CN110118643A - 一种功率谱双特征参量提取的激光器线宽测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率谱双特征参量提取的激光器线宽测量方法与装置。该方法包括：将待测激光分束，其中一束激光移频、另一束激光延时，将移频和延时后的两束激光合束，探测合束光的光电流并获取其功率谱；提取功率谱的特征参量：一阶包络峰值与谷值的功率差值、零阶极小值点与中心频率的频率差值；根据提取的特征参量计算待测激光的线宽值。该装置包括：光源模块将待测激光分为第一激光和第二激光；频移模块将第一激光移频；延时模块将第二激光延时；功率谱获取模块用于探测合束光的光电流并获取其功率谱；数据处理模块用于提取特征参量，计算待测激光的线宽值。本发明可以避免现有技术中延时光纤长度测量误差导致激光器线宽测量不准确的问题。
Description
技术领域
本发明属于激光器线宽测量领域，更具体地，涉及一种功率谱双特征参量提取的激光器线宽测量方法及装置。
背景技术
窄线宽激光器具有输出激光线宽窄、相干性好等特点，在光纤通信以及光纤传感等领域受到广泛关注。在光纤通信系统中本振光源的线宽即相位噪声特性，直接影响相干解调后相位信息的有效提取。随着系统中使用的调制格式越来越高级，对光源相位噪声即线宽的要求越来越严格，线宽大小开始从1MHz量级向10kHz甚至100Hz量级演变。常规的基于延时自外差技术的激光器线宽测量方法，在待测激光器线宽很窄的条件下需要上百公里的延时光纤，这不仅会使整个测量系统具有很大的损耗，也会引入极大的相位噪声，使测量结果产生很大的误差，不能满足现有超窄线宽激光器线宽测量的需求。
期刊文献1(Huang S,Zhu T,Cao Z,et al.Laser Linewidth Measurement Basedon Amplitude Difference Comparison of Coherent Envelope[J].IEEE PhotonicsTechnology Letters,2016,28(7):759-762.)公开了一种相干包络幅度检测的超窄线宽激光器线宽测量的方法，该方法采用一段较短的光纤作为延时光纤，提取功率谱一阶包络峰值与谷值的功率差值并通过一定的算法计算得到待测激光器的线宽值。在这种方法中，需要准确地获得延时光纤的长度，而这一长度的测量往往存在一定的误差，进而使激光器线宽测量结果不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光器线宽测量方法及装置，以解决现有技术因延时光纤长度的测量误差导致激光器线宽测量不准确的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种功率谱双特征参量提取的激光器线宽测量方法，包括：
将待测激光分成两束，其中一束激光移频、另一束激光延时，将移频和延时后的激光合束，探测合束光的光电流并获取其功率谱；
提取功率谱的特征参量；
所述特征参量包括：一阶包络峰值与谷值的功率差值、零阶极小值点与中心频率的频率差值；
根据提取的特征参量计算待测激光的线宽值。
优选地，所述另一束激光使用延时光纤进行延时，延时光纤为：
所述光电流使用探测器进行探测，光电流的功率谱为：
所述功率谱中一阶包络峰值与谷值的功率差值为：
所述功率谱中零阶极小值点与中心频率的频率差值为：
其中，c表示光速大小；n表示光纤折射率大小；P0表示合束光的光功率值；Δν表示待测激光的线宽值；L表示延时光纤的长度；f0表示频移量的大小；α表示探测器响应度的大小；g表示探测器中放大器的增益大小；R表示探测器输出电阻的大小；Δfr表示测得的功率谱的分辨率大小；SR(f)表示光电流的功率谱；ΔSR表示功率谱中一阶包络峰值与谷值的功率差值；ΔfR表示功率谱中零阶极小值点与中心频率的频率差值。
优选地，所述待测激光的线宽值为：
其中，ΔSR表示功率谱中一阶包络峰值与谷值的功率差值；ΔfR表示功率谱中零阶极小值点与中心频率的频率差值；Δν表示待测激光的线宽值。
本发明提供了一种功率谱双特征参量提取的激光器线宽测量装置，包括：光源模块，频移模块，延时模块，功率谱获取模块和数据处理模块；
所述光源模块的第一输出端与频移模块的输入端相连，第二输出端与延时模块的输入端相连；所述频移模块的输出端与功率谱获取模块的第一输入端相连；所述延时模块的输出端与功率谱获取模块的第二输入端相连；所述功率谱获取模块的输出端与数据处理模块相连；
