專利名稱：基于光纖諧振腔測試激光器頻率噪聲功率譜密度的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光纖諧振腔測試激光器頻率噪聲功率譜密度的裝置及方法，通過精確測量激光器頻率噪聲功率譜密度，有利于分析激光器的頻率噪聲在各類光纖傳感中的影響，比如諧振式光學(xué)陀螺。
背景技術(shù)：
諧振式光學(xué)陀螺(ROG: Resonator Optic Gyroscope)是一種基于Sagnac效應(yīng)實現(xiàn)角速度檢測的高精度慣性傳感器，它通過檢測光學(xué)諧振腔中順逆時針傳播光產(chǎn)生的諧振頻差得到物體的旋轉(zhuǎn)角速度。
諧振式光學(xué)陀螺的角速度信息加載在頻率上，激光器本身巨大的頻率噪聲會淹沒微弱的角速度信號，因此測試激光器的頻率噪聲功率譜密度及其重要。目前比較常見的測試激光器頻率噪聲功率譜密度的方法是利用M-Z干涉儀的線性區(qū)轉(zhuǎn)化頻率波動為電壓波動，但是M-Z干涉儀的轉(zhuǎn)化系數(shù)低，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光纖諧振腔測試激光器頻率噪聲功率譜密度的裝置及方法?；诠饫w諧振腔測試激光器頻率噪聲功率譜密度的裝置包括激光器、相位調(diào)制器、光纖諧振腔、光電探測器、頻譜分析儀、鎖相放大器、伺服控制器；激光器、相位調(diào)制器、光纖諧振腔、光電探測器、鎖相放大器、伺服控制器順次相連，伺服控制器與光纖諧振腔相連，光電探測器與頻譜分析儀相連；激光器的頻率噪聲經(jīng)過光纖諧振腔轉(zhuǎn)化為幅度波動，在頻譜分析儀上檢測激光器頻率噪聲的功率譜密度。所述的光纖諧振腔包括定向耦合器和PZT壓電陶瓷，定向耦合器的光纖繞在PZT壓電陶瓷上?；诠饫w諧振腔測試激光器頻率噪聲功率譜密度的方法是激光器輸出的激光經(jīng)過相位調(diào)制器高頻調(diào)制，將光頻的相位改變了 &sin(umt), ^為調(diào)制系數(shù)，為調(diào)制頻率；然后經(jīng)過光纖諧振腔、光電探測器，將激光器的頻率波動△/調(diào)幅在調(diào)制頻率，在光電探測器上探測到的光功率/~ A/入用頻譜分析儀檢測激光器頻率噪聲的功率譜密度；接著光電探測器的信號經(jīng)過鎖相放大器，解調(diào)得到激光器的頻率波動；最后經(jīng)伺服控制器反饋控制光纖諧振腔的PZT壓電陶瓷，在極窄的帶寬內(nèi)克服低頻漂移，從而能夠在頻譜分析儀上穩(wěn)定地觀察激光器頻率噪聲的功率譜密度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果
1)本發(fā)明提供的激光器頻率噪聲功率譜密度測試方法和裝置靈敏度高，得益于光纖諧振腔的高清晰度，用陡峭的諧振曲線斜率將激光器的頻率波動轉(zhuǎn)化為幅度波動；
2)本發(fā)明提供的激光器頻率噪聲功率譜密度測試方法采納高頻調(diào)相技術(shù)，將激光器的頻率噪聲調(diào)幅在高頻上。高頻調(diào)相技術(shù)能夠抑制激光器強度噪聲的影響，探測快速的頻率噪聲波動。激光器的頻率噪聲調(diào)幅在高頻0^上，能夠克服設(shè)備I//噪聲的影響，鎖相放大器能夠檢測微弱的信號。3)本發(fā)明提供的激光器頻率噪聲功率譜密度測試方法和裝置可與諧振式光學(xué)陀螺的頻率噪聲抑制相結(jié)合。諧振式光學(xué)陀螺的角速度信息加載在頻率上，激光器本身巨大的頻率噪聲會淹沒微弱的角速度信號，因此通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，在光電探測器后觀察激光器頻率噪聲功率譜密度，能夠得到最佳的系統(tǒng)參數(shù)，有效地抑制激光器的頻率噪聲，提高諧振式光學(xué)陀螺的檢測精度。


圖I是基于光纖諧振腔測試激光器頻率噪聲功率譜密度的裝置；
