一种窄线宽激光器的线宽测试系统及测试方法技术方案

本发明专利技术公开了光电技术领域的一种窄线宽激光器的线宽测试系统及测试方法，包括光源和两组并联的短时延延时差拍信道，所述短时延延时差拍信道用于将待测激光光波相噪转化为参考源频率上的相噪，并采用

【技术实现步骤摘要】
一种窄线宽激光器的线宽测试系统及测试方法


[0001]本专利技术涉及光电
，具体为一种窄线宽激光器的线宽测试系统及测试方法
。

技术介绍

[0002]激光器线宽是表征激光器输出光相干性性能的关键指标
。
近年来，窄线宽激光器在光通信
、
光纤传感
、
激光雷达
、
量子感知与计算等领域应用越来越广泛，线宽测试需求也逐渐迫切
。
[0003]传统激光器线宽测试方法通过延时差拍方法来测量
。
在这种方法中，激光光波被分成两路，其中一路经过若干公里光纤后与另一路光同时输入光电探测器，得到了电谱宽度推算出激光线宽
。
由于这种方法需要光纤的长度超过相干长度
。
随着激光线宽越来越窄，往往需求几十公里到上百公里的光纤，将周围环境噪声的影响引入测试系统，从而影响测量精度
。
另一种方案是将光纤时延缩小到
10
米量级，通过测试拍频电信号的相噪来推算激光光波的相位噪声，从而计算出激光器的线宽
。
这种方案减小了延时光纤受环境的扰动程度，但是由于延时光纤长度较短，得到的电信号中的相位噪声分量较小，测试系统中的光电噪声
、ADC
的量化噪声等因素均将影响测试系统的性能
。
[0004]为此，我们提出一种窄线宽激光器的线宽测试系统及测试方法
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种窄线宽激光器的线宽测试系统及测试方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种窄线宽激光器的线宽测试系统，包括光源和两组并联的短时延延时差拍信道，所述短时延延时差拍信道用于将待测激光光波相噪转化为参考源频率上的相噪，并采用
GPU
后进行互相关计算后去除了系统中噪声；所述短时延延时差拍信道包括耦合器
、
短时延光纤差拍单元
、
光电信号转换模块
、
参考源和采集卡，所述耦合器用于光信号的耦合
、
分配或混合，所述短时延光纤差拍单元用于光信号到电信号的转换，所述短时延光纤差拍单元包括延时光纤和声光移频器，光信号通过所述延时光纤进行时延，光信号通过所述声光移频器进行移频，所述参考源用于驱动声光移频器，所述光电信号转换模块包括光电平衡探测器
、
电放大器，所述光电平衡探测器用于接入延时光纤
、
声光移频器输出的光信号的耦合后的光混频并生成电信号，所述电放大器用于放大光电平衡探测器输出的电信号，所述采集卡用于将转化电放大器输出的电信号转化为数字信号
。
[0007]优选的，所述延时光纤为短光纤
。
[0008]优选的，一种窄线宽激光器的线宽测试方法，包括以下步骤：步骤一：光源将光信号输入耦合器中，通过耦合器将光信号同时分配至两组短时延延时差拍信道中；
步骤二：光信号进入短时延光纤差拍单元中，再次通过耦合器分配至延时光纤和声光移频器中，一组光信号通过延时光纤进行时延，另一路光信号由参考源驱动的声光移频器进行移频；步骤三：延时光纤与声光移频器再将输出的光信号接入耦合器，实现两组光信号的耦合，得到光混频后接入光电平衡探测器，生成电信号，实现光信号相位差拍到电信号相位的转化；步骤四：带有相得到的输出接入电放大器，后经过采集卡转化为数字信号；步骤五：测试电信号推算出光信号的相位噪声，从而得到激光光波的线宽；步骤六：采用
GPU
对控测到的上支路和下支路信号进行高速互相关计算，输出结果
。
[0009]优选的，所述步骤三中，两组光电平衡探测器接收到的光信号分别可表示为：
、
，其中，为激光器产生的相位噪声，和为由测量系统引入的等效相位波动，测量系统引入的等效相位波动包括光电平衡探测器的散粒噪声与热噪声
、
采集卡的量化噪声，以及延时光纤受到外界环境振动的影响
。
[0010]优选的，所述步骤五中，两组采集卡转化的数字信号分别表示为
ADC1、ADC2
，
ADC1、ADC2
依次通过希尔伯特变换得到其正交分量，反正切运算得到相位值和相位展宽算法得到实际相位变化
。
[0011]优选的，两路信号的总相位变化分别为：
、
，单路信号的功率谱为：
、
，其中，表示傅里叶变换，为激光器的相位噪声产生的功率谱贡献，和分别为测量系统中上支路和下支路的噪声引入的功率谱贡献；功率谱贡献指不同频率分量对总功率的贡献程度
。
