频域相位噪声功率谱密度,频率噪声功率谱密度,通过数学方法分析运算得到单频光纤激光器的单边带相位噪声,频率噪声,频谱线宽(Linewidth),以及相对强度噪声(RIN)的测试结果。  

     4.理解单频光纤激光器各种噪声的特点,统一标准,对单频光纤激光器的性能评估,针对性优化有着重要的意义。