基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统及其测量方法

摘要

本发明公开了一种基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统，思路为：激光器用于获取激光信号s(t)，光功率分束器激光信号s(t)转化为两路激光信号，得到参考光信号0.5s(t)和测量光信号0.5s(t)；延时光纤对测量光信号0.5s(t)进行相位偏移，得到相位偏移后的测量光信号s1(t)，光学耦合器对s1(t)和参考光信号0.5s(t)进行耦合，得到合路激光信号sc(t)，光电探测器对sc(t)进行光电转换，得到合路电信号Id(t)，放大器放大Id(t)，得到放大后的合路电信号Vd(t)，低通滤波器对Vd(t)进行低通滤波，得到低通滤波后的合路电信号Vf(t)，压流转换器包含设定的预置电信号Vpre(t)，将Vf(t)和Vpre(t)相加后进行电压到电流的转换，得到电流信号，并将所述电流信号作为激光器的工作电流发送至激光器，获得激光信号s(t)的相位噪声，进而计算激光信号s(t)的相位噪声功率谱的3dB线宽。

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，特别涉及一种基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统及其测量方法，适用于光电闭环反馈机制的设计，以及实现窄线宽激光器的线宽测量。

背景技术

近年来，基于激光器的通信研究已经成为一个热门领域，其中窄线宽光纤激光器因其线宽窄、噪声低、抗电磁干扰、安全和可远程控制等特性，广泛应用于光纤通信、光纤传感、材料技术等领域。

早期分布式反馈激光器(DFB)和分布式布拉格反射(DBR)激光器地线宽均在10MHZ量级，采用外腔技术大大压窄光谱线宽后，激光器线宽能够达到甚至低于千赫兹量级；对于传统光源，一般采用光谱分析仪进行谱线分析，光谱分析仪采用扫描衍射光栅作为选频滤波器，其波长扫描范围宽、动态范围大，但波长分辨率仅限制在十几皮米(大于1GHZ)，因此用光谱分析仪对千赫兹量级的窄线宽光纤激光器进行分析是很困难的。

常用的两种测量线宽的方法是双光束外差法和延时自外差法，双光束外差法需要两个激光器并且需要使用声光调制器，实验系统复杂；延时自外差法只需要一个光源，测试环境简单，具有更好的稳定性，但是随着激光线宽越来越窄，延时需要使用的光纤造成激光器所在系统体积大、使用不便且成本较大，而且随着光纤长度的增加，激光器所在系统的光路又会产生新的问题，如光路引入损耗、偏振等。

发明内容

针对以上现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统及其测量方法，其中基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统基于光电反馈的短延时快速激光器和闭环反馈，所述光电反馈的短延时激光器线宽测量方法基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统，能够实现在短光纤延时条件下快速完成窄线宽激光器的线宽测量。

为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统，包括：激光器、光功率分束器、延时光纤、光学耦合器、光电探测器、放大器、低通滤波器和压流转换器；

激光器包含激光输入端和激光输出端，光功率分束器包含第一光束输出端、第二光束输出端和光束输入端，延时光纤包含延时输入端和延时输出端，光学耦合器包含第一光耦合输入端、第二光耦合输入端和光耦合输出端，光电探测器包含光电信号输入端和光电信号输出端，放大器包含传输信号输入端和传输信号输出端，低通滤波器包含低通滤波输入端和低通滤波输出端，压流转换器包含压流输入端和压流输出端；

激光器的激光输出端连接光功率分束器的光束输入端，光功率分束器的第一光束输出端连接延时光纤的延时输入端，光功率分束器的第二光束输出端连接光学耦合器的第二光耦合输入端，延时光纤的延时输出端连接光学耦合器的第一光耦合输入端，光学耦合器的光耦合输出端连接光电探测器的光电信号输入端，光电探测器的光电信号输出端连接放大器的传输信号输入端，放大器的传输信号输出端连接低通滤波器的低通滤波输入端，低通滤波器的低通滤波输出端连接压流转换器的压流输入端，压流转换器的压流输出端连接激光器的激光输入端；

