黎 珉，洪煒寧，錢良存，周宗立 (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，安徽 合肥 230036)

光源相位噪聲對(duì)干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)信噪比影響分析

黎 珉，洪煒寧，錢良存，周宗立 (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，安徽 合肥 230036)

以窄線寬光纖激光器為光源，基于馬赫-曾德干涉儀，利用相位載波零差解調(diào)技術(shù)，通過在信號(hào)臂上改變光纖延遲線的長度，對(duì)大光程差干涉系統(tǒng)中光源相位噪聲對(duì)系統(tǒng)信噪比的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，窄線寬光纖激光器對(duì)光源相位噪聲有較好的抑制作用，但當(dāng)光程差很大時(shí)，光源相位噪聲對(duì)系統(tǒng)信噪比仍有一定的影響。

干涉?zhèn)鞲?；光源相位噪聲；窄線寬光纖激光器；馬赫-曾德干涉儀；信噪比

在干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)中，光源相位噪聲主要取決于光源的相干長度和系統(tǒng)的光程差[1-4]。如果光源的相干長度較短(光源線寬較大)或系統(tǒng)光程差較大，光源相位噪聲通過干涉儀所形成的相位-強(qiáng)度噪聲就會(huì)較高，使干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的解調(diào)信號(hào)產(chǎn)生畸變并降低系統(tǒng)信噪比。

針對(duì)上述情況，干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)多采用線寬很窄的光纖激光器[5-7]為光源，因?yàn)槠湎喔砷L度長，可較好地抑制光源相位噪聲，但在光程差較大的遠(yuǎn)距離測(cè)量中，光源相位噪聲明顯增加，此時(shí)窄線寬光源對(duì)光源相位噪聲的抑制效果以及系統(tǒng)信噪比的變化尚缺乏試驗(yàn)研究。為此，筆者針對(duì)光源相位噪聲對(duì)大光程差激光干涉系統(tǒng)信噪比的影響進(jìn)行試驗(yàn)分析，基于馬赫-曾德干涉儀，利用相位載波零差解調(diào)[8-9]技術(shù)，通過在信號(hào)臂上改變光纖延遲線的長度，考察系統(tǒng)在大光程差條件下信噪比的變化，為干涉測(cè)量系統(tǒng)的量化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)?安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校長青年基金項(xiàng)目(2010zr07)。。

1 機(jī)理分析

考慮光源相位隨機(jī)擾動(dòng)的情況，在馬赫-曾德干涉儀中，輸出端光源相位噪聲的功率譜密度函數(shù)為[1]：

(1)

從式(1)中可以看出，在光強(qiáng)一定的情況下，光源相位噪聲主要與光源的相干時(shí)間以及干涉儀的時(shí)延(光程差)有關(guān)。當(dāng)干涉系統(tǒng)光程差與光源相干長度相比很大時(shí)，即|T|/τc?1，式(1)可化為：

(2)

此時(shí)光源相位噪聲將不再隨著延遲線長度的增加而變化，只由光源的相干時(shí)間決定。

當(dāng)光源相干時(shí)間遠(yuǎn)大于干涉儀的時(shí)延，即干涉系統(tǒng)光程差與光源相干長度相比很小時(shí)，|T|/τc?1，式(1)可化為：

(3)

此時(shí)光源相位噪聲主要由干涉系統(tǒng)的光程差決定。

以上分析說明，光源相干性越好，系統(tǒng)受光源相位噪聲影響就越小。所以，在干涉測(cè)量中多選取窄線寬光纖激光器為光源，其相干長度可以達(dá)到幾十至幾百千米，這時(shí)光源相位噪聲主要由干涉系統(tǒng)的光程差所決定。對(duì)于光程差較短的干涉系統(tǒng)(|T|/τc?1)，相位噪聲數(shù)值較小，但當(dāng)光程差很大時(shí)，尤其在遠(yuǎn)距離干涉測(cè)量系統(tǒng)中，光源相位噪聲會(huì)隨光程差增加而明顯增大，成為系統(tǒng)主要的噪聲源。

2 試驗(yàn)分析

2.1試驗(yàn)裝置

圖1 試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)裝置如圖1所示，選取窄線寬光纖激光器為光源，基于馬赫-曾德干涉儀，采用全保偏光纖結(jié)構(gòu)，C1，C2為3dB耦合器，由PZT加載模擬信號(hào)，D為光電管，通過解調(diào)電路處理，可測(cè)得待測(cè)信號(hào)。

