用相位噪声和谐波分析法测量激光脉冲的时基抖动.pdf

《用相位噪声和谐波分析法测量激光脉冲的时基抖动.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用相位噪声和谐波分析法测量激光脉冲的时基抖动.pdf（6页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、用相位噪声和谐波分析法测量激光脉冲的时基抖动%王云才%太原理工大学理学院 山西 太原0300Z4 摘要 对测量光脉冲时基抖动的相位噪声测量技术和谐波频谱分析方法进行了实验比较 实验表明 谐波频谱技术由于受频谱仪内部噪声和测量带宽的限制不适合测量低抖动高重复频率的光脉冲 相位噪声测量技术不需要带宽频谱仪 测量动态范围大 可从真实信号中区分出虚假信号 其测量精度高于10fS 同时指出 用相位噪声技术测量时基抖动时 以低频噪声区间来替代整个重复频率的积分区间是不严谨的 关键词 时基抖动 相位噪声 振幅噪声 半导体激光器 LD 外光注入中图分类号!TPZ06+.1 文献标识码!A 文章编号!1005-

2、0086 Z003 09-0961-04M esaurement of Ti m ing Jitter in a Pulse Ld with Phase Noise and Har monicAnalysis MathodsWANG Yun-cai%Taiyuan UniverSity Of Science and TechnOlOgy SchOOl Of Science ShanXi 0300Z4 China Abstract Phase noi se measur ement technol ogy and har moni cs sPectru m anal ysi s technol

3、ogy f or measuri ngthe Pul se-to-Pul se ti mi ng itter of di ode l aser Pul ses Wer e exPeri mental comPar ed.The exPeri ment shoWsthat the har moni cs sPectru m anal ysi s technol ogy i s not suitabl e f or measur ement the l aser Pul ses Whi ch hasthe l oW itter and hi gh r ePetiti on r ates si nc

4、ethe bandW i dth li mit and thel ar gei nternal noi se of sPectru m ana-l yZer.Phase noi se measur ement technol ogy has the char acteri sti cs of l ar ge dynami c r ange and don*t needthe W i dth-band sPectru m anal yZer its measur ement uncertai nty i s l ess 10 fs si nce and can di sti ngui sh th

5、ehu m and sPuri ous si gnal fr om the Phase noi se curve.Key words ti mi ng itter Phase noi se amPlitude noi se l aser di ode LD external li ght i n ecti on1 引 言 光脉冲的时基抖动是指脉冲相对其理想位置的瞬时偏离 或是指光脉冲的重复频率大于10 Z的瞬时相位变化 在高速光通信和超快测量系统中 抖动会增加误码率和降低测量系统的时间分辨率 近几年 对激光脉冲抖动的研究受到了重视 人们在致力降低抖动的同时 发展出新的激光脉冲抖动的测量方法 1

6、 4 以改进现有的误码测量仪测量精度低于1.ZpS的限制 本文分别用相位噪声测量技术 5 和谐波频谱分析技术 6 对增益开关F-P半导体激光脉冲在外部相干光子注入下脉冲的时基抖动进行了对照测量 分析了这两种测量方法的优缺点并指出在目前相位测量中普遍存在的问题 2 实验装置 图1为测量时基抖动的实验装置示意图 F-P半导体激光器 LD 在直流偏置和1Z V的梳状电脉冲作用下实现增益开关 产生重复频率为311 MZ 脉冲宽度为Z0 pS的光脉冲 此时光脉冲的抖动较大 可用误码分析仪或宽带取样示波器直接测量 实验中 用快速光电探测器结合P541Z0B示波器测得此时光脉冲的时基抖动为1.Z pS 另一

7、个相同重复频率的增益开关DFB LD产生的光脉冲通过 50 光 电 子 激 光第14卷 第9期 Z003年9月 Journal of Optoelectronics Laser VOl.14 NO.9 Sep.Z003%收稿日期!Z003-01-08%基金项目!山西省自然科学基金资助项目 981035 瞬态光学技术国家重点实验室开放课题%E-mail Wangyc 50 光纤耦合器耦合至F-P LD腔内 偏振控制器CPC 用来调节注入光子的偏置状态 F-P LD通过温度控制器工作在15 的恒温下 增益开关DFBLD通过温度控制器将其中心波长调谐到与F-P LD的一个主纵模波长一致 这样在外部脉

8、冲相干光子注入下 会抑制F-P LD腔内的自发辐射噪声 实现降低抖动的作用 F-P LD的光脉冲通过掺铒光纤放大器C DFA 放大后用宽带光电探测器接收 其输出的光电信号或者直接输入至P541Z0B取样示波器进行测量 或者输入至P856Z A频谱分析仪进行谐波频谱分析 或者输入至双平衡混合器进行相位噪声测量 图1 实验装置示意图Fig.1 S chematic diagram of experi mental setup3 相位噪声与谐波频谱测量的比较3.1 相位噪声测量 在相位噪声测量技术中 混合器实际上起相位鉴别器的作用 用于鉴别光脉冲和纯净信号C 或相位噪声很低 间的相位噪声 图1中 射

