基于直接探测和相干探测装置的光发射机的指标参数测量系统设计

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1、《光纤通信技术》课程《基于直接探测和相干探测装置的光发射机指标参数测量系统设计》VPI软件仿真分析报告姓名：陈家田学号：U201314368专业班级：光电1311E-mail：523145138@qq.com手机：15071495479组内排名：同组人姓名：卢蓓宁徐静怡李颢完成日期：第1页共27页一、背景知识（输入公式请用公式编辑器，不能截图）ሾ૚ሿ1窄线宽激光器从上世纪六十年代以来，随着激光技术的发展，在光通信系统、生物医学、相干检测，光电制导等许多领域中，都需要用到单纵模半导体激光器。而且在许多情况下都对激光器的线宽特性有着非常严格的要求，窄线宽半导体激光器成为许多测

2、试系统中的关键器件。如在光纤干涉测速系统，光纤测温，测应力等测量系统中，激光器的线宽特性对整个系统的性能起着决定性的作用。因此，对半导体激光器的线宽进行测量是一项十分有意义的工作。传统的测量激光器线宽的仪器有光谱仪和法布里一珀罗干涉仪。这两种仪器虽然在技术上比较成熟，但也具有明显的缺点。例如：光路搭建繁琐，需反复调试；结构庞大，且误差较大；最关键的是，在目前的高精度测量系统中，所用激光器的线宽越来越窄，往往达到几兆赫兹，甚至几十千赫兹，而上述这两种测量系统的精度和分辨率很难满足要求。近年来，光纤传感技术的发展十分迅速。光纤具有体积小，重量轻，抗电磁干扰能力强，可弯曲，能够

3、在许多特殊场合(如高温度场、高压力场)下工作的特点；同时，用光纤替代自由光路，用光纤耦合器件代替分束镜结构，有利于整个光路的一体化。与传统的测量激光器线宽的方法相比，由于全光纤法线宽测量系统的全部部件都用光纤相连，所以该系统具有光路搭建容易，抗干扰能力强，易于集成化等优点。同时，由于全光纤法测量激光器线宽系统的精度很大程度上取决于所用光纤的延迟臂长度，故非常容易根据要求调节测量系统的测量精度和分辨率，该系统的测量范围可从几百兆赫兹到几十千赫兹。日本学者首先提出延时自外差式线宽测量方法，它实际是对单模激光器直接外差测谱法的改进，其光路结构为马赫一曾德干涉仪系统。由于此法利用

4、光纤耦合器件及光纤作为主要部件，利用双光路干涉原理实现了光谱线宽的自外差测量。与传统的以透镜和分光镜为主体组成的自由光路相比，设计难度有所降低，系统精度也得到提高。由此，光纤干涉仪测量光源线宽系统也得到了实际的应用。从最近几年全光纤干涉仪的发展来看，许多新原理、新方案、新技术正在得到实施应用，从而使全光纤干涉仪的结构更加趋于合理化和简单化，功能大为增强。第2页共27页ሾ૛ሿ、ሾ૟ሿ2.移频延时自外差法理论分析自外差探测所用的探测器,只要光谱响应和频率响应合适,原则上和直接探测所用的光电探测器相同[2].假定同方向到达且同偏振方向的信号光束和本机振荡光束的电场分别为݁௦(t

5、)=ܧ௦cosሺ߱௦ݐ൅߮௦)(1)݁௅(t)=ܧ௅cosሺ߱௅ݐ൅߮௅)(2)式中,ωs和ωL分别为信号光和本振光角速度;φs和φL分别为信号光和本振光相位;Es和E分别为信号光和本振光振幅;t为时间变量.由光电探测器平方律特性,其输出光电流为i=α[݁ሺݐሻ൅݁ሺݐሻሿ2(3)௦௅式中,α为光电转换系数.i经过有限带宽的中频放大器,直流项被滤除,只剩下中频交流分量:݅ூிൌߙܧௌܧ௅cosሾ߱ூிݐ൅ሺ߮௦െ߮௅ሻሿ(4)式中,ωIF为中频交流分量角速度.由于激光的相干性问题,单模激光可以认为是一个有位扰动振幅稳定的准单色电磁场.故式(4)可表示为݅ூிൌߙܧௌܧ௅c

6、osሼ߱ூி൅߮௦ሺݐሻെ߮௅ሺݐሻሿሽ(5)式中,φs(t)和φL(t)分别为信号光和本振光相位的随机波动,它导致线宽展宽.图1中,激光器输出经过隔离器输入耦合器1,然后分两路,一路通过光纤环延时后送入耦合器2;另一路通过AOM,送入耦合器2,两路光通过探测器混频后,差频电信号送入频谱分析仪.取ωL=ωs+Ω,Ω为声光移频器频移量,则经隔直输入频谱仪的信号为݅ூிൌܲ଴cosሾെΩt+ሺω൅Ω)τௗ+߮௦ሺݐሻെ߮௦ሺݐെ߬ௗሻ](6)式中,p0为被测交流分量振幅;ω为被测交流信号而经过光探测器的输出便是两者频谱的卷积，所输出的电流的频谱的谱宽∆fൌ2∆v，而中心频率则

7、被调制到中频区域。3.频率啁啾[4][6]频率啁啾与频率调制是相关的当光发射机受到强度调制时。当光信号通过色散介质扩散时，频率啁啾通常会拓宽调制光信号的光谱带宽并造成额外的性能退化。考虑一个强度和相位均发生浮动的光域。Eሺݐሻൌඥܲሺݐሻ݁௝థሺ௧ሻൌ݁ݔ݌ሼ݆߶ሺݐሻ൅0.5lnܲሺݐሻሽ第3页共27页式中ܲሺݐሻൌ

8、Eሺݐሻ

9、ଶ是光功率。在这个表达式中，实部是0.5lnܲሺݐሻ，虚部是߶ሺݐሻ。虚部和实部的比值与相位调制和强度调制的比值是相等的，所以将啁啾参数定义为݀߶ሺݐሻ/݀ݐ݀߶ሺݐሻ/݀ݐߙఐఠൌ2ൌ2ܲ݀ሼlnܲ