圖2是波導(dǎo)相位調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是帶PZT壓電陶瓷的光纖諧振腔基本結(jié)構(gòu)示意 圖中激光器I、相位調(diào)制器2、光纖諧振腔3、光電探測器4、頻譜分析儀5、鎖相放大器6、伺服控制器7、直波導(dǎo)8、電極9、輸入光纖10和輸出光纖11、PM光纖定向耦合器12和PZT壓電陶瓷13。
具體實施例方式如圖I所示，基于光纖諧振腔測試激光器頻率噪聲功率譜密度的裝置包括激光器I、相位調(diào)制器2、光纖諧振腔3、光電探測器4、頻譜分析儀5、鎖相放大器6、伺服控制器7 ；激光器I、相位調(diào)制器2、光纖諧振腔3、光電探測器4、鎖相放大器6、伺服控制器7順次相連，伺服控制器7與光纖諧振腔3相連，光電探測器4與頻譜分析儀5相連；激光器I的頻率噪聲經(jīng)過光纖諧振腔3轉(zhuǎn)化為幅度波動，在頻譜分析儀5上檢測激光器頻率噪聲的功率
j並磁FfrP曰立/又。如圖2所不,相位調(diào)制器2包括直波導(dǎo)8、一對電極9、輸入光纖10和輸出光纖11 ；在直波導(dǎo)8兩側(cè)設(shè)有一對電極9,在直波導(dǎo)8兩端設(shè)有輸入光纖10和輸出光纖11。當(dāng)在電極9上施加電壓時,從輸出光纖11的輸出光波相位將發(fā)生改變。如圖3所示，所述的光纖諧振腔3包括定向耦合器12和PZT壓電陶瓷13，定向耦合器12的光纖繞在PZT壓電陶瓷13上。定向I禹合器由PM光纖熔融拉錐而成,損耗低,構(gòu)成光纖諧振腔清晰度高，陡峭的諧振曲線斜率能將激光器的頻率波動轉(zhuǎn)化為大的幅度波動，提高了頻率噪聲檢測的信噪比和靈敏度?；诠饫w諧振腔測試激光器頻率噪聲功率譜密度的方法是激光器I輸出的激光經(jīng)過相位調(diào)制器2高頻調(diào)制，將光頻的相位改變了為調(diào)制系數(shù)為調(diào)制頻率；然后經(jīng)過光纖諧振腔3、光電探測器4，將激光器I的頻率波動△/調(diào)幅在調(diào)制頻率'上，在光電探測器4上探測到的光功率/^wOC A/入用頻譜分析儀5檢測激光器頻率噪聲的功率譜密度；接著光電探測器4的信號經(jīng)過鎖相放大器6，解調(diào)得到激光器I的頻率波動；最后經(jīng)伺服控制器7反饋控制光纖諧振腔3的PZT壓電陶瓷13，在極窄的帶寬內(nèi)克服低頻漂移，從而能夠在頻譜分析儀5上穩(wěn)定地觀察激光器I頻率噪聲的功率譜密度。
激光器的輸出光譜
E=E0 exp(j2mjt)(I)
其中，A是激光器輸出的場強幅度，《=2^1 V是激光器的瞬時角頻率，包含了頻率噪聲。經(jīng)過相位調(diào)制器后
Sm = exp(j(4 + P sm(atj)))(2 )
將上式(2), Fourier級數(shù)展開
Sim = B0 expimWo(^)+J1I^)exp(jmj)- J1(J)exp(-jmJ)](3)
當(dāng)調(diào)相系數(shù)#〈I時，光譜分量主要由三項構(gòu)成載波和兩個邊帶。經(jīng)過光纖諧振腔后，
Sfs = E$ esp(j ){ Jo(0)F(Aa>) + J,(0)'SxpijcamI)F(As>+ 0m) - JlIfi)tzpi-js^PiAs- )! (4)
JAffl/'
其中，光纖諧振腔的傳遞函數(shù)= ；, A CO (rad/s)是激光器瞬時頻率
和光纖諧振腔的諧振頻率之差，Y (Hz)是光纖諧振腔的半高全寬，A /(^1 y)是頻差A(yù)/ -A Co/231對光纖諧振腔半高半寬Y/2的歸一化?；诠饫w諧振腔測試激光器頻率噪聲功率譜密度的方法采納高頻調(diào)相技術(shù)，高頻調(diào)制頻率光纖諧振腔的半高全寬Y，當(dāng)激光器的中心頻率落在光纖諧振腔的諧振點附近時，
F(Am+d>m) = F(A0- 0J I(5)
= 2 (6)
因此,公式(4)化簡為