2.2不同長度延遲線下系統(tǒng)信噪比的變化

試驗(yàn)中選取線寬為1kHz的光纖激光器，分別考查延遲線長度為20m和1km時(shí)系統(tǒng)的信噪比。為了保證更換光纖延遲線后輸出的光功率一致，在延遲線兩端均用法蘭盤連接。在每次更換延遲線后，首先將延遲線所在一臂通過法蘭盤與光電管直接相連，再通過調(diào)節(jié)延遲線另一端的法蘭盤來控制光強(qiáng)的大小，使得每次更換延遲線長度后，輸出光強(qiáng)保持不變，目的是為了消除因光纖延遲線增加引起的輸出功率損耗對(duì)系統(tǒng)信噪比的影響，從而進(jìn)一步精確研究光源相位噪聲對(duì)系統(tǒng)信噪比的影響。

圖2 20m，1km延遲線系統(tǒng)信噪比對(duì)比

為了更明顯地區(qū)分不同長度延遲線下系統(tǒng)信噪比的變化，分別在20m延遲線時(shí)加載頻率為1kHz的信號(hào)，在1km延遲線時(shí)加載1.2kHz的信號(hào)。從圖2中可以看出，光纖延遲線長度從20m增加至1km時(shí)，系統(tǒng)信噪比下降約2dB。系統(tǒng)光程差增加到1km后，信噪比有所下降，說明光源相位噪聲對(duì)結(jié)果有一定影響。但注意到噪聲本底沒有明顯變化，分析原因是光源線寬很窄(相干長度達(dá)到100km以上，相比于1km延遲線還是很大)，光源相位噪聲仍被明顯抑制。如果光程差繼續(xù)增大至接近光源相干長度時(shí)，光源相位噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響會(huì)更大。同時(shí)看到延遲線從20m增加至1km時(shí)，環(huán)境擾動(dòng)比較明顯，在低頻出現(xiàn)較高的噪聲峰，可以估計(jì)如延遲線繼續(xù)增加，環(huán)境噪聲的干擾也會(huì)進(jìn)一步加大。

3 結(jié) 語

通過對(duì)以窄線寬光纖激光器為光源的干涉系統(tǒng)在大光程差下信噪比變化的試驗(yàn)分析表明，窄線寬光纖激光器對(duì)光源相位噪聲有較好的抑制作用，但當(dāng)光程差較大時(shí)，光源相位噪聲對(duì)系統(tǒng)信噪比仍有著一定的影響。使用線寬約為1kHz的窄線寬光纖光源，當(dāng)光程差從20m增加至1km時(shí)，系統(tǒng)信噪比下降約2dB。預(yù)計(jì)在光程差更大的遠(yuǎn)距離探測(cè)系統(tǒng)中，光源相位噪聲將成為系統(tǒng)主要噪聲源，同時(shí)隨著光程的增加，降低環(huán)境擾動(dòng)的影響也是提高干涉系統(tǒng)信噪比的要素之一。光源相位噪聲的理論分析和系統(tǒng)信噪比的試驗(yàn)研究為干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的量化設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)。

[1]Moslehi B.Noise power spectra of two-beam interferometers induced by the laser phase noise[J].Journal of Lightwave Technology,1986，4(11):1704-1709.

[2]Moslehi B.Analysis of optical phase noise in Fiber-optic system employing a laser source with arbitrary coherence time[J].Lightwave technology,1986 (4): 1334-1351.

[3]Armstrong J A.Theory of interferometric analysis of laser phase noise[J].Opt.Soc Amer,1966,56: 1024-1031.

[4]Phlippe B G,Debarge G.Quantum phase noise and field correlation in single frequency semiconductor laser systems[J].984,20(4)：343-349.

[5]Yu Ben-li,Qian Jing-ren,Luo Jia-tong,et al.Stable single-frequency fiber ring laser with linewidth less than 0.5kHz [J].Chinese Journal of Quantum Electronics,2001,18 (4):345-348.

[6]Yu Ben-li,Qian Jing-ren,Yang Ying-hai,et al.Homodyne method for measuring narrow-linewidth lasers [J].Chinese Journal of Lasers,2001，28(4)：351-354.

[7]Zhang Renjie,Yu Benli,Cao Zhigang,et al.Frequency modulated and polarization maintaining fiber laser with narrow linewidth[J].Optics Communications，2007，274:392-395.

[8]Dandridge A,Tveten A B，Giallorenzi T G.Homodyne demodulation scheme for fiber optic sensors using phase generated carrier [J].IEEE J Quantum Electron，1982，18:1647-1662.

[9]柏林厚，廖延彪，張敏，等.干涉型光纖傳感器相位生成載波解調(diào)方法改進(jìn)與研究[J].光子學(xué)報(bào)，2005，34(9):1324-1327.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.001

TN247

A

1673-1409(2012)08-N001-02

2012-05-24

黎珉(1982-)，男，2005年大學(xué)畢業(yè)，碩士，助教，現(xiàn)主要從事光纖傳感、生物信息方面的教學(xué)與研究工作。

[編輯] 洪云飛