基于3×3干涉仪和相位信号...的信号采样对激光噪声的影响_李光波.pdf

第 31 卷 第 7 期2023 年 4 月Vol.31 No.7Apr.2023光学 精密工程 Optics and Precision Engineering基于 33干涉仪和相位信号解调的信号采样对激光噪声的影响李光波1，延凤平1*，秦齐1，周凌云1，刘艳1，冯亭2*（1.北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044；2.河北大学 物理科学与技术学院 光信息技术创新中心，河北 保定 071002）摘要：提出了一种基于 33耦合器的非平衡迈克尔逊干涉仪和相位信号解调的激光器线宽测量系统，基于相位信号解调的微分交叉相乘算法，可对所采信号进行高速实时处理，快速给出待测激光器的频率噪声信息和线宽值。该系统光路结构简单，无须主动控制，测量结果重复性高。考虑采样信号是否同时包含源信号的最大值和最小值这一重要问题，在仿真和实验两种情况下着重讨论了对源信号进行采样窗口为 0.5，0.4，0.1，0.05和 0.01 s的采样对所测试激光器频率噪声功率谱密度的影响。仿真和实验均表明，使用采样窗口为 0.1，0.05和 0.01 s未同时包含源信号的最大值和最小值的采样信号计算获得的激光频率噪声功率谱密度幅值偏高。进一步使用-分割线法对 1.5 m 波段商用激光器和实验室自制的 2 m 波段激光器进行线宽测量验证，结果表明，使用同时包含源信号最大值和最小值的采样信号处理得到1.5 m波段商用激光器的线宽值在测量时间为 2 ms时为 5 kHz，同时本结论可拓展至全波段适用。关键词：单频窄线宽激光器；线宽测量；频率噪声；相位信号解调中图分类号：TN248 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233107.0982Effect of signal sampling on laser noise based on 33 interferometer and phase signal demodulationLI Guangbo1，YAN Fengping1*，QIN Qi1，ZHOU Lingyun1，LIU Yan1，FENG Ting2*（1.School of Electronic and Information Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.Photonics Information Innovation Center，College of Physics Science Technology，Hebei University，Baoding 071002，China）*Corresponding author，E-mail：；Abstract：A laser linewidth measurement system based on an unbalanced Michelson interferometer achieved using a 3 3 coupler and phase signal demodulation is reported in this study.The signal processing section is based on phase signal demodulation technology，which can process the signal in real time and at high speed.Therefore，the frequency noise and linewidth of the laser under test could be obtained quickly.The system features a simple optical path structure，no active control，and stable repeatability of measurement results.However，it is necessary to consider whether the sampled signal contains the maximum 文章编号 1004-924X（2023）07-0982-10收稿日期：2022-11-02；修订日期：2022-11-18.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.61827818，No.61975009，No.61975049）第 7 期李光波，等：基于 33干涉仪和相位信号解调的信号采样对激光噪声的影响and minimum values of the source signal simultaneously when using this scheme.Therefore，the effect on the frequency noise power spectral density of the laser under test is thoroughly discussed with respect to different sampling windows of 0.5，0.4，0.1，0.05，and 0.01 s.Both simulation and experiment show that the amplitude of the laser frequency noise power spectral density calculated by the signal is too high，and that sampling signals with sampling windows of 0.1，0.05，and 0.01 s do not contain the maximum and minimum of the source