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2020-03

Connet 產(chǎn)品小講堂第五期—— 單頻光纖激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲RIN

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單頻光纖激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲RIN 

1.單頻光纖激光器的噪聲根源

    理想狀態(tài)下的單頻單縱模激光器輸出激光全部由受激輻射產(chǎn)生，沒(méi)有自發(fā)輻射，我們用一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系式來(lái)描述輸出光和時(shí)間相關(guān)的電場(chǎng)矢量。

 

其中E0代表強(qiáng)度，ω0代表角頻率，Φ0代表初始相位，理想狀態(tài)下的單頻單縱模激光器輸出的光波頻率和相位恒定不變。輸出為頻率f0的單一譜線。
實(shí)際上，激光器存在自發(fā)輻射，自發(fā)輻射導(dǎo)致相位和振幅的隨機(jī)起伏，導(dǎo)致激光器譜線展寬和輸出功率起伏。
E0變成了Et，隨機(jī)強(qiáng)度擾動(dòng)稱為強(qiáng)度噪聲
f0變成了ft，隨機(jī)頻率擾動(dòng)稱為頻率噪聲
Φ0變成了Φt，隨機(jī)相位擾動(dòng)稱為相位噪聲
所以說(shuō)自發(fā)輻射的隨機(jī)性是激光器噪聲的根源。

2.什么是相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）？  

單頻光纖激光器的強(qiáng)度噪聲描述的是激光器輸出光強(qiáng)度的波動(dòng)，主要通過(guò)相對(duì)強(qiáng)度噪聲（Relative Intensity Noise: RIN）來(lái)衡量。其表達(dá)式為：

根據(jù)表達(dá)式的字面解釋為有效的噪聲帶寬（B）內(nèi)，光功率波動(dòng)的均方差和平均光功率的比值。這樣的解釋很生硬，換成通俗的理解就容易多了：
首先得確定一個(gè)測(cè)量時(shí)間吧，不能無(wú)休止的測(cè)下去，這就是所謂的噪聲帶寬B的概念，標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間單位定義為1秒，反映到頻域上就是1Hz。
要測(cè)試得到盡可能多的功率點(diǎn)，這樣能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算光功率的平均值，也能更準(zhǔn)確描述即時(shí)功率和平均功率的偏離情況。
采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)手段，引入均方差，讓這個(gè)結(jié)果更準(zhǔn)確，更接近于真實(shí)。
單位時(shí)間（1秒）時(shí)間內(nèi)功率偏離均方差和平均功率平方的比值就是相對(duì)強(qiáng)度噪聲，這個(gè)值很小，通常用對(duì)數(shù)的形式表示，單位為dB/Hz或者dBc/Hz，兩者意義本質(zhì)上相同。  

 

3. 為什么說(shuō)RIN是一個(gè)頻域的概念？  

答案很簡(jiǎn)單，因?yàn)闀r(shí)域沒(méi)法測(cè)啊，瞬時(shí)的隨機(jī)的波動(dòng)無(wú)法用現(xiàn)有的時(shí)域測(cè)試手段，比如光功率計(jì)啊光譜儀啊測(cè)試出來(lái)，所以只能指望頻域嘍。
既然時(shí)域上無(wú)法實(shí)現(xiàn)，聰明的攻城獅們就把RIN的測(cè)試搬到了頻域，強(qiáng)度噪聲在頻域不得不都現(xiàn)身形成了一個(gè)噪聲譜，于是乎，功率譜密度（Power Spectral Density簡(jiǎn)稱PSD）的概念被引入。這樣就可以計(jì)算單頻激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲了。這不，新的能夠測(cè)量能夠計(jì)算的RIN的表達(dá)式出現(xiàn)了：

 

其中SP(f)表示的就是輸出功率波動(dòng)譜密度，上面帶著一橫的P則表示平均功率，可以通過(guò)頻譜上涵蓋的面積的方式計(jì)算出來(lái)。

4. RIN的分類 

根據(jù)頻段不同，單頻光纖激光器的強(qiáng)度噪聲可以分成三類： 

? 低頻段的技術(shù)噪聲：主要來(lái)源于單頻光纖激光器本身的1/f噪聲（也稱閃爍噪聲），外部環(huán)境的干擾等。 

? 中頻段的馳豫振蕩：根本來(lái)源是激光器腔內(nèi)的輻射和增益介質(zhì)的相互作用，對(duì)單頻光纖激光器而言，泵浦源的波動(dòng)是導(dǎo)致馳豫振蕩現(xiàn)象的主要原因。

?高頻段的量子噪聲：也叫散粒噪聲（散彈噪聲：shot noise），主要來(lái)自于和頻率不相關(guān)的光量子波動(dòng)。對(duì)應(yīng)產(chǎn)生量子噪聲極限。 