9、频合成器的输出信号经过功率分配器分成两路:一路经过90 的相位偏移器输入至双平衡混合器的本征振荡端 另一路用于驱动LD产生光脉冲 光脉冲经过光电转换变成电信号输入至混合器的射频输入端 混合器将相位调制谱转换到基带 因此我们可以用低带宽频谱仪直接测量 在测量中通过调节混合器两输入端的信号幅度 使混合器工作在饱和区 这样可以忽略光脉冲振幅噪声带来的影响 根据ParSevel S定律 时基抖动C 均 方 值 可 表示为 I=1ZKf0 -SA CfdfC1通常我们测量的是单边CSSB 相位噪声LCf 当相位噪声小于1 rad时 有 LCf=1ZSA CfCZ根据SSB相位噪声的定义 1个脉冲周期内的

10、时基抖动为 itter=1ZKf0Z f00SSSBRBScarrierdfC3其中 SSSB为光脉冲的噪声功率;Scarrier为载波功率;RB为频谱仪的分辨率带宽 图Z是SSB相位噪声测量的测量结果 3条曲线分别对应射频合成器 梳状波发生器和F-P激光脉冲的SSB相位噪声曲线 对应的时基抖动分别为4 fS1 8 fS和963 fS 但从图Z也可以看出 50 Z的交流电及其谐波会产生一些尖峰 射频合成器中的参考信号及频谱分析仪的噪声也会引起一些虚假信号 图2 相位噪声测量时基抖动Fig.2 Phase noise measurement of ti m ing jitter 在相位噪声测量技

11、术中 不需要带宽频谱仪 且测量精度高 可测到低于10 fS的抖动 因为可以从真实信号中区分出虚假信号 其测量精度会大大提高 而且动态范围较大 测量结果的可信性较强 同时可以通过调节双平衡混合器两输入端信号的相位 使之同相位来单独测量振幅噪声 3.2 谐波频谱分析 谐波频谱分析是利用频谱分析仪分析光脉冲重复频率的各次谐波成分 从而计算出抖动值 激光脉冲强度可表述为连续的S函数 即有 CI=PT 1+ACI +-I-nT-JCI C4式中 P为光脉冲串的平均功率;T 1/f0 f0为脉冲重复频率;ACI 为归一化的脉冲功率起伏;JCI 为脉冲重复频率的随机起伏 频谱分析仪测到的是光脉冲的功率谱SP

12、Cf 即有 Z69 光 电 子 激 光 Z003年 第14卷 Sp f=PZ0+n=-1-ZKf0 J Z f-nf0+1-ZKf0 J Z SA f-nf0+ZKnf0 ZSJ f-nf0 5 式中 SA代表振幅噪声的功率谱密度 SJ代表相位噪声的功率谱密度 J为J I 的标准偏差 从 5 式中可以看出 对于脉冲重复频率的不同级次谐波 其功率谱包含振幅噪声边带SA f-nf0 和相位噪声边带 ZKnf0 ZSJ f-nf0 振幅噪声边带在光脉冲重复频率的各次谐波中保持不变 而相位噪声功率边带正比于谐波级次的平方 图3给出了增益开关F-P激光脉冲的基波和10次谐波 可以看出10次谐波的噪声边带

13、增加了5 dB 振幅噪声和时间抖动可通过测量不同次级谐波的相对噪声边带计算出 即有 A=Z nf0+f0 Znf0-f0 ZSSSB f ScarrierRBdf 6 J=1ZKnfZ nf0+f0 Znf0-f0 ZSSSB f SCarrierRBdf 图3 基波和10次谐波的噪声边带Fig.3 Noise sideband of the first and 10thorder 图4为对增益开关F-P激光脉冲抖动的谐波频谱分析的测量结果 时基抖动为814 fS 振幅噪声为5.9%谐波分析方法可同时测量出激光脉冲的振幅噪声和时基抖动 但是它受到频谱分析仪噪声基底随谐波级次增加而增加的影响 图

14、5为P856Z A 带宽为1 k Z Z1 GZ 噪声基底随谐波级次增加的测量曲线 当频率从0.3-18.66 GZ 60次谐波 改变时 噪声基底增加超过Z0 dB 噪声基底的改变 会严重影响对抖动的分析结果 在对高次谐波测量中 尤为严重 谐波分析法受到的另一个局限是 受频谱仪测量带宽的限制 当激光脉冲的重复频率很高时 如大于10 GZ 便无法测到高次谐波 图4 相位噪声与谐波级次的关系曲线Fig.4 Phase noise variation as a functionof har monic nu mber图5 HP8562A的噪声基底变化曲线Fig.5 Noise floor of HP