signal.A commercial laser with a wavelength of 1.5 m and a self-made laser in our laboratory with a wavelength of 2 m are measured using-separation line method.The results show that the linewidth of the commercial laser in the 1.5 m band is 5 kHz，with a measurement time of 2 ms.It also shows that this conclusion can be extended to the entire band.Key words：single-frequency narrow linewidth laser；line width measurement；frequency noise；phase signal demodulation1 引 言单频窄线宽激光器线宽窄、噪声低、抗电磁干扰能力强，在光通信、光传感和高精度光谱学等领域有着重要应用1-6。董杰等使用线宽为5 kHz的分布反馈激光器作为光源搭建了一套水下声波测量系统，检测灵敏度高且频率平坦度较好7。线宽值作为窄线宽激光器的一项重要表征参 数，其 测 量 方 法 的 研 究 是 十 分 重 要 且 有 意义的。在激光器线宽测量研究初期，人们采用光谱仪测量法和法布里-珀罗标准具干涉法测量激光器的线宽，前者能测量的线宽量级为 GHz，后者的测量极限为 MHz。随着窄线宽激光器的发展和线宽压缩技术的进步，激光器的线宽被进一步压窄，达到 kHz 甚至亚 kHz 量级8-9，超出了传统方法的测量极限。目前，延时自外差激光线宽测量法是认可度最高的方法，它于 1980年由日本学者 Okoshi等首次提出10，但该方案存在延时光纤过长，系统抗外界干扰能力差等问题。1992 年，Dawson 改进了传统的延时自外差技术11，利用对光纤延时线的复用，在 11 km 的光纤延时线下实现了 606 Hz的极限分辨率。然而，较长的光纤延时线极大地增加了系统的损耗和不确定性，容易引入噪声，为测量带来困难。2011 年，曹春燕等提出基于 22 耦合器的非平衡光纤干涉仪测量法12，利用臂差为 10 m 的光纤干涉仪对窄线宽分布反馈激光器进行测量，结果表明，激光器光 波 功 率 谱 有 近 似 的 洛 伦 兹 线 型 且 线 宽 为5.4 kHz，与 5 kHz 的理论值相近。不过 22 耦合器作为干涉仪时，需要使用主动反馈方法和精确标定控制正交点，增加了系统的复杂度，并提高了对环境的要求13。徐丹等在 2016 年提出基于 33 的非平衡迈克尔逊干涉仪的延时自外差技术13，对 Emcore公司和 NKT 公司的两类典型光源的相位噪声、频率噪声以及线宽进行了测试，验证了该方法的正确性和稳健性。白燕等在2019 年提出一种基于保偏 33 光纤耦合器的激光相位噪声解调系统14，通过仿真和实验对该系统的稳定性进行了验证。然而，在上述使用基于噪声解调的线宽测量方法中，对获得的电信号是否包含源信号最大值和最小值对激光器频率噪声功率谱密度以及计算得到的线宽值的影响研究还未见报道。本文采用基于 33 耦合器的非平衡迈克尔逊干涉仪光学结构，在电学部分使用微分交叉相乘的解调方法，该解调方法相较于文献 13 中的反正切解调法计算量更小，更利于快速给出线宽计算值14。相对于文献 14，本文深入研究了基于相位信号解调的微分交叉相乘算法，重点讨论了不同采样窗口长度对激光器的频率噪声和线宽计算值的影响。为了验证本文系统和所提结论的普适性，在 1.5 m 和 2 m 波段进行了实验，实验结论表明，基于本研究结论可以正确测量kHz量级 1.5 m和 2 m波段的激光线宽值。2 原 理线宽测量光学部分的实验设置如图 1 所示，包含待测激光器（Laser Under Test，LUT）、光隔983第 31 卷光学 精密工程离器（Optical Isolator，ISO）、光耦合器（Optical Coupler，OC）、法 拉 第 旋 转 镜（Faraday Rotator Mirror，FRM）和 光 电 探 测 器（Photodetector，PD）。待测激光从 33 耦合器的端口 1 接入系统，33 耦合器的端口 4 和 6 分别连接一只法拉第旋转镜，其中端口 6与旋转镜之间连接 50 m 长的延时光纤，端口 5闲置，并将其紧紧地弯曲以防止任何背向反射。测量时待测光信号从端口 1输入到耦合器，耦合器分光比为 33 33 33，分成 3路光信号，两两之间的相位差为 120。端口 4 和6的光信号到达 FRM 后进行反射，被反射光信号的 偏 振 态 得 到 补 偿，有 效 促 成 了 光 信 号 的 干涉15，其中端口 6与 FRM 2之间的光信号来回两次经过延时光纤，因此延时光纤长度可等效为100 m。反射回来的光信号被分成 3路从端口 2，3 输出，端口 1 的隔离器可以避免耦合器输出光信号对光源的影响，端口 2，3获得的光信号被 PD转换为电信号进行后续处理。考虑到耦合器耦合系数和光纤损耗随环境的变化，PD获得的电信号应表示为16：D2=A1+B1cos()s-23D3=A2+B2cos(s)，（1）式中：Ai（i=1，2）为两个 PD 探测到的电压信号的直流分量，Bi（i=1，2）为干涉信号强度，s为干涉信号的相位差。理想状态下，s为一个定值。然而，在环境扰动和待测激光的频率噪声下，s为一个时变信号（t），根据该信号可以推导出激光器的频率噪声。对 PD 采集到的电信号使用微分交叉相乘算法进行解算，原理如图 2所示。PD输出的电信号D2和 D3首先根据式（2）进行标准化处理（将原始数据按照一定的比例进行转换，使之落入到特定区间-1，1 内）得到 I2和 I3。标准化处理可以很好地解决实际情况下 33 耦合器分光比不均匀或两 PD 的偏置电压不同造成信