[0012]优选的，用上支路信号和下支路信号的互相关函数的傅里叶变换来估计单路信号的功率谱，可表示为：，其中，为与的互相关函数
。
[0013]优选的，由傅里叶变换的性质可知，可表示为：，其中，为的傅里叶变换，为的傅里叶变换，
*
表示取共轭
。
[0014]优选的，在相位噪声测量中，相位噪声噪底强度和互相关次数有一定的关联性，其具体计算公式为：互相关后的相位噪声噪底强度（
dBc/Hz
）
=
和互相关前的相位噪声噪底强度的乘积；其中
,
即，
M
为互相关运算的次数
。
[0015]优选的，单路信号的功率谱作为对其相位噪声谱的估计，最后积累多次测量结果
平均
。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本方案中通过采用两组短时延延时差拍信道的结构设置，通过两路光相位到电参考频率通道，分别为上支路和下支路的两组短时延光纤差拍单元，在这个系统中，除了输入待测光波和超低相噪参考源外，其它光电器件均是相互独立的，可以通过互相关频谱计算来抑制非相关噪声，从而大大提高了测试系统的灵敏度；本方案中的装置中采用
GPU
对控测到的双路信号进行高速互相关计算，有效地去除了两路测量链路中的各种噪声，大大降低了噪底，提升了灵敏度
。
附图说明
[0017]图1为本专利技术线宽测试系统结构组成示意图；图2为本专利技术线宽测试系统噪声消除方法流程示意图；图3为本专利技术线宽测试系统不同互相关次数下激光器相位噪声的测量结果示意图
。
[0018]图中：
1、
光源；
2、
耦合器；
3、
延时光纤；
4、
声光移频器；
5、
光电平衡探测器；
6、
电放大器；
7、
参考源；
8、
采集卡
。
具体实施方式
[0019]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚
、
完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种窄线宽激光器的线宽测试方法，包括以下步骤：步骤一：光源（1）将光信号输入耦合器（2）中，通过耦合器（2）将光信号同时分配至两组短时延延时差拍信道中；步骤二：光信号进入短时延光纤差拍单元中，再次通过耦合器（2）分配至延时光纤（3）和声光移频器（4）中，一路光信号通过延时光纤（3）进行时延，另一路光信号由参考源（7）驱动的声光移频器（4）进行移频；步骤三：再将延时光纤（3）与声光移频器（4）输出的光信号接入耦合器（2），实现两组光信号的耦合，得到光混频后接入光电平衡探测器（5），生成电信号，实现光信号相位差拍到电信号相位的转化；步骤四：带有相得到的输出接入电放大器（6），后经过采集卡（8）转化为数字信号，其中带有相得到的输出指光电平衡探测器输出的电信号，其中电信号相位包含了两支路光信号的相位差变化；步骤五：测试电信号推算出光信号的相位噪声，从而得到激光光波的线宽；步骤六：采用
GPU
对控测到的上支路和下支路信号进行高速互相关计算，输出结果；所述步骤三中，两组光电平衡探测器（5）接收到的光信号分别可表示为：
、
，其中，为激光器产生的相位噪声，和为由测量系统引入的等效相位波动，测量系统引入的等效相位波动包括光电平衡探测器（5）的散粒噪声与热噪声
、
采集卡（8）的量化噪声，以及延时光纤（3）受到外界环境振动的影响；两组采集卡（8）转化的数字信号分别表示为
ADC1、ADC2
，
ADC1、ADC2
依次通过希尔伯特变换得到其正交分量，反正切运算得到相位值和相位展开算法得到实际相位变化；两路信号的总相位变化分别为：
、
，单路信号的功率谱为：
、
，其中，表示傅里叶变换，为激光器的相位噪声产生的功率谱贡献，和分别为测量系统中上支路和下支路的噪声引入的功率谱贡献；功率谱贡献指不同频率分量对总功率的贡献程度
。2.
根据权利要求1所述的一种窄线宽激光器的线宽测试方法，其特征在于：用上支路信号和下支路信号的互相关函数的傅里叶变换来估计单路信号的功率谱，可表示为：，其中，为与的互相关函数
。3.
根据权利要求2所述的一种窄线宽激光器的线宽测试方法，其特征在于：由傅里叶变换的性质可知，可表示为：，其中，为的傅里叶变...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晖，陈莲薏，孙源佑，李良波，
申请(专利权)人：常州灵动芯光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：