所述光源模块用于产生待测激光，并将其分为第一激光和第二激光；所述频移模块将第一激光移频；所述延时模块将第二激光延时；所述功率谱获取模块用于将移频后的第一激光和延时后的第二激光耦合，探测耦合后的光得到光电流并获取其功率谱；所述数据处理模块用于提取功率谱中的特征参量，并计算待测激光的线宽值。
优选地，所述光源模块包括激光器和第一耦合器；
所述激光器的输出端与第一耦合器的输入端相连；所述第一耦合器的第一输出端与频移模块的输入端相连，第二输出端与延时模块的输入端相连；
所述激光器发出待测激光；所述第一耦合器用于将待测激光分成两束激光；
优选地，所述光源模块还包括光隔离器，所述光隔离器的输入端与激光器的输出端相连，其输出端与第一耦合器的输入端相连，用于保护激光器。
优选地，所述频移模块包括移频器和直流电源；
所述直流电源的输出端与移频器的一个输入端相连；所述移频器的另一个输入端与第一耦合器的第一输出端相连，其输出端与功率谱获取模块的第一输入端相连；
所述直流电源用于输出信号驱动所述移频器；所述移频器用于将第一耦合器传输的激光进行移频；
优选地，所述频移模块还包括第一可调光衰减器，所述第一可调光衰减器的输入端与所述移频器的输出端相连，其输出端与功率谱获取模块的第一输入端相连；所述第一可调光衰减器用于匹配移频后的激光与延时后的激光间的功率。
优选地，所述延时模块包括延时光纤；
所述延时光纤的输入端与第一耦合器的第二输出端相连，其输出端与功率谱获取模块的第二输入端相连；
所述延时光纤用于将第一耦合器传输的激光进行延时；
优选地，所述延时光纤长度的范围为：
其中，c表示光速大小；n表示光纤折射率大小；Δν表示待测激光的线宽值；L表示延时光纤的长度；ΔSmin表示一阶包络峰值与谷值的功率差值的最小可测量值；Δfmin表示零阶极小值点与中心频率的频率差值的最小可测量值；P0表示合束光的光功率值；Sn表示测得的系统噪声基底的功率值；α表示探测器响应度的大小；g表示探测器中放大器的增益大小；R表示探测器输出电阻的大小；Δfr表示测得的功率谱的分辨率大小。
优选地，所述延时模块还包括偏振控制器和第二可调光衰减器；所述偏振控制器的输入端与延时光纤的输出端相连，其输出端连接第二可调光衰减器的输入端；所述第二可调光衰减器的输出端与功率谱获取模块的第二输入端相连；所述偏振控制器用于匹配延时后的激光与移频后的激光间的偏振态；所述第二可调光衰减器用于匹配延时后的激光与移频后的激光间的功率。
所述功率谱获取模块包括第二耦合器、光探测器和电子频谱分析仪；
所述第二耦合器的第一输入端与第一可调光衰减器的输出端相连，第二输入端与第二可调光衰减器的输出端相连，其第一输出端与光探测器的输入端相连；所述光探测器的输出端与所述电子频谱分析仪的输入端相连；所述电子频谱分析仪的输出端与数据分析模块的输入端相连；
所述第二耦合器用于将第一可调光衰减器和第二可调光衰减器传输的两束激光耦合；所述光探测器用于探测耦合光得到光电流；所述电子频谱分析仪用于获取光电流的功率谱；
优选地，所述光探测器的探测波长要覆盖待测激光的波长，探测带宽要大于所述移频器的频移量；
所述功率谱获取模块还包括光功率计；所述光功率计与第二耦合器的第二输出端相连，用于监测链路中的光功率。
所述数据分析模块包括电子计算机；
所述电子计算机的输入端与电子频谱分析仪的输出端相连；
所述电子计算机用于从获得的功率谱中提取特征参量，并计算待测激光的线宽值。
优选地，所述功率谱的特征参量包括：一阶包络峰值与谷值的功率差值、零阶极小值点与中心频率的频率差值。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过提取探测得到的光电流功率谱中的特征参量，具体为一阶包络峰值与谷值的功率差值ΔSR、零阶极小值点与中心频率的频率差值ΔfR，通过公式计算待测激光的线宽值Δν，本发明避免了现有技术因对延时光纤长度测量误差导致激光器线宽测量不准确的问题，使测量的激光器线宽值更加可靠。
(2)本发明提出的激光器线宽测量方法，将提取得到的特征参量直接带入公式计算即可得到待测激光的线宽值，相比于文献1中提出的方法更加简便。
附图说明
图1是本发明提供的激光器线宽测量方法的流程示意图；
图2是本发明提供的功率谱及需提取的特征参量示意图；
图3是实施例1提供的测量系统的结构示意图；
