专利名称：激光器噪声特性的测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光器，特别是一种激光器噪声特性的测量装置。
背景技术：
由于激光器随时受到增益介质的自发辐射、谐振腔共振频率以及损耗的微扰、抽运效率的微扰、环境温度变化以及振动等因素的影响，激光输出光场的强度和相位就会存在起伏波动，同时频率是相位的微分，因此频率也存在波动，这种波动就构成激光器的强度和相位噪声。在相干激光通信、相干激光雷达等领域都需要所使用的激光光源具有严格的相位 (频率)稳定性，相位噪声的存在使激光器的相位(频率)稳定性降低，从而严重降低系统的测量灵敏度和准确性，因此完整测试激光器的噪声特性对于制作低噪声高稳定度的激光光源以及后续应用系统的设计和集成具有重要意义。激光器的强度波动可以直接探测，但是由于激光器的相位(频率)噪声特性并不能像激光器的功率一样可以进行直接测量，因为它描述的是激光光场相位的一种统计特性，具有多种表现形式，包括线宽和相位(频率)不稳定性的阿仑方差，两者分别是在频域和时域内笼统描述由于噪声的存在而导致的激光光谱线型的展宽程度。另外还有相位(频率)噪声功率谱密度，描述的是相位(频率)噪声的频率成份以及大�。虼怂暾拿枋隽思す馄鞯南辔�(频率)噪声特性，同时从相位(频率)噪声功率谱密度中还可以推导出线宽和相位(频率)不稳定性的阿仑方差。为了测量上述相位噪声特性的具体参数，人们提出了若干技术方案。在先技术之一T.Okoshi，K. Kikuchi, A. Nakayama. Novelmethod for high-resolution measurement of laser outputspectrum[J]. Electronics Letters，1980，16 (16) :630_631，提出了延时自外差技术测量激光器的线宽，其基本原理是采用马赫-曾德干涉仪将激光相位或频率波动转换为光强度的变化。在干涉仪中，光场矢量与其时延信号相干涉，干涉信号由快速光电探测器探测，然后对记录的光电流做功率谱估计就可推算出激光器的线宽。该方法中所需要的时延长度需要大于被测激光的相干长度，故所需的光学延迟线(光纤)长度非常长 (2ΚΗζ的测量精度需要100公里量级的延迟光纤)，使得系统极易受到外界环境的影响；同时它只能测量出激光器的线宽，并不能得到相位(频率)噪声的分布特性。在先技术之二 :Edgard Goobar. A michelson interferometerwith balanced detection for the characterization of modulationand noise properties of semiconductor lasers[J]. IEEE Journalof Quantum Electronics，1993，29 (4) 1116-1130，提出使用迈克尔逊干涉仪直接测试激光器的相位噪声功率谱密度，其基本原理是将激光器的相位噪声通过迈克尔逊干涉仪转化为强度波动，然后使用光电探测器将强度波动转化为光电流，再对光电流做功率谱估计得到相位噪声功率谱密度。该方案要能满足相位噪声到强度波动的转化条件，首先要求激光器本身的强度噪声很�。梢院雎缘乃剑獯蟠笙拗屏烁梅椒ǖ氖褂梅段Р⑶医档土似洳饬康目尚哦�。另外该技术需要迈克尔逊干涉仪的两个臂工作于正交工作点状态，需要利用干涉仪的直流输出信号对干涉仪的臂长差进行主动反馈控制，提高了系统的复杂性，并限制了系统的低频测试能力。
发明内容
为了克服上述在先技术的缺点，提供一种激光器噪声特性的测量装置，该装置能同时测量出激光器的噪声特性，包括激光器的强度噪声功率谱密度、相位噪声功率谱密度、 频率噪声功率谱密度、线宽和频率不稳定性的阿仑方差，具有集成度高，结构较简洁的特点ο本发明的技术解决方案如下一种激光器噪声特性测量装置，包括激光器噪声波动的转化系统和探测处理系统。所述的转化系统由环形器、3X3耦合器、第一光开关、第二光开关、第一法拉第旋转反射镜、第二法拉第旋转反射镜构成并封装于一个隔热隔音隔振的壳体内，其连接关系如下所述的3X3耦合器的第一端口与所述的环形器的第二端口经光纤相连。