對(duì)單頻光纖激光器而言，相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）的抑制主要針對(duì)低頻技術(shù)噪聲和中頻的馳豫振蕩，頻率從幾十Hz到幾MHz。

5. 如何看懂RIN的測(cè)試譜？

一個(gè)典型的單頻光纖激光器RIN測(cè)試結(jié)果是這樣的：

橫坐標(biāo)的單位是Hz，代表著頻率，縱坐標(biāo)是RIN的值，這樣的譜是怎么得到的呢？它是根據(jù)上文提到的RIN再頻域的表達(dá)式，把單頻光纖激光器在不同頻段（低頻，中頻，高頻）的RIN的值計(jì)算出來(lái)，再連成這樣一條曲線。這個(gè)RIN的測(cè)試圖就能夠展示單頻光纖激光器在不同的頻段的相對(duì)強(qiáng)度噪聲的情況。例如：RIN的最高點(diǎn)稱為峰值，大約-105dBc/Hz，對(duì)應(yīng)的頻率為1MHz附近。這就是CoSF-D-EY系列分布反饋（DFB）型單頻光纖激光器的馳豫振蕩峰的表現(xiàn)。

 

6. 馳豫振蕩是怎么回事？

馳豫振蕩是光纖激光器和半導(dǎo)體激光器的基本特性之一。是諧振腔內(nèi)輻射和增益介質(zhì)之間相互作用的結(jié)果，只要增益介質(zhì)的上能級(jí)粒子壽命遠(yuǎn)大于諧振腔內(nèi)光子的壽命，就會(huì)產(chǎn)生馳豫振蕩現(xiàn)象。 

馳豫振蕩是造成光纖激光器強(qiáng)度噪聲的主因，抑制單頻光纖激光器相對(duì)強(qiáng)度噪聲的主要目標(biāo)就是抑制馳豫振蕩。

讓我們來(lái)看看馳豫振蕩產(chǎn)生的過(guò)程：

示意圖中上圖的縱坐標(biāo)表示能級(jí)反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)，下圖的縱坐標(biāo)表示激光器諧振腔內(nèi)光子數(shù)量。可以看出，只要有泵浦激勵(lì)存在，單頻光纖激光器的諧振腔不斷重復(fù)以上過(guò)程，所以說(shuō)馳豫振蕩現(xiàn)象不可避免，而馳豫振蕩是單頻光纖激光器強(qiáng)度噪聲的主要因素。 

7. 導(dǎo)致單頻光纖激光器馳豫振蕩產(chǎn)生的因素

? 泵浦激光器的輸出功率擾動(dòng)

? 單頻光纖激光器諧振腔的損耗擾動(dòng)

? 機(jī)械振動(dòng)

? 單頻光纖激光器諧振腔的熱擾動(dòng)

 

8.單頻光纖激光器RIN的特點(diǎn) 

單頻光纖激光器的馳豫振蕩是相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）的主要原因，而馳豫振蕩由主要受到泵浦的功率波動(dòng)的影響，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，單頻光纖激光器的RIN有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1) 單頻光纖激光器的諧振腔越長(zhǎng)，RIN的峰值頻率越低，反之則越高。這一點(diǎn)很容易理解，腔長(zhǎng)越短，出現(xiàn)馳豫振蕩就越快。峰值頻率高，意味著出現(xiàn)馳豫振蕩的時(shí)間短。

2) 泵浦的功率越高，RIN的峰值頻率越高，同樣的道理，泵浦的激勵(lì)越猛烈，越快出現(xiàn)馳豫振蕩。

3) 泵浦的功率越高，RIN的峰值越低，這一點(diǎn)可以從更多的粒子被同時(shí)激勵(lì)，躍遷到上能級(jí)的角度去理解。

4) RIN的峰值越高意味著這時(shí)候單頻光纖激光器的瞬時(shí)功率波動(dòng)的更劇烈。

 

對(duì)單頻光纖激光器而言，相對(duì)強(qiáng)度噪聲很重要，過(guò)高的RIN會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的信噪比下降，降低整個(gè)系統(tǒng)的性能。在一些相干探測(cè)，分布式光纖傳感以及相干激光LiDAR等領(lǐng)域都需要低相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）的單頻光纖激光器。

 

單頻光纖激光器因?yàn)轳Y豫振蕩現(xiàn)象不可避免，在中頻段（一般幾百kHz到MHz）存在著馳豫振蕩峰，相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）的峰值比較高，通常需要采取必要的手段對(duì)RIN進(jìn)行抑制。

抑制RIN的手段較多，包括光電負(fù)反饋法，半導(dǎo)體飽和放大法等等，各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們將會(huì)在以后的產(chǎn)品技術(shù)小講堂中進(jìn)行專門介紹。