图4是对不同长度的延时光纤，当延时光纤长度的误差取不同值时，待测激光的实际线宽值和线宽测量值的误差的关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种功率谱双特征参量提取的激光器线宽测量方法，包括：
(1)将待测激光分成两束，其中一束激光移频、另一束激光延时，将移频和延时后的激光合束，探测合束光的光电流并获取其功率谱；
(2)提取功率谱的特征参量；
所述特征参量包括：一阶包络峰值与谷值的功率差值、零阶极小值点与中心频率的频率差值；
(3)根据提取的特征参量计算待测激光的线宽值。
优选地，所述步骤(1)中另一束激光使用延时光纤进行延时，使用探测器对合束后的激光进行探测得到光电流，使用电子频谱分析仪获得光电流的功率谱，延时光纤为：
其中，c表示光速大小；n表示光纤折射率大小；Δν表示待测激光的线宽值；L表示延时光纤的长度；ΔSmin表示一阶包络峰值与谷值的功率差值的最小可测量值；Δfmin表示零阶极小值点与中心频率的频率差值的最小可测量值；P0表示合束光的光功率值；Sn表示测得的系统噪声基底的功率值；α表示探测器响应度的大小；g表示探测器中放大器的增益大小；R表示探测器输出电阻的大小；Δfr表示测得的功率谱的分辨率大小。
探测器的探测波长覆盖待测激光的波长，带宽要大于频移量的大小。
功率谱的中心频率等于频移量的大小。
如图2所示，重复步骤(2)提取功率谱的特征参量，获得多组测量数据。
优选地，将多组测量数据分别带入公式计算待测激光的线宽值，之后取平均值作为最后的结果；其中，ΔSR表示功率谱中一阶包络峰值与谷值的功率差值；ΔfR表示功率谱中零阶极小值点与中心频率的频率差值；Δν表示待测激光的线宽值。
如图3所示，本发明提供了一种功率谱双特征参量提取的激光器线宽测量装置，包括：光源模块，频移模块，延时模块，功率谱获取模块和数据处理模块；
所述光源模块的第一输出端与频移模块的输入端相连，第二输出端与延时模块的输入端相连；所述频移模块的输出端与功率谱获取模块的第一输入端相连；所述延时模块的输出端与功率谱获取模块的第二输入端相连；所述功率谱获取模块的输出端与数据处理模块的输入端相连；
所述光源模块用于产生待测激光，并将其分为第一激光和第二激光；所述频移模块将第一激光移频；所述延时模块将第二激光延时；所述功率谱获取模块用于将移频后的第一激光和延时后的第二激光耦合，探测耦合后的光得到光电流并获取其功率谱；所述数据处理模块用于提取功率谱的特征参量，并计算待测激光的线宽值。
所述光源模块包括激光器1、光隔离器2和第一耦合器3；
所述激光器1的输出端与光隔离器2的输入端相连；所述光隔离器2的输出端与第一耦合器3的输入端相连；所述第一耦合器3的第一输出端与频移模块的输入端相连，第二输出端与延时模块的输入端相连；
所述激光器1发出待测激光；所述光隔离器2用于保护激光器；所述第一耦合器3用于将待测激光分成两束激光。
所述频移模块包括移频器4、直流电源5和第一可调光衰减器6；
所述直流电源5的输出端与移频器4的一个输入端相连；所述移频器4的另一个输入端与第一耦合器3的第一输出端相连，其输出端与第一可调光衰减器6的输入端相连；所述第一可调光衰减器6的输出端与功率谱获取模块的第一输入端相连；
所述直流电源5用于输出信号驱动所述移频器4；所述移频器4用于将第一耦合器传输的激光进行移频；所述第一可调光衰减器6用于匹配移频后的激光与延时后的激光间的功率。
所述延时模块包括延时光纤7、偏振控制器8和第二可调光衰减器9；
所述延时光纤7的输入端与第一耦合器3的第二输出端相连，其输出端与偏振控制器8的输入端相连；所述偏振控制器8的输出端与第二可调光衰减器9的输入端相连；所述第二可调光衰减器9的输出端与功率谱获取模块的第二输入端相连；
所述延时光纤7用于将第一耦合器3传输的激光进行延时；所述偏振控制器8用于匹配延时后的激光与移频后的激光间的偏振态；所述第二可调光衰减器9用于匹配延时后的激光与移频后的激光间的功率；
所述功率谱获取模块包括第二耦合器10、光探测器11、电子频谱分析仪12和光功率计13；
所述第二耦合器10的第一输入端与第一可调光衰减器6的输出端相连，第二输入端与第二可调光衰减器9的输出端相连，其第一输出端与光探测器11的输入端相连；所述光探测器11的输出端与所述电子频谱分析仪12的输入端相连；所述电子频谱分析仪12的输出端与数据处理模块的输入端相连；所述光功率计13与第二耦合器10的第二输出端相连；
