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2020-04

Connet 產(chǎn)品小講堂第九期——單頻光纖激光器的頻率噪聲和相位噪聲（三）

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單頻光纖激光器的頻率噪聲和相位噪聲（三）

 

    單頻光纖激光器的噪聲概念幾乎照搬了電子射頻信號(hào)源的定義，測(cè)試強(qiáng)度噪聲，相位噪聲和頻率噪聲的基本思想和測(cè)試手段也都一脈相承。不過(guò)單頻激光器尤其是單頻光纖激光器因?yàn)榫C合的噪聲水平極低，激光的絕對(duì)頻率又高達(dá)THz，經(jīng)典的噪聲測(cè)試手段不能夠很好適應(yīng)單頻光纖激光器的噪聲測(cè)試，尤其是相頻噪聲的測(cè)試。

1.傳統(tǒng)信號(hào)源的相位噪聲測(cè)試

    相位噪聲是指信號(hào)源中，輸出頻率的短期穩(wěn)定性指標(biāo)。由于相位噪聲的存在，引起載波頻譜的擴(kuò)展。在實(shí)際應(yīng)用，所有信號(hào)源的輸出都存在著幅度、頻率或相位的起伏，這些相位起伏的特征描述通常叫做相位噪聲，由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)信號(hào)源的相位噪聲概念更加籠統(tǒng)。 

2.信號(hào)相位噪聲的來(lái)源

    信號(hào)源中的雜散分量一般是由電源紋波、機(jī)械振動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部鑒相信號(hào)的泄漏或其它電路的信號(hào)竄擾，具有一定的規(guī)律性。另外一種呈隨機(jī)分布的相位噪聲通常是由振蕩器本身內(nèi)各器件所產(chǎn)生的各種隨機(jī)噪聲引起的。
重溫單邊帶相位噪聲的定義
    信號(hào)源中，由于相位噪聲的存在，在頻域中，輸出信號(hào)的譜線相位調(diào)制邊帶的功率PSSB 與總功率 PS 之比, 即

    L(fm)通常用相對(duì)于載波1Hz帶寬的對(duì)數(shù)來(lái)表示，單位為 dBc/Hz。

 

3. 信號(hào)相位噪聲的測(cè)試方法

? 直接頻譜儀法
? 鑒頻法
? 鑒相法

? 相關(guān)測(cè)量法

    直接頻譜儀法測(cè)試相位噪聲采用商用的電學(xué)頻譜儀，對(duì)信號(hào)源的相位噪聲進(jìn)行直接的測(cè)試，只需要把待測(cè)信號(hào)源輸出端直接接入頻譜儀的輸入端，就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試。舉例如下：
    測(cè)量載頻功率P0，在偏離載波fm處，測(cè)量邊帶功率PSSB，利用以下公式計(jì)算就可得出待測(cè)信號(hào)的單邊帶相位噪聲L(fm)。

 

    式中，B=1.2B3dB ，B3dB指的是分辨率帶寬，單位用Hz

 

     直接頻譜儀法測(cè)量信號(hào)的相位噪聲有一定的局限性，這個(gè)頻譜儀的技術(shù)原理有關(guān)，下圖展示了安捷倫公司某一型號(hào)的頻譜儀的設(shè)計(jì)原理框圖。   

 

     頻譜儀內(nèi)部需要有本振，混頻，中頻放大，濾波，檢波等一系列的功能電路和模塊，通過(guò)和待測(cè)射頻（RF）信號(hào)的混頻，中頻濾波等手段實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻的射頻（RF）信號(hào)到中頻可處理信號(hào)的轉(zhuǎn)換，其核心思想是外差探測(cè)。頻譜儀本身的各種信號(hào)源以及電路都會(huì)帶來(lái)額外的噪聲，這限制了頻譜儀法測(cè)試相位噪聲的分辨率。

    直接頻譜儀法測(cè)量相位噪聲的局限：
    1.只適合本身相位噪聲較高的信號(hào)測(cè)試。

    2.不能分辨強(qiáng)度噪聲還是相頻噪聲

     顯然，直接頻譜儀法不太適合于低相位噪聲的單頻光纖激光器的噪聲測(cè)試。
     鑒頻法和鑒相法的的根本出發(fā)點(diǎn)是通過(guò)外差或者自外差的手段，通過(guò)測(cè)量分析信號(hào)源的頻率譜抖動(dòng)功率譜密度（Sv(f)）或者相位波動(dòng)功率譜密度(Sφ(f))計(jì)算得到單邊帶相位噪聲，在此不再詳細(xì)介紹。采用鑒頻法或者鑒相法的目的主要是為了消除強(qiáng)度噪聲（幅度噪聲）給相位噪聲帶來(lái)的影響，鑒頻法只需要一個(gè)待測(cè)信號(hào)源，而鑒相法需要穩(wěn)定的，低噪聲的參考源，這給測(cè)試帶來(lái)了復(fù)雜程度和成本上的增加。

