CN114323242A - 基于偏振分解光纤干涉仪的全频段激光频率噪声的测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于偏振分解光纤干涉仪的全频段激光频率噪声特性测量方法，该方法包括待测激光器、保偏1×2分束器、偏振旋转器、第一保偏环形器、第二保偏环形器、第一保偏3×3耦合器、第二保偏3×3耦合器、保偏光纤、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、第五光电探测器、第六光电探测器、数据卡及计算机。本发明方法采用保偏光纤构建光纤干涉仪，分别获得两偏振态的干涉信号，并计算出两种偏振态的激光的频率噪声特性，同时利用保偏光纤的两个正交偏振主模所对应的折射率对外界环境变化的不同响应，通过数据处理消除外界环境对激光噪声谱测量引入的误差，不需要额外的主动控制手段对干涉仪进行控制，仅利用干涉仪即可准确得到激光的全频段频率噪声特性。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于偏振分解光纤干涉仪的全频段激光频率噪声的测量装置与方法，主要用于引力波探测、地震波探测等领域。
背景技术
窄线宽激光器具有良好的相干性能，广泛应用于相干光通信、相干光频传递、高精度光纤传感、相干激光雷达、引力波探测等多个领域。由于激光器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、环境变化及振动等因素的影响，激光输出的光场相位会存在波动，激光频率噪声在频谱上不同频率处表现为与噪声源相关的分布。频率噪声功率谱密度是评价激光器相干性能的重要指标，精确地测量全频段的激光频率噪声功率谱密度对于低噪声高稳定性光源的研制及后续应用***的设计都具有重要意义。
激光频率噪声通常利用时延自外差或自零差光纤干涉仪进行测量，待测激光与自身延时后的激光进行干涉，高速探测器对拍频进行探测，将激光器的频率噪声转化强度波动并进行一系列的计算后得到激光的频率噪声功率谱密度。为了测量激光器的频率噪声谱密度，人们提出了若干技术方案。
在先技术之一：E.Goobar,"A Michelson interferometer with balanceddetection for the characterization of modulation and noise properties ofsemiconductor lasers,"IEEE Journal of Quantum Electronics,vol.29,no.4,pp.1116-1130,April1993,doi:10.1109/3.214498，提出了使用迈克尔逊干涉仪直接测试激光器的频率噪声功率谱密度，该方案要求激光器的本身的强度噪声很小才能满足相位噪声到强度波动的转化条件，大大限制了其使用范围及可信度；另外该技术采用的为双光束干涉，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，使干涉仪的臂长差跟随激光器的频率波动变化，这不仅提高了***的复杂性，最主要的是该方法不能测试反馈带宽以内的低频段频率噪声。
在先技术之二：杨飞，蔡海文，陈迪俊，瞿荣辉，激光器的噪声特性的测量装置，中国专利201103172609.3(2012.02.15公布)，提出了一种基于3×3光纤耦合器的迈克逊干涉仪的差分相位解调技术，由于3×3耦合器的分光比例和相位关系没有严格的限制条件，不需要对干涉仪进行主动控制从而减小了***的复杂性，通过不同采样时间及采样速率的选取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；但干涉仪本身不可避免地存在由于内在因素和外接干扰产生的噪声，其长期的稳定性受限，这就给作为测量结果的低频段频率噪声谱带来附加噪声，影响测量精度。