Sfsr = E0 exp(jm)[J0(灼F(A ) + j2J1 (灼3111( !)](7)
在光電探測器處探測到
P腿=RP0 ■■■■■A/ sm(^)(8 )
yi 2
其中，是入射到光電探測器的光功率，W是光電探測器的響應(yīng)度，匕是入射到光纖諧振腔的光功率。由公式(8)可以發(fā)現(xiàn)，激光器的頻率變化A/調(diào)幅在頻率、上，因此可在光電探測器后用頻譜分析儀直接觀察激光器頻率噪聲的功率譜密度，克服設(shè)備I//噪聲的影響。鎖相放大器對光電探測器后的電信號相敏檢測，低通濾波后得到誤差信號
^ =(灼 4/.iJF0 = DFA/.i P0(9 )
yi 2
其中，鑒頻系數(shù)外(V/Hz)
權(quán)利要求
1.一種基于光纖諧振腔測試激光器頻率噪聲功率譜密度的裝置，其特征在于包括激光器(I)、相位調(diào)制器(2)、光纖諧振腔(3)、光電探測器(4)、頻譜分析儀(5)、鎖相放大器(6)、伺服控制器(7);激光器(I)、相位調(diào)制器(2)、光纖諧振腔(3)、光電探測器(4)、鎖相放大器(6)、伺服控制器(7)順次相連，伺服控制器(7)與光纖諧振腔(3)相連，光電探測器(4)與頻譜分析儀(5)相連；激光器(I)的頻率噪聲經(jīng)過光纖諧振腔(3)轉(zhuǎn)化為幅度波動，在頻譜分析儀(5)上檢測激光器頻率噪聲的功率譜密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于光纖諧振腔測試激光器頻率噪聲功率譜密度的裝置，其特征在于所述的光纖諧振腔(3)包括定向耦合器(12)和PZT壓電陶瓷(13)，定向耦合器(12)的光纖繞在PZT壓電陶瓷(13)上。
3.ー種使用如權(quán)利要求I所述裝置的基于光纖諧振腔測試激光器頻率噪聲功率譜密度的方法，其特征在于激光器(I)輸出的激光經(jīng)過相位調(diào)制器(2)高頻調(diào)制，將光頻的相位改變了公sin(ojmt), β為調(diào)制系數(shù)，ω w為調(diào)制頻率；然后經(jīng)過光纖諧振腔(3)、光電探測器(4)，將激光器(I)的頻率波動Λ/調(diào)幅在調(diào)制頻率Cow上，在光電探測器(4)上探測到的光功率/^0" Δ/プノ，用頻譜分析儀(5)檢測激光器頻率噪聲的功率譜密度；接著光電探測器(4)的信號經(jīng)過鎖相放大器(6)，解調(diào)得到激光器(I)的頻率波動；最后經(jīng)伺服控制器(7)反饋控制光纖諧振腔(3)的PZT壓電陶瓷(13)，在極窄的帶寬內(nèi)克服低頻漂移，從而能夠在頻譜分析儀(5)上穩(wěn)定地觀察激光器(I)頻率噪聲的功率譜密度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光纖諧振腔測試激光器頻率噪聲功率譜密度的裝置及方法。它包括激光器、相位調(diào)制器、光纖諧振腔、光電探測器、頻譜分析儀、鎖相放大器、伺服控制器；激光器、相位調(diào)制器、光纖諧振腔、光電探測器、鎖相放大器、伺服控制器順次相連，伺服控制器與光纖諧振腔相連，光電探測器與頻譜分析儀相連；激光器的頻率噪聲經(jīng)過光纖諧振腔轉(zhuǎn)化為幅度波動，在頻譜分析儀上檢測激光器頻率噪聲的功率譜密度。本發(fā)明靈敏度高，能夠抑制激光器強度噪聲的影響，探測快速的頻率噪聲波動，可與諧振式光學(xué)陀螺的頻率噪聲抑制相結(jié)合，有效地抑制激光器的頻率噪聲，提高諧振式光學(xué)陀螺的檢測精度，具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價值。
文檔編號G02B6/28GK102692314SQ20111006937
公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月22日
發(fā)明者俞旭輝, 金仲和, 馬慧蓮 申請人:浙江大學(xué)