CN102692314A - 基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的装置及方法 - Google Patents

基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的装置及方法。它包括激光器、相位调制器、光纤谐振腔、光电探测器、频谱分析仪、锁相放大器、伺服控制器；激光器、相位调制器、光纤谐振腔、光电探测器、锁相放大器、伺服控制器顺次相连，伺服控制器与光纤谐振腔相连，光电探测器与频谱分析仪相连；激光器的频率噪声经过光纤谐振腔转化为幅度波动，在频谱分析仪上检测激光器频率噪声的功率谱密度。本发明灵敏度高，能够抑制激光器强度噪声的影响，探测快速的频率噪声波动，可与谐振式光学陀螺的频率噪声抑制相结合，有效地抑制激光器的频率噪声，提高谐振式光学陀螺的检测精度，具有重要的科学意义与应用价值。

Description

基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的装置及方法，通过精确测量激光器频率噪声功率谱密度，有利于分析激光器的频率噪声在各类光纤传感中的影响，比如谐振式光学陀螺。
背景技术
谐振式光学陀螺（ROG: Resonator Optic Gyroscope）是一种基于Sagnac效应实现角速度检测的高精度惯性传感器，它通过检测光学谐振腔中顺逆时针传播光产生的谐振频差得到物体的旋转角速度。
谐振式光学陀螺的角速度信息加载在频率上，激光器本身巨大的频率噪声会淹没微弱的角速度信号，因此测试激光器的频率噪声功率谱密度及其重要。目前比较常见的测试激光器频率噪声功率谱密度的方法是利用M-Z干涉仪的线性区转化频率波动为电压波动，但是M-Z干涉仪的转化系数低，结构相对复杂。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的装置及方法。
基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的装置包括激光器、相位调制器、光纤谐振腔、光电探测器、频谱分析仪、锁相放大器、伺服控制器；激光器、相位调制器、光纤谐振腔、光电探测器、锁相放大器、伺服控制器顺次相连，伺服控制器与光纤谐振腔相连，光电探测器与频谱分析仪相连；激光器的频率噪声经过光纤谐振腔转化为幅度波动，在频谱分析仪上检测激光器频率噪声的功率谱密度。
所述的光纤谐振腔包括定向耦合器和PZT压电陶瓷，定向耦合器的光纤绕在PZT压电陶瓷上。
基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的方法是：激光器输出的激光经过相位调制器高频调制，将光频的相位改变了βsin(ω m t)，β为调制系数，ω m 为调制频率；然后经过光纤谐振腔、光电探测器，将激光器的频率波动Δf调幅在调制频率ω m 上，在光电探测器上探测到的光功率P FRR ∝Δf sin(ω m t)，用频谱分析仪检测激光器频率噪声的功率谱密度；接着光电探测器的信号经过锁相放大器，解调得到激光器的频率波动；最后经伺服控制器反馈控制光纤谐振腔的PZT压电陶瓷，在极窄的带宽内克服低频漂移，从而能够在频谱分析仪上稳定地观察激光器频率噪声的功率谱密度。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1)本发明提供的激光器频率噪声功率谱密度测试方法和装置灵敏度高，得益于光纤谐振腔的高清晰度，用陡峭的谐振曲线斜率将激光器的频率波动转化为幅度波动；
2)本发明提供的激光器频率噪声功率谱密度测试方法采纳高频调相技术，将激光器的频率噪声调幅在高频ω m 上。高频调相技术能够抑制激光器强度噪声的影响，探测快速的频率噪声波动。激光器的频率噪声调幅在高频ω m 上，能够克服设备1/f噪声的影响，锁相放大器能够检测微弱的信号。
3) 本发明提供的激光器频率噪声功率谱密度测试方法和装置可与谐振式光学陀螺的频率噪声抑制相结合。谐振式光学陀螺的角速度信息加载在频率上，激光器本身巨大的频率噪声会淹没微弱的角速度信号，因此通过调整***参数，在光电探测器后观察激光器频率噪声功率谱密度，能够得到最佳的***参数，有效地抑制激光器的频率噪声，提高谐振式光学陀螺的检测精度。
附图说明
图1是基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的装置；
图2是波导相位调制器的基本结构示意图；
图3是带PZT压电陶瓷的光纤谐振腔基本结构示意图；
图中：激光器1、相位调制器2、光纤谐振腔3、光电探测器4、频谱分析仪5、锁相放大器6、伺服控制器7、直波导8、电极9、输入光纤10和输出光纤11、PM光纤定向耦合器12和PZT压电陶瓷13。
具体实施方式
如图1所示，基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的装置包括激光器1、相位调制器2、光纤谐振腔3、光电探测器4、频谱分析仪5、锁相放大器6、伺服控制器7；激光器1、相位调制器2、光纤谐振腔3、光电探测器4、锁相放大器6、伺服控制器7顺次相连，伺服控制器7与光纤谐振腔3相连，光电探测器4与频谱分析仪5相连；激光器1的频率噪声经过光纤谐振腔3转化为幅度波动，在频谱分析仪5上检测激光器频率噪声的功率谱密度。
如图2所示，相位调制器2包括直波导8、一对电极9、输入光纤10和输出光纤11；在直波导8两侧设有一对电极9，在直波导8两端设有输入光纤10和输出光纤11。当在电极9上施加电压时，从输出光纤11的输出光波相位将发生改变。
如图3所示，所述的光纤谐振腔3包括定向耦合器12和PZT压电陶瓷13，定向耦合器12的光纤绕在PZT压电陶瓷13上。定向耦合器由PM光纤熔融拉锥而成，损耗低，构成光纤谐振腔清晰度高，陡峭的谐振曲线斜率能将激光器的频率波动转化为大的幅度波动，提高了频率噪声检测的信噪比和灵敏度。
基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的方法是：激光器1输出的激光经过相位调制器2高频调制，将光频的相位改变了βsin(ω m t)，β为调制系数，ω m 为调制频率；然后经过光纤谐振腔3、光电探测器4，将激光器1的频率波动Δf调幅在调制频率ω m 上，在光电探测器4上探测到的光功率P FRR ∝Δf sin(ω m t)，用频谱分析仪5检测激光器频率噪声的功率谱密度；接着光电探测器4的信号经过锁相放大器6，解调得到激光器1的频率波动；最后经伺服控制器7反馈控制光纤谐振腔3的PZT压电陶瓷13，在极窄的带宽内克服低频漂移，从而能够在频谱分析仪5上稳定地观察激光器1频率噪声的功率谱密度。
激光器的输出光谱：
                                                         