所述激光器用于获取激光信号s(t)，并将激光信号s(t)发送至光功率分束器；

所述光功率分束器用于接收激光器发送过来的激光信号s(t)，并将所述激光信号s(t)转化为两路激光信号，且将其中一路激光信号作为参考光信号，另一路激光信号作为测量光信号，所述两路激光信号分别为0.5s(t)，然后将参考光信号0.5s(t)发送至光学耦合器，将测量光信号0.5s(t)发送至延时光纤；

所述延时光纤用于接收光功率分束器发送过来的测量光信号0.5s(t)，并对所述测量光信号0.5s(t)进行相位偏移，得到相位偏移后的测量光信号s1(t)，然后将所述相位偏移后的测量光信号s1(t)发送至光学耦合器；

所述光学耦合器分别用于接收延时光纤发送过来的相位偏移后的测量光信号s1(t)，和光功率分束器发送过来的参考光信号0.5s(t)，并对所述相位偏移后的测量光信号s1(t)和所述参考光信号0.5s(t)进行耦合，得到合路激光信号sc(t)，然后将所述合路激光信号sc(t)发送至光电探测器；

所述光电探测器用于接收光学耦合器发送过来的合路激光信号sc(t)，并对所述合路激光信号sc(t)进行光电转换，得到合路电信号Id(t)，然后将所述合路电信号Id(t)发送至放大器；

所述放大器用于接收并放大光电探测器发送过来的合路电信号Id(t)，得到放大后的合路电信号Vd(t)，然后将所述放大后的合路电信号Vd(t)发送至低通滤波器；

所述低通滤波器用于接收放大器发送过来的放大后的合路电信号Vd(t)，并对所述放大后的合路电信号Vd(t)进行低通滤波，得到低通滤波后的合路电信号Vf(t)，然后将所述低通滤波后的合路电信号Vf(t)发送至压流转换器；

所述压流转换器用于接收低通滤波器发送过来的低通滤波后的合路电信号Vf(t)，并且所述压流转换器包含设定的预置电信号Vpre(t)，然后将所述低通滤波后的合路电信号Vf(t)和所述设定的预置电信号Vpre(t)相加后进行电压到电流的转换，得到电流信号，并将所述电流信号作为激光器的工作电流发送至激光器，获得激光信号s(t)的相位噪声，并计算激光信号s(t)的相位噪声功率谱的3dB线宽。

技术方案二：

一种基于光电反馈的短延时激光器线宽测量方法，应用于一种基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统，所述基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统包括：激光器、光功率分束器、延时光纤、光学耦合器、光电探测器、放大器、低通滤波器和压流转换器，所述基于光电反馈的短延时激光器线宽测量方法，包括以下步骤：

步骤1，所述激光器获取激光信号s(t)，并将激光信号s(t)发送至光功率分束器；

所述光功率分束器接收激光器发送过来的激光信号s(t)，并将所述激光信号s(t)转化为两路激光信号，且将其中一路激光信号作为参考光信号，另一路激光信号作为测量光信号，所述两路激光信号分别为0.5s(t)，然后将参考光信号0.5s(t)发送至光学耦合器，将测量光信号0.5s(t)发送至延时光纤；

所述延时光纤接收光功率分束器发送过来的测量光信号0.5s(t)，并对所述测量光信号0.5s(t)进行相位偏移，得到相位偏移后的测量光信号s1(t)，然后将所述相位偏移后的测量光信号s1(t)发送至光学耦合器；

步骤2，所述光学耦合器分别接收延时光纤发送过来的相位偏移后的测量光信号s1(t)，和光功率分束器发送过来的参考光信号0.5s(t)，并对所述相位偏移后的测量光信号s1(t)和所述参考光信号0.5s(t)进行耦合，得到合路激光信号sc(t)，然后将所述合路激光信号sc(t)发送至光电探测器；

步骤3，所述光电探测器接收光学耦合器发送过来的合路激光信号sc(t)，并对所述合路激光信号sc(t)进行光电转换，得到合路电信号Id(t)，然后将所述合路电信号Id(t)发送至放大器；