所述第二耦合器10用于将第一可调光衰减器6和第二可调光衰减器9传输的两束激光耦合；所述光探测器11用于探测耦合光得到光电流；所述电子频谱分析仪12用于获取光电流的功率谱；所述光功率计13用于监测链路中的光功率。
所述数据处理模块包括电子计算机14；
所述电子计算机14的输入端与电子频谱分析仪12的输出端相连；
所述电子计算机14用于从获得的功率谱中提取一阶包络峰值与谷值的功率差值、零阶极小值点与中心频率的频率差值，并计算所述激光器1的线宽值。
需指明，图3所示的对本发明的说明，并不具有限定性；其中光源模块中的光隔离器2、频移模块中的第一可调光衰减器6、延时模块中的偏振控制器8和第二可调光衰减器9、功率谱获取模块中的光功率计13并不是本发明技术问题对应的必要技术特征，可根据实际情况进行更换或者删除。
本发明的核心为提取合束光的光电流功率谱中的特征参量，计算待测激光器的线宽值，具体原理如下：
引用期刊文献1中的结论，待测激光经过分束、移频、延时、合束以及探测后得到的光电流功率谱S(f)为：
S(f)中横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为功率谱密度，单位为mW/Hz。式(1)中，c表示光速大小；n表示光纤折射率大小；P0表示合束光的光功率值；Δν表示待测激光的线宽值；L表示延时光纤的长度；f0表示频移量的大小。
功率谱中一阶包络峰值与谷值的功率谱密度差值ΔS可以表示为：
式(2)可以表示为：
ΔS＝10lgΔS1ΔS2 (3)
当存在条件通常认为当时，式(4)和式(5)可以有以下化简：
对ΔS2进行泰勒展开，并舍去高次项可以得到：
联立式(2)-(7)，可以得到：
在上式中，在光电流的功率谱中等于零阶极小值点与中心频率的频率差值，进一步可得：
其中表示功率谱中零阶极小值点与中心频率的频率差值。
将用Δf代换使得模型中的参数L被功率谱中的可测量参量Δf所取代，避免了由于延时光纤长度的测量误差所导致的待测激光器线宽测量不准确的问题。
图4所示为对于不同长度的延时光纤，当延时光纤长度的误差取不同值时，待测激光器的线宽值和线宽测量值的误差的关系图。由图4可知，在待测激光器线宽一定时，测量结果的误差和光纤长度的误差基本无关。
在实际的测量中，光电流通常由探测器探测得到，光电流功率谱由频谱仪获得，而频谱仪所得到的谱型并不能由式(1)所表示，频谱仪探测得到的谱型横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为功率，单位为mW，文献中通常笼统地也将这一谱型SR(f)称为功率谱，这一功率谱为：
其中，α表示探测器响应度的大小；g表示探测器中放大器的增益大小；R表示探测器输出电阻的大小；Δfr表示测得的功率谱的分辨率大小。
在满足即的条件下，SR(f)中一阶包络峰值与谷值的功率差值ΔSR可以表示为：
上式可以看出，使用频谱仪实际测量的一阶包络峰值与谷值的功率差值ΔSR和理论中一阶包络峰值与谷值的功率谱密度差值ΔS的表达式相同，即：
ΔS＝ΔSR (12)
由于光纤长度满足可以得到实际情况下的双特征参量提取的激光器线宽测量方法中待测激光器线宽值的计算公式：
其中表示功率谱中零阶极小值点与中心频率的频率差值，可以看出实际测量中零阶极小值点和中心频率的频率差值ΔfR与理论中零阶极小值点和中心频率的频率差值Δf的大小相等，均为：
所以式(13)为：
式(15)可以看出，直接使用从频谱仪得到的功率谱中提取的特征参量ΔSR和ΔfR即可代替理论中ΔS和Δf的值，计算待测激光器的线宽值。
设一阶包络峰值与谷值的功率差值ΔSR的最小可探测值为ΔSmin，则：
设功率谱中零阶极小值点与中心频率的频率差值ΔfR的最小可测量值为Δfmin，则由可得：
另一方面，在测量中一阶极小值点对应的功率值应大于系统的噪声基底所对应的功率值，从而保证一阶极小值点不会被噪声基底所淹没，故以上测量方法需满足：
其中，Sn表示测得的系统噪声基底的功率值。
联立式(11)和(20)可得：
由于有故式(21)可以化为：
化简得：
综上可得延时光纤长度L的取值范围为：
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种功率谱双特征参量提取的激光器线宽测量方法，其特征在于，包括：
(1)将待测激光分成两束，其中一束激光移频、另一束激光延时，将移频和延时后的激光合束，探测合束光的光电流并获取其功率谱；