在先技术之三：张骥，魏珊珊，刘昊炜，刘元煌，姚波，毛庆和，“单频激光宽频段频率和强度噪声测量技术”，中国激光，2021,48(03)：0301002，在在先技术之一的基础上利用光外差拍频法测量低频段的噪声，该方案利用两台性能几乎一致的光源或一台已知低噪声的光源作为参考，经外差拍频获得拍频信号，通过记录该拍频信号频率随时间变化特性，由FFT算法计算出拍频信号的频率噪声进而推算出待测激光的频率噪声；但该方案要求待测光源与参考光源频率尽可能接近，且频率要求稳定，对频率噪声的精确测量带来了困难，且高频段的频率噪声测量借助在先技术之一的测量手段，故实现全频段的噪声测量需要独立的两套测试装置。
发明内容
为了克服上述在先技术的缺点，提供一种基于偏振分解光纤干涉仪的全频段频率噪声特性的测量装置与方法，将待测激光分别旋转至与快轴慢轴相同的偏振态进入由保偏光纤构成的马赫-曾德尔干涉仪中进行测量，利用在先技术二的解调方法分别将两个偏振态的差分相位进行解调，利用保偏光纤的两个正交偏振主模对外界环境的不同响应，通过数据处理消除外界对激光噪声谱测量引入的误差，从而得到激光频率噪声的全频段特性。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于偏振分解光纤干涉仪的全频段激光频率噪声特性测量方法，其特点在于，该方法包括待测激光器、保偏1×2分束器、偏振旋转器、第一保偏环形器、第二保偏环形器、第一保偏3×3耦合器、第二保偏3×3耦合器、保偏光纤、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、第五光电探测器、第六光电探测器、数据采集卡及计算机，其连接关系如下：
所述的待测激光器输出端口与所述的保偏1×2分束器的输出端口相连，该保偏分束器将待测激光光强进行平分并保持其原始偏振方向(一般来说偏振方向与保偏光纤慢轴方向平行，记为s光)，各自进入所述的第一保偏环形器及偏振旋转器。所述的偏振旋转器将输入光的偏振态旋转90°(偏振方向与保偏光纤快轴方向平行，记为p光)，偏振旋转器的输出端与所述第二保偏环形器相连。所述的第一、第二保偏环形器均为双偏振通光器件。
所述的第一保偏环形器第二端口与所述的第一保偏3×3耦合器第一端口相连，所述的第二保偏环形器第二端口与所述的第二保偏3×3耦合器第一端口相连，所述的第一保偏3×3耦合器第四端口与所述的第二保偏3×3耦合器第四端口通过所述的保偏光纤相连，第一保偏3×3耦合器第六端口与所述的第二保偏3×3耦合器第六端口直接相连，第一保偏3×3耦合器、第二保偏3×3耦合器与保偏光纤共同构成非平衡马赫-曾德尔干涉仪。所述的s光由第一保偏3×3耦合器沿顺时针方向进入非平衡马赫-曾德尔干涉仪，在第二保偏3×3耦合器进行干涉，干涉光信号由第二保偏3×3耦合器的第一、二、三端口输出，所述的第二保偏3×3耦合器的第一端口与第二保偏环形器的第二端口相连，第二保偏环形器的第3端口与第一光电探测器相连，第二保偏3×3耦合器的第二、三端口与第二、三光电探测器相连；p光由第一保偏3×3耦合器沿逆时针方向进入非平衡马赫-曾德尔干涉仪，在第一保偏3×3耦合器进行干涉，干涉光信号由第一保偏3×3耦合器的第一、二、三端口输出，所述的第一保偏3×3耦合器的第一端口与第一保偏环形器的第二端口相连，第一保偏环形器的第3端口与第四光电探测器相连，第一保偏3×3耦合器的第二、三端口与第五、六光电探测器相连。所述的第一、二、三、四、五、六光电探测器均与数据采集卡的输入端相连，该数据采集卡的输出端与计算机相连。所述的计算机根据在先技术之二的计算方法，通过对第一、第二、第三光电探测器及第四、第五、第六光电探测器的光电流数据的分别运算可解调出s光及p光的频率噪声功率谱密度，经过计算得到待测激光全频段频率噪声功率谱密度。
一种全频段的频噪声功率谱测量方法，其特点在于：
由计算机采集光电探测器光电流数据，根据在先技术之二的计算方法，分别可解调出s光及p光的在τs,p时延下的差分相位ΔφTEST(s,p)(t)，其中τs,p＝ns,pΔL/c为决定于干涉仪两臂长差ΔL和折射率ns,p的时延。对差分相位ΔφTEST(s,p)(t)做功率谱估计及换算即可得到待测激光的频率噪声功率谱密度SFre,TEST(s,p)(f)。
而ΔφTEST(s,p)(t)是根据固定的仪器常数计算而得，即τs,p视为已知常数
但当光纤受到环境振动和温度漂移的影响时，该时延τs,p不再是一个常数，而是在常数