4. 單頻光纖激光器的相頻噪聲測(cè)試

     1. 為什么直接頻譜儀法不適合單頻光纖激光器的相位噪聲測(cè)試？答案很簡(jiǎn)單，因?yàn)閱晤l光纖激光器是一種激光信號(hào)源，他是光不是電！激光的頻率非常高，例如波長(zhǎng)1550nm的激光頻率可以高達(dá)193.4THz （10的12次方赫茲），根本沒(méi)有直接能夠測(cè)試這么高頻率的儀器！你肯定會(huì)說(shuō)，用外差探測(cè)啊，這是沒(méi)錯(cuò)的，要想測(cè)量單頻光纖激光器的噪聲，必須得具備兩個(gè)必不可少的條件。第一是通過(guò)外差混頻等手段降低激光頻率到可以處理的頻率水平，比如通過(guò)外差混頻獲得中頻輸出后進(jìn)行分析處理。第二是光信號(hào)必須通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再進(jìn)行采集分析處理計(jì)算，最終獲得噪聲測(cè)量的結(jié)果。

      如果把單頻光纖激光器的輸出功率通過(guò)光電探測(cè)器直接輸入給頻譜儀，那么，麻煩來(lái)了！單頻光信號(hào)的強(qiáng)度噪聲，相位起伏以及頻率抖動(dòng)都統(tǒng)統(tǒng)一股腦變成了探測(cè)器的輸出電信號(hào)，在經(jīng)過(guò)頻譜儀內(nèi)部的本振信號(hào)混頻一攪和，就成了一鍋粥了，很難分辨強(qiáng)度噪聲，相位噪聲和頻率噪聲。 要想測(cè)試出單頻激光器的各種噪聲，必須要在光的角度先區(qū)分相位噪聲和強(qiáng)度噪聲，再去做光電轉(zhuǎn)換！這就是單頻激光信號(hào)和射頻電信號(hào)的噪聲測(cè)試最大的區(qū)別所在。 

     此外，單頻光纖激光器的各種噪聲都很低，頻譜儀自身的分辨率和測(cè)試精度很難勝任對(duì)單頻光纖激光器的噪聲測(cè)試任務(wù)。

     2.既然需要用光學(xué)手段來(lái)分辨識(shí)別單頻光纖激光器的相位噪聲和頻率噪聲，甚至要區(qū)分因?yàn)閺?qiáng)度噪聲導(dǎo)致的頻譜展寬，那么什么樣的裝置和設(shè)備可以勝任這樣的工作呢？答案就是干涉儀！常見(jiàn)的干涉儀有F-P干涉儀，邁克爾遜干涉儀（Michelson Interferometer簡(jiǎn)稱(chēng)MI），馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（Mach-Zehnder Interferometer簡(jiǎn)稱(chēng)MZI），薩格奈克干涉儀（Sagnac Interferometer）等等。這些干涉儀功能強(qiáng)大，靈敏度極高，能夠感知到單頻激光極其細(xì)微的相位波動(dòng)和頻率抖動(dòng)，通過(guò)選擇合理的解調(diào)方式，能夠原則上消除強(qiáng)度噪聲對(duì)單頻激光信號(hào)調(diào)制帶來(lái)的頻譜邊帶影響，從而獲取準(zhǔn)確的單頻激光場(chǎng)的頻譜分布，通過(guò)對(duì)相位波動(dòng)功率譜密度和頻率抖動(dòng)功率頻譜密度的計(jì)算得出單頻光纖激光器的相位噪聲和頻率噪聲。

     干涉儀的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，例如高靈敏度的相位敏感型光學(xué)或者光纖傳感裝置，用于引力波測(cè)試的著名裝置LIGO就是利用F-P腔改進(jìn)的邁克爾遜干涉儀（Michelson Interferometer簡(jiǎn)稱(chēng)MI），臂長(zhǎng)達(dá)4km，實(shí)際光程激光多次F-P腔反射后激光在真空管中的通過(guò)的實(shí)際長(zhǎng)度達(dá)到1120km，是一種具有極高靈敏度的激光干涉儀。單頻激光器的線寬（Linewidth）測(cè)試也廣泛采用自外差非平衡馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）的方案。