该3X3 耦合器的第四端口通过光纤与第一光开关的输入端口相连，第一光开关输出端的第一到第 M个端口由M根不同长度的光纤一对一的与第二光开关输出端的第一到第M个端口相连，第二光开关的输入端口与所述的第一法拉第旋转反射镜相连，该3X3耦合器的第五端口通过光纤与所述的第二法拉第旋转反射镜相连，所述的环形器的第一端口、第三端口连接一段光纤至封装壳体外构成转化系统的第一输入端口、第二输出端口，所述的3 X 3耦合器的第六端口、第二端口和第三端口分别连接一段光纤至封装壳体外构成转化系统的第一、第三、第四输出端口，第一、第二光开关的控制端口分别连接一段控制电缆至封装壳体外构成转化系统的第二、第三输入端口 ；所述的探测处理系统由所述的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、数据采集卡和计算机构成。其中第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器的输入端分别与转化系统的第一、第二、第三、第四输出端口相连接，输出端与所述的数据采集卡连接。所述的数据采集卡与所述的计算机相连。所述的计算机还与转化系统的第二、第三输入端口相连。所述的计算机通过对第一光电探测器的光电流数据进行功率谱估计得到强度噪声功率谱密度。通过对由第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器的光电流数据解调出来的相位噪声波动进行功率谱估计得到相位噪声功率谱密度。再通过相位噪声功率谱密度计算得到频率噪声功率谱密度、线宽和频率不稳定性的阿仑方差。所述的3X3耦合器的第五端口通过光纤经移频器与所述的第二法拉第旋转反射镜相连。本发明的特点和优点是1、本发明能够同时测量描述激光器噪声特性的5个参数，所有信号都在一个耦合器的不同输出端获得，系统集成度高；2、本发明不需要对干涉仪进行主动反馈控制，而且对于3X3耦合器的分光比例和相位关系没有严格的限制条件，从而减少了系统的复杂性；3、本发明不需要对待测激光进行任何限制，所得结果可信度好；4、本发明可以改变频率分析的频谱范围，从而可以获得较宽频段范围的功率谱密度；5、本发明具有集成度高，结构较简洁的特点，不需要额外的主动控制手段，对待测激光没有任何限制，提高了激光器噪声特性测量的可信度。
图1本发明的结构示意图；图2本发明的噪声波动转化系统实施例1的结构示意图；图3本发明的噪声波动转化系统实施例2的结构示意图；图4本发明的封装方案；图5本发明的延迟时间差异及仪器常数标定方案；图6本发明的数据处理算法流程。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图1是本发明光器噪声特性测量装置的结构示意图，由图可见， 本发明激光器噪声特性的测量装置，包括激光器噪声波动的转化系统40和探测处理系统 400，其中探测处理系统由第一光电探测器7、第二光电探测器8、第三光电探测器9、第四光电探测器10、数据采集卡51和计算机52构成，其连接关系如下第一光电探测器7、第二光电探测器8、第三光电探测器9、第四光电探测器10的输入端分别与转化系统的第一输出端口 402、第二输出端口 403、第三输出端口 404、第四输出端口 405相连接，输出端与所述的数据采集卡51连接。所述的数据采集卡51与所述的计算机52相连。所述的计算机52还与转化系统的第二输入端口 406、第三输入端口 407相连。本发明激光器噪声特性的测量装置中噪声波动的转化系统40的实施例1的结构示意图如图2所示，由图可见，所述的转化系统40由环形器1、3X3耦合器2、第一光开关 311和第二光开关312、第一法拉第旋转反射镜4和第二法拉第旋转反射镜5构成，其连接关系如下所述的3X3耦合器2的第一端口 21与所述的环形器1的第二端口 12经光纤相连。该3X3耦合器2的第四端口 M通过光纤与第一光开关311的输入端口 3110相连，第一光开关311输出端的第一到第M个端口(图2中以3111、311M示例)由M根不同长度的光纤(图2中以313、314示例)一对一的与第二光开关312输出端的第一到第M个端口 (图2中以3121、312M示例)相连，第二光开关312的输入端口 3120与所述的第一法拉第旋转反射镜4相连，该3 X 3耦合器2的第五端口 25通过光纤与所述的第二法拉第旋转反射镜5相连。