基础上叠加与外界环境有关的时延抖动δτs,p(t)。在低频区间，温度漂移是主要的因素，保偏光纤两个正交模式s光和p光的时延抖动可表示为：
δτs,p(t)＝αs,pns,pΔLδT(t)/c+βs,pns,pΔLδT(t)/c＝γs,pδT(t)， (1)
式中：αs,p为光纤的线膨胀系数，βs,p为光纤折射率的热光系数，δT(t)为时延光纤的温度起伏，γs,p＝(αs,pns,p+βs,pns,p)ΔL/c为时延总温度系数。
即由干涉仪解调出来的差分相位ΔφTEST(s,p)(t)不仅包含了待测激光的随机起伏Δφlaser(t)，还耦合进了干涉仪臂长差受外界环境的影响，则解调得到的差分相位可由下式表达：
ΔφTEST(s,p)(t)＝ωγs,pδT(t)+Δφlaser(t), (2)
式中：ω为待测激光的角频率。本发明采用的偏振分解干涉仪利用保偏光纤两正交主模s光和p光的不同折射率和不同的热光系数，同时检测两个不同时延的干涉信号。其中γs,p为光纤固有特性，一般为常数，要通过定标的方法进行测量，那么根据解调出的s光、p光不同的差分相位则可以将外界环境引起的噪声项去除，得到待测激光真实的差分相位抖动：
激光噪声频率谱密度是对激光噪声引起干涉信号的随机起伏的方差做傅里叶变换而获得的。待测激光的差分相位功率密度谱由(4)式导出：
进而由(5)式得到待测激光的频率噪声功率谱密度：
以上所有计算可以在图中的数据处理器中完成。
本发明的特点和优点是：
本发明采用保偏光纤构建光纤干涉仪，分别获得两偏振态的干涉信号，并计算出两种偏振态的激光的频率噪声特性，同时利用保偏光纤的两个正交偏振主模所对应的折射率对外界环境变化的不同响应，通过数据处理消除外界环境对激光噪声谱测量引入的误差，不需要额外的主动控制手段对干涉仪进行控制，仅利用干涉仪即可准确得到激光的全频段频率噪声特性，不仅适用于稳频激光器，也适用于可调谐激光器。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图
具体实施方式
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。
本发明的一种基于偏振分解光纤干涉仪的全频段激光频率噪声特性的测量方法的结构示意图如图1所示，其连接关系如下：所述的第一保偏环形器7第二端口72与所述的第一保偏3×3耦合器6第一端口61相连，所述的第二保偏环形器4第二端口42与所述的第二保偏3×3耦合器5第一端口51相连，所述的第一保偏3×3耦合器6第四端口64与所述的第二保偏3×3耦合器5第四端口54通过所述的保偏光纤8相连，第一保偏3×3耦合器第六端口66与所述的第二保偏3×3耦合器5第六端口56相连，第一保偏3×3耦合器6、第二保偏3×3耦合器5与保偏光纤8共同构成非平衡马赫-曾德尔干涉仪；
所述的第二保偏3×3耦合器5的第一端口51与第二保偏环形器4的第二端口42相连，第二保偏环形器4的第3端口43与第一光电探测器9相连，第二保偏3×3耦合器的第二端口52、第三端口53分别与第二光电探测器10、第三光电探测器11相连；所述的第一保偏3×3耦合器6的第一端口61与第一保偏环形器7的第二端口72相连，第一保偏环形器7的第3端口73与第四光电探测器12相连，第一保偏3×3耦合器6的第二端口62、第三端口63分别与第五光电探测器13、第六光电探测器14相连；
待测激光器1输出的激光经保偏1×2分束器2分为两路s光，其中一路s光经由第一保偏环形器7的第一端口71输入，第二端口72输出后，由第一保偏3×3耦合器6的第一端口61输入，第二端口64输出后，沿顺时针方向进入非平衡马赫-曾德尔干涉仪，在第二保偏3×3耦合器5进行干涉，干涉光信号由第二保偏3×3耦合器5的第一端口51、第二端口52、第三端口53分别输出，其中，二路干涉光信号分别由所述的第二光电探测器10、第三光电探测器11接收后，转为电信号经所述的数据采集卡15传输至计算机16，另一路干涉光信号由第二保偏环形器4的第二端口42输入，第三端口43输出后，由第一光电探测器9接收后，转为电信号经所述的数据采集卡15传输至计算机16；