(2)提取功率谱的特征参量；
所述特征参量包括：一阶包络峰值与谷值的功率差值、零阶极小值点与中心频率的频率差值；
(3)根据提取的特征参量计算待测激光的线宽值。
2.如权利要求1所述的激光器线宽测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中另一束激光使用延时光纤进行延时，延时光纤为：
其中，L表示延时光纤的长度；c表示光速大小；n表示光纤折射率大小；Δν表示待测激光器的线宽值。
3.如权利要求2所述的激光器线宽测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中使用探测器进行探测，步骤(1)中光电流的功率谱为：
其中，c表示光速大小；n表示光纤折射率大小；P0表示合束光的光功率值；Δν表示待测激光的线宽值；L表示延时光纤的长度；f0表示频移量的大小；α表示探测器响应度的大小；g表示探测器中放大器的增益大小；R表示探测器输出电阻的大小；Δfr表示测得的功率谱的分辨率大小；SR(f)表示光电流的功率谱。
4.如权利要求3所述的激光器线宽测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中提取功率谱中一阶包络峰值与谷值的功率差值包括：
(A)在功率谱中分别提取一阶包络峰值对应的功率值和一阶包络谷值对应的功率值；
(B)将一阶包络峰值对应的功率值和一阶包络谷值对应的功率值作差，获取一阶包络峰值与谷值的功率差值；
一阶包络峰值与谷值的功率差值为：
其中，c表示光速大小；n表示光纤折射率大小；Δν表示待测激光的线宽值；L表示延时光纤的长度；ΔSR表示功率谱中一阶包络峰值与谷值的功率差值。
5.如权利要求3或4所述的激光器线宽测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中提取零阶极小值点与中心频率的频率差值包括：
(A)在功率谱中分别提取零阶极小值点对应的频率值和中心频率对应的频率值；
(B)将零阶极小值点对应的频率值和中心频率对应的频率值作差，获取零阶极小值点与中心频率的频率差值。
所述零阶极小值点与中心频率的频率差值为：
其中，c表示光速大小；n表示光纤折射率大小；L表示延时光纤的长度；ΔfR表示零阶极小值点与中心频率的频率差值。
6.如权利要求5所述的激光器线宽测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中待测激光的线宽值为：
其中，ΔSR表示功率谱中一阶包络峰值与谷值的功率差值；ΔfR表示功率谱中零阶极小值点与中心频率的频率差值；Δν表示待测激光的线宽值。
7.一种功率谱双特征参量提取的激光器线宽测量装置，其特征在于，包括：光源模块，频移模块，延时模块，功率谱获取模块和数据处理模块；
所述光源模块的第一输出端与频移模块的输入端相连，第二输出端与延时模块的输入端相连；所述频移模块的输出端与功率谱获取模块的第一输入端相连；所述延时模块的输出端与功率谱获取模块的第二输入端相连；所述功率谱获取模块的输出端与数据处理模块相连；
所述光源模块用于产生待测激光，并将其分为第一激光和第二激光；所述频移模块将第一激光移频；所述延时模块将第二激光延时；所述功率谱获取模块用于将移频后的第一激光和延时后的第二激光耦合，探测耦合后的光得到光电流并获取其功率谱；所述数据处理模块用于提取功率谱的特征参量，并计算待测激光的线宽值。
8.如权利要求7所述的激光器线宽测量装置，其特征在于，所述延时模块使用延时光纤进行延时，所述功率谱获取模块使用探测器进行探测，延时光纤为：
其中，L表示延时光纤的长度；c表示光速大小；n表示光纤折射率大小；Δν表示待测激光的线宽值；ΔSmin表示一阶包络峰值与谷值的功率差值的最小可测量值；Δfmin表示零阶极小值点与中心频率的频率差值的最小可测量值；P0表示合束光的光功率值；Sn表示测得的系统噪声基底的功率值；α表示探测器响应度的大小；g表示探测器中放大器的增益大小；R表示探测器输出电阻的大小；Δfr表示测得的功率谱的分辨率大小。
9.如权利要求8所述的激光器线宽测量装置，其特征在于，所述功率谱的特征参量包括：一阶包络峰值与谷值的功率差值、零阶极小值点与中心频率的频率差值。
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