步骤4，所述放大器接收并放大光电探测器发送过来的合路电信号Id(t)，得到放大后的合路电信号Vd(t)，然后将所述放大后的合路电信号Vd(t)发送至低通滤波器；

步骤5，所述低通滤波器接收放大器发送过来的放大后的合路电信号Vd(t)，并对所述放大后的合路电信号Vd(t)进行低通滤波，得到低通滤波后的合路电信号Vf(t)，然后将所述低通滤波后的合路电信号Vf(t)发送至压流转换器；

所述压流转换器接收低通滤波器发送过来的低通滤波后的合路电信号Vf(t)，并且所述压流转换器包含设定的预置电信号Vpre(t)，然后将所述低通滤波后的合路电信号Vf(t)和所述设定的预置电信号Vpre(t)相加后进行电压到电流的转换，得到电流信号，并将所述电流信号作为激光器的工作电流发送至激光器，获得激光信号s(t)的相位噪声其中，t为时间变量，τ为延迟量；

步骤6，对获得激光信号s(t)的相位噪声进行功率谱估计，得到激光信号s(t)的相位噪声功率谱的3dB线宽；其中，t为时间变量，τ为延迟量。

本发明的有益效果：

本发明系统基于延时自外差法，其优势在于通过引入光电闭环反馈能够实现在短光纤延时条件下快速完成窄线宽激光器的线宽测量，基于延时自外差法进行了改进，并通过引入负反馈机制；本发明方法特征在于引入光电闭环反馈系统，其中引入的光电闭环反馈能够自动调节激光器的驱动电流，调整激光器的输出频率，进而实现在较短光纤延时的条件下快速完成窄线宽激光器的线宽测量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的一种基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统框图；

图2是激光器输出频率随驱动电流的变化示意图。

具体实施方式

参照图1，为本发明的一种基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统框图，所述基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统，包括：激光器、光功率分束器、延时光纤、光学耦合器、光电探测器、放大器、低通滤波器和压流转换器；

激光器包含激光输入端和激光输出端，光功率分束器包含第一光束输出端、第二光束输出端和光束输入端，延时光纤包含延时输入端和延时输出端，光学耦合器包含第一光耦合输入端、第二光耦合输入端和光耦合输出端，光电探测器包含光电信号输入端和光电信号输出端，放大器包含传输信号输入端和传输信号输出端，低通滤波器包含低通滤波输入端和低通滤波输出端，压流转换器包含压流输入端和压流输出端；

激光器的激光输出端连接光功率分束器的光束输入端，光功率分束器的第一光束输出端连接延时光纤的延时输入端，光功率分束器的第二光束输出端连接光学耦合器的第二光耦合输入端，延时光纤的延时输出端连接光学耦合器的第一光耦合输入端，光学耦合器的光耦合输出端连接光电探测器的光电信号输入端，光电探测器的光电信号输出端连接放大器的传输信号输入端，放大器的传输信号输出端连接低通滤波器的低通滤波输入端，低通滤波器的低通滤波输出端连接压流转换器的压流输入端，压流转换器的压流输出端连接激光器的激光输入端；

所述激光器用于获取激光信号s(t)，并将激光信号s(t)发送至光功率分束器；

所述光功率分束器用于接收激光器发送过来的激光信号s(t)，并将所述激光信号s(t)转化为两路激光信号，且将其中一路激光信号作为参考光信号，另一路激光信号作为测量光信号，所述两路激光信号分别为0.5s(t)，然后将参考光信号0.5s(t)发送至光学耦合器，将测量光信号0.5s(t)发送至延时光纤；

所述延时光纤用于接收光功率分束器发送过来的测量光信号0.5s(t)，并对所述测量光信号0.5s(t)进行相位偏移，得到相位偏移后的测量光信号s1(t)，然后将所述相位偏移后的测量光信号s1(t)发送至光学耦合器；