     單頻光纖激光器的相位噪聲和頻率噪聲測(cè)試一般采用非等臂的邁克爾遜干涉儀（MI）的方案，原理如下所示。通過(guò)分析拍頻信號(hào)或鑒頻信號(hào)頻譜可得到相位噪聲或者頻率噪聲的噪聲譜密度。MI延時(shí)自外差技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)MZI型延時(shí)自外差技術(shù)的一種改進(jìn)，采用了法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡，既降低了隨機(jī)偏振態(tài)漂移引起的噪聲，又將時(shí)延光纖所需的長(zhǎng)度縮短至MZI的一半，眾所周知，起到延時(shí)作用的光纖長(zhǎng)度決定了干涉儀的靈敏度。

                                       非平衡MI干涉儀測(cè)試相頻噪聲

    上海光機(jī)所憑借對(duì)單頻激光器噪聲的深刻理解和強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了高水平的單頻激光器噪聲測(cè)試儀，其改進(jìn)升級(jí)版的測(cè)試原理圖如下。

    該方案采用了3x3耦合器的MI干涉儀解調(diào)方案，引入固定的120度相移，從而避免了2x2耦合器所需的正交點(diǎn)主動(dòng)控制，例如PZT的閉環(huán)控制等。上光所研發(fā)的單頻激光噪聲測(cè)試儀功能強(qiáng)大，可以全面測(cè)試單頻光纖激光器的各類(lèi)噪聲。

1） 線寬測(cè)試功能

2） 相位噪聲測(cè)試

3） 頻率噪聲測(cè)試

4） 相對(duì)強(qiáng)度噪聲RIN測(cè)試

    該儀器不但可以測(cè)量從幾百赫茲到幾百千赫茲不同量級(jí)的單頻激光器的線寬，而且能夠非常完整地呈現(xiàn)出他們的相位噪聲、頻率噪聲分布特性以及線寬值依賴(lài)于測(cè)量時(shí)間等線寬特征，和其它技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

    實(shí)測(cè)結(jié)果舉例：

    差分相位波動(dòng)PSD SΔφ(f)、瞬時(shí)相位波動(dòng)PSDSφ(f)、單邊帶相位噪聲L(f)、差分頻率波動(dòng)PSDSΔv(f)以及瞬時(shí)頻率波動(dòng)PSDSv(f)

    歸一化到1m的含義：就是標(biāo)準(zhǔn)化，每個(gè)非等臂的MI干涉儀的臂差不同，靈敏度也不同，得到的瞬時(shí)波動(dòng)功率譜密度也不同，于是都統(tǒng)一到以1m臂差的理想MI干涉儀的理論靈敏度為基準(zhǔn)。

5. 總結(jié)

      1.單頻激光器的相頻噪聲和強(qiáng)度噪聲測(cè)試的基本思想和實(shí)現(xiàn)方法都和傳統(tǒng)的電域射頻信號(hào)源的噪聲測(cè)試一脈相承，但是又有區(qū)別。

      2.經(jīng)典的直接頻譜儀測(cè)試法，鑒頻法和鑒相法等用于射頻信號(hào)源的噪聲測(cè)試手段不能滿足單頻激光尤其是單頻光纖激光器的噪聲測(cè)試要求。

      3.單頻光纖激光器的相頻噪聲測(cè)試以及相對(duì)強(qiáng)度噪聲測(cè)試一般通過(guò)高靈敏度光纖干涉儀，例如非等臂的MI或者非平衡的MZI來(lái)精確識(shí)別因?yàn)橄辔黄鸱皖l率抖動(dòng)，借鑒相干解調(diào)的思想，獲取其頻域相位噪聲功率譜密度，頻率噪聲功率譜密度，通過(guò)數(shù)學(xué)方法分析運(yùn)算得到單頻光纖激光器的單邊帶相位噪聲，頻率噪聲，頻譜線寬（Linewidth），以及相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）的測(cè)試結(jié)果。  

     4.理解單頻光纖激光器各種噪聲的特點(diǎn)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)單頻光纖激光器的性能評(píng)估，針對(duì)性優(yōu)化有著重要的意義。