所述的环形器的第一端口 11和第三端口 13分别连接一段光纤至封装壳体外构成转化系统的第一输入端口 401和第二输出端口 403，所述的3X3耦合器的第六端口 26、 第二端口 22和第三端口 23分别连接一段光纤至封装壳体外构成转化系统的第一输出端口 402、第三输出端口 404和第四输出端口 405，第一光开关的控制端口 33和第二光开关的控制端口 34分别连接一段控制电缆至封装壳体外构成转化系统的第二输入端口 406、第三输入端口 407。其基本原理如下入射激光0输入转化系统的第一输入端口 401，进入环形器1的端口 11，从其端口 12输出再经光纤输入3X3耦合器2的第一端口 21，然后被耦合器2分成3束分别到达第四端口 24、第五端口 25、第六端口 26。第六端口沈的光经转化系统的第一输出端口 402直接被第一光电探测器7接收转化成光电流，第四端口 M和第五端口 25输出的光束经过不同的延迟时间后分别被第一法拉第旋转反射镜4和第二法拉第旋转反射镜5反射回耦合器 2干涉，两束光的延迟时间差异τ由第一光开关311、第二光开关312以及M根不同长度的光纤(图2中以313、314示例)所构成的延迟时间控制器31确定。在耦合器2处发生干涉的返回光再被分成3束分别到达第一端口 21、第二端口 22、第三端口 23，其中第一端口 21 的光经过环形器1的第二端口 12到第三端口 13再经转化系统的第二输出端口 403被第二光电探测器8接收转化成光电流，耦合器2的第二端口 22、第三端口 23输出的光分别经转化系统的第三输出端口 404和第四输出端口 405直接被第三光电探测器9和第四光电探测器10探测并转化成光电流。然后利用数据采集卡51将所述的第一光电探测器7、第二光电探测器8、第三光电探测器9、第四光电探测器10的输出电流进行采样并输入到计算机52， 再由计算机对相应信息进行数据处理即可获得需要的噪声特性参数。其中强度噪声功率谱密度可以按照参考文献(参见Wfelch，P.D..The use of fast Fourier transform for the estimation of powerspectra :a method based on time averaging over short, modifiedperiodograms[J]. IEEE Transactions on Audio andElectroacoustics，1967，15(2) =70-73)所述的功率谱估计方法对探测器7输出的光电流做功率谱估计得到。而其它三个噪声特性参数与第二光电探测器8、第三光电探测器9、 第四光电探测器10输出的光电流相关，但并不是直接可显示的关系，需要进行特定的数据处理进行解调，其解调的基本原理如下根据参考文献(参见Y. Takushima,H. Y. Choi, Y. C. Chung. Plug-and-play phasor monitor for DxPSK signals based on singledelay-interferometer using a 3X3 optical coupler [C], Tech. Dig. 0FC/NF0EC, San Diego CA, 2008, 0Thff4)所述的基于 3X3 耦合器的干涉仪对相位的直接解调原理可知待测激光0在t时刻与t- τ时刻之内的相位差异Δ φ (t) = Φ α)_Φ (t-τ)与第二光电探测器8、第三光电探测器9、第四光电探测器 10在t时刻输出的光电流I1⑴、I2⑴、I3 (t)的关系可用(1)式描述A0(t) = arctan ΑγΙγ《)+ ^2《)+ 《)
U4ACO+ M(0 +- Γ arctan 4^(0 + ^(0 + 4^(0 dt
丨。 L 聯) + 4/2( ) +唇)J(1)其中，Ai (i = 1，...，6)是和光电探测器8、9、10的响应度、3 X 3耦合器2的分光比例以及相位差有关的仪器常数。于是测得了光电探测器8、9、10的光电流之后就可以根据(1)式解调出输入激光在时间范围τ之内的相位波动量，对该波动量做功率谱估计就可以得到待测激光的相位噪声功率谱密度S^ (f)。另外根据参考文献(参见T. Okoshi,
6K. Kikuchi. Coherent optical fiber communications[Μ]. KTKScientific Publishers, 1988，P61-110)所述的相位噪声功率谱密度与频率噪声功率谱密度、线宽、频率不稳定性的阿仑方差的关系，可以由(2)式得到待测激光的频率噪声功率谱密度