所述光学耦合器分别用于接收延时光纤发送过来的相位偏移后的测量光信号s1(t)，和光功率分束器发送过来的参考光信号0.5s(t)，并对所述相位偏移后的测量光信号s1(t)和所述参考光信号0.5s(t)进行耦合，得到合路激光信号sc(t)，然后将所述合路激光信号sc(t)发送至光电探测器；

所述光电探测器用于接收光学耦合器发送过来的合路激光信号sc(t)，并对所述合路激光信号sc(t)进行光电转换，得到合路电信号Id(t)，然后将所述合路电信号Id(t)发送至放大器；

所述放大器用于接收并放大光电探测器发送过来的合路电信号Id(t)，得到放大后的合路电信号Vd(t)，然后将所述放大后的合路电信号Vd(t)发送至低通滤波器；

所述低通滤波器用于接收放大器发送过来的放大后的合路电信号Vd(t)，并对所述放大后的合路电信号Vd(t)进行低通滤波，得到低通滤波后的合路电信号Vf(t)，然后将所述低通滤波后的合路电信号Vf(t)发送至压流转换器；

所述压流转换器用于接收低通滤波器发送过来的低通滤波后的合路电信号Vf(t)，并且所述压流转换器包含设定的预置电信号Vpre(t)，然后将所述低通滤波后的合路电信号Vf(t)和所述设定的预置电信号Vpre(t)相加后进行电压到电流的转换，得到电流信号，并将所述电流信号作为激光器的工作电流发送至激光器，获得激光信号s(t)的相位噪声，并计算激光信号s(t)的相位噪声功率谱的3dB线宽。

一种基于光电反馈的短延时激光器线宽测量方法，应用于一种基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统，所述基于光电反馈的短延时激光器线宽测量系统包括：激光器、光功率分束器、延时光纤、光学耦合器、光电探测器、放大器、低通滤波器和压流转换器，所述基于光电反馈的短延时激光器线宽测量方法，包括以下步骤：

步骤1，所述激光器获取激光信号s(t)，并将激光信号s(t)发送至光功率分束器；

所述光功率分束器接收激光器发送过来的激光信号s(t)，并将所述激光信号s(t)转化为两路激光信号，且将其中一路激光信号作为参考光信号，另一路激光信号作为测量光信号，所述两路激光信号分别为0.5s(t)，然后将参考光信号0.5s(t)发送至光学耦合器，将测量光信号0.5s(t)发送至延时光纤；

所述延时光纤接收光功率分束器发送过来的测量光信号0.5s(t)，并对所述测量光信号0.5s(t)进行相位偏移，得到相位偏移后的测量光信号s1(t)，然后将所述相位偏移后的测量光信号s1(t)发送至光学耦合器。

具体地，所述激光器为分布式反馈(DFB)激光器，使用DFB激光器工作范围内的恒定电流驱动DFB激光器，得到激光信号s(t)，其表达式为：

s(t)＝Acos(2πf₀t+φ(t))>

其中，A为激光信号s(t)的幅度，f₀为激光信号s(t)的中心频率，φ(t)为激光信号s(t)的初始相位，t为时间变量。

所述光功率分束器为1分2光分束器，所述相位偏移后的测量光信号s1(t)，其表达式为：

s1(t)＝A cos(2πf₀(t-τ)+φ(t-τ))>

其中，A为激光信号s(t)的幅度，f₀为激光信号s(t)的中心频率，φ(t)为激光信号s(t)的初始相位，t为时间变量，τ为延迟量。

将参考光信号0.5s(t)表示为s2(t)，其表达式为：

s2(t)＝A cos(2πf₀t+φ(t))>

步骤2，所述光学耦合器分别接收延时光纤发送过来的相位偏移后的测量光信号s1(t)，和光功率分束器发送过来的参考光信号0.5s(t)，并对所述相位偏移后的测量光信号s1(t)和所述参考光信号0.5s(t)进行耦合，得到合路激光信号sc(t)，然后将所述合路激光信号sc(t)发送至光电探测器。

具体地，所述光电耦合器为2×2耦合器，并且所述合路激光信号sc(t)，其表达式为：

sc(t)＝s1(t)+s2(t) (4)