Figure 2011100693730100002DEST_PATH_IMAGE002
                                                                                                          （1）
其中，E 0 是激光器输出的场强幅度，ω=2πν是激光器的瞬时角频率，包含了频率噪声。
经过相位调制器后：
          
Figure 2011100693730100002DEST_PATH_IMAGE004
                                                                                    （2）
将上式（2），Fourier级数展开：
          
Figure 2011100693730100002DEST_PATH_IMAGE006
                                 （3）
当调相系数
Figure 2011100693730100002DEST_PATH_IMAGE008
<1时，光谱分量主要由三项构成：载波和两个边带。
经过光纤谐振腔后，
                              （4）
其中，光纤谐振腔的传递函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
 ，Δω（rad/s）是激光器瞬时频率ω和光纤谐振腔的谐振频率之差，γ（Hz）是光纤谐振腔的半高全宽，Δω/(πγ)是频差Δf =Δω/2π对光纤谐振腔半高半宽γ/2的归一化。
基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的方法采纳高频调相技术，高频调制频率ω m >光纤谐振腔的半高全宽γ，当激光器的中心频率落在光纤谐振腔的谐振点附近时，
          
Figure DEST_PATH_IMAGE014
                                                                                        （5）
          
Figure DEST_PATH_IMAGE016
                                                                                          （6）
因此，公式（4）化简为：
          
Figure DEST_PATH_IMAGE018
                                                    （7）
在光电探测器处探测到：
          
Figure DEST_PATH_IMAGE020
                                                                               （8）
其中，P FRR 是入射到光电探测器的光功率，R是光电探测器的响应度，P 0 是入射到光纤谐振腔的光功率。由公式（8）可以发现，激光器的频率变化Δf调幅在频率ω m 上，因此可在光电探测器后用频谱分析仪直接观察激光器频率噪声的功率谱密度，克服设备1/f噪声的影响。
锁相放大器对光电探测器后的电信号相敏检测，低通滤波后得到误差信号：
          
Figure DEST_PATH_IMAGE022
                                                                       （9）
其中，鉴频系数D V （V/Hz）：
          
Figure DEST_PATH_IMAGE024
                                                                                                        （10）
当β=1.08时，鉴频系数D V 最大，这是高频调制的最佳的调相系数。
上述的鉴频过程，激光器的频率波动首先由光纤谐振腔转化为幅度波动调制在频率ω m 上，再经过锁相放大器，得到激光器的频率噪声。为了能在频谱分析仪上稳定地观察和测试激光器频率噪声的功率谱密度，因此由误差信号，如（9）式所示，经伺服控制器，反馈控制光纤谐振腔的谐振频率跟踪上激光器频率的缓慢漂移。
另外，本发明提供的激光器频率噪声功率谱密度测试方法和装置可与谐振式光学陀螺的频率噪声抑制相结合。根据Sagnac效应，谐振式光学陀螺的角速度信息加载在频率上，激光器本身巨大的频率噪声会淹没微弱的角速度信号，因此通过调整***参数，在光电探测器后观察激光器频率噪声功率谱密度，能够得到最佳的***参数，有效地抑制激光器的频率噪声，提高谐振式光学陀螺的检测精度。

Claims (3)

1. 一种基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的装置，其特征在于包括激光器（1）、相位调制器（2）、光纤谐振腔（3）、光电探测器（4）、频谱分析仪（5）、锁相放大器（6）、伺服控制器（7）；激光器（1）、相位调制器（2）、光纤谐振腔（3）、光电探测器（4）、锁相放大器（6）、伺服控制器（7）顺次相连，伺服控制器（7）与光纤谐振腔（3）相连，光电探测器（4）与频谱分析仪（5）相连；激光器(1)的频率噪声经过光纤谐振腔（3）转化为幅度波动，在频谱分析仪（5）上检测激光器频率噪声的功率谱密度。
2. 根据权利要求1所述的一种基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的装置，其特征在于所述的光纤谐振腔（3）包括定向耦合器（12）和PZT压电陶瓷（13），定向耦合器（12）的光纤绕在PZT压电陶瓷（13）上。
3. 一种使用如权利要求1所述装置的基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的方法，其特征在于：激光器（1）输出的激光经过相位调制器（2）高频调制，将光频的相位改变了βsin(ω m t)，β为调制系数，ω  m 为调制频率；然后经过光纤谐振腔（3）、光电探测器（4），将激光器（1）的频率波动Δf调幅在调制频率ω m 上，在光电探测器（4）上探测到的光功率P FRR ∝Δf sin(ω m t)，用频谱分析仪（5）检测激光器频率噪声的功率谱密度；接着光电探测器（4）的信号经过锁相放大器（6），解调得到激光器（1）的频率波动；最后经伺服控制器（7）反馈控制光纤谐振腔（3）的PZT压电陶瓷（13），在极窄的带宽内克服低频漂移，从而能够在频谱分析仪（5）上稳定地观察激光器（1）频率噪声的功率谱密度。
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