另一路s光经所述的偏振旋转器3转化为p光后，由第二保偏环形器4的第一端口41输入，第二端口42输出后，由第二保偏3×3耦合器5的第一端口51逆时针进入非平衡马赫-曾德尔干涉仪，在第一保偏3×3耦合器6进行干涉，干涉光信号由第一保偏3×3耦合器6的第一端口61、第二端口62、第三端口63分别输出；其中，二路干涉光信号分别由所述的第五光电探测器13和第六光电探测器14接收后，转为电信号经所述的数据采集卡15传输至计算机16，另一路干涉光信号由第一保偏环形器7的第二端口72输入，第三端口73输出后，由第四光电探测器12接收后，转为电信号经所述的数据采集卡15传输至计算机16；
通过对第一、第二、第三光电探测器及第四、第五、第六光电探测器的光电流数据的分别运算可解调出s光及p光的差分相位波动，经过计算得到待测激光全频段频率噪声功率谱密度。
其工作原理如下：
所述的保偏分束器2将待测激光光强进行平分并保持其原始偏振方向(一般来说偏振方向与保偏光纤慢轴方向平行，记为s光)，其中一路保持原偏振方向，另一种经偏振旋转后转为与原方向垂直(记为p光)。第一保偏3×3耦合器6、第二保偏3×3耦合器5及保偏光纤8共同构成两个方向两个正交偏振的时延马赫－曾德干涉仪。两个保偏3×3耦合器同时作为干涉仪的输入及输出耦合器，其s光在干涉仪内沿顺时针传输在第二保偏3×3耦合器5发生干涉，p光在干涉仪内沿逆时针传输在第一保偏3×3耦合器6发生干涉，六路干涉信号由第一到第六光电探测器转化为光电流后由数据采集卡15进行采集并输入到计算机16，再由计算机16对六路光电流进行数据算法处理即可获得待测激光的频率噪声谱密度。由于s光及p光偏振态不同，而保偏光纤的温度系数具有强偏振相关性，故虽然待测激光为同一激光，但两种正交偏振态可表现由两种不同的干涉条纹，利用此差别则可以解调出待测激光真实的，不受外境环境干扰的激光差分频率波动，从而得到待测激光的全频段激光频率噪声特性。
一种全频段激光频率噪声特性的测量方法，其测量方法包括如下步骤：
(1)利用快速线性扫频光源作为待测激光，假定干涉仪温漂在短时间内不影响干涉仪的稳定度，根据干涉条纹标定干涉仪相对于s、p光的臂长差，得到时间延迟
(2)利用稳频激光器作为参考光源，主动改变干涉仪的温度，根据干涉条纹得到两个偏振态的时延总温度系数γs,γp同时检测两个偏振态的干涉信号并据此解调出的差分相位ΔφTEST(s)(t),ΔφTEST(p)(t)，两偏态的测试差分相位，公式如下：
ΔφTEST(s)(t)＝ωγsδT(t)+Δφlaser(t)
ΔφTEST(p)(t)＝ωγpδT(t)+Δφlaser(t)
式中Δφlaser(t)为待测激光的差分相位抖，ω为待测激光的角频率；
从而得到待测激光的差分相位抖动：
(3)对激光高频率噪声进行测试，并比对两偏振态的频率噪声谱是否一致，如不一致则说明在此测试频段内外界环境噪声已经耦合进了激光频率噪声测试当中，则用该方案消除环境环境噪声；如一致则不符合实验原理。计算待测激光的高频段差分相位功率密度谱公式如下
进而由得到待测激光的频率噪声功率谱密度公式如下：
式中
是不受外界影响的延迟时间；
(4)对于低频段频率噪声的测量，计算待测激光的低频段差分相位功率密度谱公式如下
进而由得到待测激光的频率噪声功率谱密度公式如下：
式中
是不受外界影响的延迟时间；
(5)将两个频段的噪声谱进行拼接得到全频段的激光频率噪声特性。
Claims (2)
1.一种基于偏振分解光纤干涉仪的全频段激光频率噪声特性测量装置，其特征在于，包括保偏1×2分束器(2)、偏振旋转器(3)、第二保偏环形器(4)、第二保偏3×3耦合器(5)、第一保偏3×3耦合器(6)、第一保偏环形器(7)、保偏光纤(8)、数据采集卡(15)、计算机(16)；
所述的第一保偏环形器(7)第二端口(72)与所述的第一保偏3×3耦合器(6)第一端口(61)相连，所述的第二保偏环形器(4)第二端口(42)与所述的第二保偏3×3耦合器(5)第一端口(51)相连，所述的第一保偏3×3耦合器(6)第四端口(64)与所述的第二保偏3×3耦合器(5)第四端口(54)通过所述的保偏光纤(8)相连，第一保偏3×3耦合器第六端口(66)与所述的第二保偏3×3耦合器(5)第六端口(56)相连，第一保偏3×3耦合器(6)、第二保偏3×3耦合器(5)与保偏光纤(8)共同构成非平衡马赫-曾德尔干涉仪；