步骤3，所述光电探测器接收光学耦合器发送过来的合路激光信号sc(t)，并对所述合路激光信号sc(t)进行光电转换，得到合路电信号Id(t)，然后将所述合路电信号Id(t)发送至放大器。

具体地，所述合路电信号Id(t)，其表达式为：

其中，K_d为光电探测器的探测效率，A为激光信号s(t)的幅度，f₀为激光信号s(t)的中心频率，φ(t)为激光信号s(t)的初始相位，t为时间变量，τ为延迟量，s1(t)为相位偏移后的测量光信号，s2(t)为参考光信号0.5s(t)；由于式(5)中的和频项的频率太高，超出了光电探测器的响应频率范围，所以在得到合路电信号Id(t)的推导中忽略和频项，且在实际应用中，(5)式中第一项和第二项是常数项，对光电探测器的探测结果无作用，可以滤除。

步骤4，所述放大器接收并放大光电探测器发送过来的合路电信号Id(t)，得到放大后的合路电信号Vd(t)，然后将所述放大后的合路电信号Vd(t)发送至低通滤波器。

具体地，所述放大后的合路电信号Vd(t)，其表达式为：

其中，为激光信号s(t)的相位噪声，K_d为光电探测器的探测效率，A为激光信号s(t)的幅度，f₀为激光信号s(t)的中心频率，φ(t)为激光信号s(t)的初始相位，t为时间变量，τ为延迟量，K＝K_dR，R为设定的压流转换比例；为了提高检测后的信噪比，采用外差平衡探测的方法得到放大后的合路电信号Vd(t)，所述外差平衡探测的方法能够消除共同噪声。

步骤5，所述低通滤波器接收放大器发送过来的放大后的合路电信号Vd(t)，并对所述放大后的合路电信号Vd(t)进行低通滤波，得到低通滤波后的合路电信号Vf(t)，然后将所述低通滤波后的合路电信号Vf(t)发送至压流转换器；

所述压流转换器用于接收低通滤波器发送过来的低通滤波后的合路电信号Vf(t)，并且所述压流转换器包含设定的预置电信号Vpre(t)，然后将所述低通滤波后的合路电信号Vf(t)和所述设定的预置电信号Vpre(t)相加后进行电压到电流的转换，得到电流信号，并将所述电流信号作为激光器的工作电流发送至激光器，获得激光信号s(t)的相位噪声其中，t为时间变量，τ为延迟量。

具体地，所述低通滤波器用于接收放大器发送过来的放大后的合路电信号Vd(t)，并对所述放大后的合路电信号Vd(t)进行低通滤波进而滤掉噪声部分后，得到低通滤波后的合路电信号Vf(t)。

所述压流转换器用于接收低通滤波器发送过来的低通滤波后的合路电信号Vf(t)，并且所述压流转换器包含设定的预置电信号Vpre(t)，然后将所述低通滤波后的合路电信号Vf(t)和所述设定的预置电信号Vpre(t)相加后进行电压到电流的转换，得到电流信号，并将所述电流信号作为激光器的驱动电流。

参照图2，为激光器输出频率随驱动电流的变化示意图；所述驱动电流能够自动锁定参考光和测量光两路之间的相位差，使的cos2πf₀τ＝0，即激光器产生的中心频率为满足条件的特定值，进而得到所述放大后的合路电信号Vd(t)的优化形式v_d(t)，通过对放大后的合路电信号Vd(t)的优化形式v_d(t)进行测量就能够获得激光信号s(t)的相位噪声其中，t为时间变量，τ为延迟量。

步骤6，对激光信号s(t)的相位噪声进行功率谱估计，得到激光信号s(t)的相位噪声功率谱的3dB线宽；其中，t为时间变量，τ为延迟量。

具体地，根据激光信号s(t)的相位噪声计算得到激光信号s(t)的相位噪声的功率谱进而获得激光信号s(t)的相位噪声功率谱的3dB线宽；其中，ω为激光信号s(t)的相位噪声的功率谱角频率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。