的，于是延迟时间与测量系统的频率分析范围Af由(5)式决定， 0.44 ^ 0.44 Ar 0.44 f
权利要求
1.一种激光器噪声特性的测量装置，特征在于其构成包括激光器噪声波动的转化系统 (40)和探测处理系统(400)所述的转化系统GO)由环形器(1)、3X3耦合器O)、第一光开关(311)和第二光开关 (312)、第一法拉第旋转反射镜(4)和第二法拉第旋转反射镜(5)构成并封装于隔热隔音隔振的壳体Gl)中，其连接关系如下所述的3X3耦合器O)的第一端口与所述的环形器(1)的第二端口(12)经光纤相连。该3X3耦合器O)的第四端口 04)通过光纤与第一光开关(311)的输入端口 (3110)相连，第一光开关(311)输出端的第一 (3111)到第M(311M)个端口由M根不同长度的光纤(313、314) —对一的与第二光开关(312)输出端的第一(3121)到第M(312M)个端口相连，第二光开关(312)的输入端口(3120)与所述的第一法拉第旋转反射镜(4)相连， 该3X3耦合器O)的第五端口 25通过光纤与所述的第二法拉第旋转反射镜5相连，所述的环形器(1)的第一端口(11)和第三端口(1 分别连接一段光纤至封装壳体外构成转化系统的第一输入端口(401)和第二输出端口 003)，所述的3X3耦合器O)的第六端口 ( )、第二端口 0 和第三端口分别连接一段光纤至封装壳体外构成转化系统的第一输出端口 002)、第三输出端口(404)和第四输出端口 005)，第一光开关(311)的控制端口(3 和第二光开关(31 的控制端口(34)分别连接一段控制电缆至封装壳体外构成转化系统的第二输入端口 006)、第三输入端口(407)；所述的探测处理系统G00)由第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第三光电探测器(9)、第四光电探测器(10)、数据采集卡(51)和计算机(52)构成，其连接关系如下第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第三光电探测器(9)和第四光电探测器 (10)的输入端分别与所述的转化系统的第一输出端口 002)、第二输出端口 003)、第三输出端口(404)和第四输出端口(40 相连接，第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第三光电探测器(9)、第四光电探测器(10)的输出端与所述的数据采集卡(51)连接，所述的数据采集卡(51)与所述的计算机(5 相连，所述的计算机(5 还与所述的转化系统的第二输入端口 006)、第三输入端口(407)相连；所述的计算机(5 通过对第一光电探测器(7)的光电流数据进行功率谱估计得到强度噪声功率谱密度，通过对由第二光电探测器(8)、第三光电探测器(9)、第四光电探测器 (10)的光电流数据解调出来的相位噪声波动进行功率谱估计得到相位噪声功率谱密度。
2.根据权利要求1所述的激光器噪声特性测量装置，其特征在于所述的3X3耦合器 (2)的第五端口 0 通过光纤经移频器(6)与所述的第二法拉第旋转反射镜( 相连。
全文摘要
一种激光器噪声特性的测量装置，由激光器噪声波动的转化系统和探测处理系统构成，主要包括环形器，3×3耦合器，第一光开关，第二光开关，光纤，第一法拉第旋转反射镜，第二法拉第旋转反射镜，移频器，第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、数据采集卡和计算机。本发明装置能同时测量出激光器的噪声特性，包括激光器的强度噪声功率谱密度、相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽和频率不稳定性的阿仑方差，具有集成度高，结构较简洁的特点，不需要额外的主动控制手段，对待测激光没有任何限制，提高了激光器噪声特性测量的可信度。
文档编号G01M11/02GK102353523SQ201110172609
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者杨飞, 瞿荣辉, 蔡海文, 陈迪俊 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所
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