所述的第二保偏3×3耦合器(5)的第一端口(51)与第二保偏环形器(4)的第二端口(42)相连，第二保偏环形器(4)的第3端口(43)与第一光电探测器(9)相连，第二保偏3×3耦合器的第二端口(52)、第三端口(53)分别与第二光电探测器(10)、第三光电探测器(11)相连；所述的第一保偏3×3耦合器(6)的第一端口(61)与第一保偏环形器(7)的第二端口(72)相连，第一保偏环形器(7)的第3端口(73)与第四光电探测器(12)相连，第一保偏3×3耦合器(6)的第二端口(62)、第三端口(63)分别与第五光电探测器(13)、第六光电探测器(14)相连；
待测激光器(1)输出的激光经保偏1×2分束器(2)分为两路s光，其中一路s光经由第一保偏环形器(7)的第一端口(71)输入，第二端口(72)输出后，由第一保偏3×3耦合器(6)的第一端口(61)输入，第二端口(64)输出后，沿顺时针方向进入非平衡马赫-曾德尔干涉仪，在第二保偏3×3耦合器(5)进行干涉，干涉光信号由第二保偏3×3耦合器(5)的第一端口(51)、第二端口(52)、第三端口(53)分别输出，其中，二路干涉光信号分别由所述的第二光电探测器(10)、第三光电探测器(11)接收后，转为电信号经所述的数据采集卡(15)传输至计算机(16)，另一路干涉光信号由第二保偏环形器(4)的第二端口(42)输入，第三端口(43)输出后，由第一光电探测器(9)接收后，转为电信号经所述的数据采集卡(15)传输至计算机(16)；
另一路s光经所述的偏振旋转器(3)转化为p光后，由第二保偏环形器(4)的第一端口(41)输入，第二端口(42)输出后，由第二保偏3×3耦合器(5)的第一端口(51)逆时针进入非平衡马赫-曾德尔干涉仪，在第一保偏3×3耦合器(6)进行干涉，干涉光信号由第一保偏3×3耦合器(6)的第一端口(61)、第二端口(62)、第三端口(63)分别输出；其中，二路干涉光信号分别由所述的第五光电探测器(13)和第六光电探测器(14)接收后，转为电信号经所述的数据采集卡(15)传输至计算机(16)，另一路干涉光信号由第一保偏环形器(7)的第二端口(72)输入，第三端口(73)输出后，由第四光电探测器(12)接收后，转为电信号经所述的数据采集卡(15)传输至计算机(16)。
2.一种利用权利要求1所述的基于偏振分解光纤干涉仪的全频段激光频率噪声特性测量装置进行全频段激光频率噪声特性测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)利用快速线性扫频光源作为待测激光，假定干涉仪温漂在短时间内不影响干涉仪的稳定度，根据干涉条纹标定干涉仪相对于s、p光的臂长差，得到时间延迟
(2)利用稳频激光器作为参考光源，主动改变干涉仪的温度，根据干涉条纹得到两个偏振态的时延总温度系数γs,γp同时检测两个偏振态的干涉信号并据此解调出的差分相位ΔφTEST(s)(t),ΔφTEST(p)(t)，两偏态的测试差分相位，公式如下：
ΔφTEST(s)(t)＝ωγsδT(t)+Δφlaser(t)
ΔφTEST(p)(t)＝ωγpδT(t)+Δφlaser(t)
式中Δφlaser(t)为待测激光的差分相位抖，ω为待测激光的角频率；
从而得到待测激光的差分相位抖动：
(3)对激光高频率噪声进行测试，并比对两偏振态的频率噪声谱是否一致，如不一致则说明在此测试频段内外界环境噪声已经耦合进了激光频率噪声测试当中，则用该方案消除环境环境噪声；如一致则不符合实验原理。
(4)计算待测激光的高频段差分相位功率密度谱公式如下：
进而得到待测激光的频率噪声功率谱密度公式如下：
式中
是不受外界影响的延迟时间；
(5)对于低频段频率噪声的测量，计算待测激光的低频段差分相位功率密度谱公式如下
进而由得到待测激光的频率噪声功率谱密度公式如下：
式中
是不受外界影响的延迟时间；
(6)将两个频段的噪声谱进行拼接得到全频段的激光频率噪声特性。
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