15、8562A variation asa function of har monic order4 讨论和结论 相位噪声测量技术测到的激光脉冲为963 fS 其值偏大的主要原因是引入了50 Z的交流谐波信号和诸如频率合成器参考信号的虚假信号 但这些虚假信号可以通过分析具体的测量系统而加以剔除 这种测量方法有3个缺点 1 当混合器对振幅噪声抑制不彻底时 部分振幅噪声对相位噪声的测量有贡献 造成抖动测量值偏大 Z 适用于低抖动值的测量 当光脉冲抖动值较大 如相位噪声大于1 rad时 公式 Z 有较大的测量误差 3 应特别注意的是 对抖动的计算应对整个脉冲区间积分 在文献 8 等中 只积分了低频区间的

16、抖动 因此得到了非常小的抖动测量结果 但该结果并不代表光脉冲的总的抖动 谐波频谱分析技术测得的F-P LD在外光注入下出射的激光脉冲的抖动为814 fS 其主要误差来源于频谱分析仪的内部噪声及数值拟合带来的误差 在对高重复频率的激光脉冲抖动测量中 误差尤为明 369 第9期 王云才等 用相位噪声和谐波分析法测量激光脉冲的时基抖动 显 同时它假设了振幅噪声与相位噪声是个小量且互不相关 因此在测量时基抖动值较大的光脉冲时 如增益开关DFB LD产生的光脉冲 会引入较大的测量误差 综上所述 当光脉冲的抖动较大且脉冲宽带较大时 用宽带取样示波器结合快速光电探测器测量简单易行 或者直接用误码分析仪进行测

17、量 谐波频谱分析适用于测量低重复频率光脉冲的抖动 当光脉冲的重复频率很大时 如10 GZ 谐波频谱分析受频谱仪带宽的限制而限制了其应用 当光脉冲的时基抖动较小时 可采用相位噪声测量技术 本课题获得柏林工业大学固体物理研究所提供的技术支持!在此表示感谢参 考 文 献!1 L A Ji ang K S Abedi n M E Gr ei n et o l.Ti mi ng itter r e-ducti on i n model ocked semi conductor l asers W ith Photonseedi ng J.Appl.Phys.Lett.Z00Z 80 1 0-1 09.Z

18、 H Tsuchi da.Ti me-domai nmeasur ementofPul se-ti mi ngfl uctuati ons i n a model-l ocked l aser di ode J.I EEE Pho-ton.Technol.Lett.Z00Z 14 513-515.3 E Yoshi da M NakaZaWa.Measur ement of the ti mi ng itterand Pul se ener gy fl uctuati on of PLL r egener ati vel y model-l ocked fi ber-l aser J.I EE

19、EPhoton.Technol.Lett.1999 11 548-550.4 T M Shen.Ti mi ng itter i n semi conductor l asers under Pe-sudor andom Wor d modul ati on J.J.of Li 9ht wove Techn-ol.1989 17 1394-1399.5 D Von der Li nder.Char acteri Zati on of the noi sei n conti nu-ousl y oPer ati ng model-l ocked l asers J.Appl.Phys.B 198

20、6 39 Z01-Z1.6 L A Ji ang S T Wong M E Gr ei n et o l.Measuri ng ti mi ng itter W ith oPti cal cr oss corr el ati on J.I EEE J.Ouont.E-l ectr on.Z00Z 38 104-105Z.W Ng RstePhens D Persechi ni et o l.Ultr a-l oW itter mo-del ocki ng of Er-fi br el aser at 10 GHZ and its aPPli cati on i nPhotoni c samPl

21、i ng f or anal ogue-to di gital conversi on J.El ectr on.Lett.Z001 37 113-115.8 H Shi I Nitta G Al Phonse et o l.Ti mi ng itter Perf or manceof multi Wavel ength model ocked semi conductor l aser J.El ectr on Lett.1998 34 ZZ50-ZZ50.作者简介!王云才 1965-1986年获南开大学电子科学系学士学位 分别于1994年和199 年获中国科学院西安光学精密机械研究所理学硕

22、士与博士学位 Z001-Z00Z年德国柏林工业大学访问学者 现为太原理工大学理学院副教授 山西省物理学会常务理事 主要从事超短光脉冲产生与超快现象研究 469 光 电 子 激 光 Z003年 第14卷 用相位噪声和谐波分析法测量激光脉冲的时基抖动用相位噪声和谐波分析法测量激光脉冲的时基抖动作者：王云才作者单位：太原理工大学理学院,山西,太原,030024刊名：光电子激光英文刊名：JOURNAL OF OPTOELECTRONICSLASER年，卷(期)：2003,14(9)被引用次数：5次 参考文献(8条)参考文献(8条)1.L A Jiang;K S Abedin;M E Grein Tim

23、ing jitter reduction in modelocked semiconductor lasers with photonseeding外文期刊 20022.H Tsuchida Time-domain measurement of pulse-timing fluctuations in a model-locked laser diode 20023.E Yoshida;M Nakazawa Measurement of the timing jitter and pulse energy fluctuation of PLLregeneratively model-locke

24、d fiber-laser外文期刊 1999(5)4.T M Shen Timing itter in semiconductor lasers under pesudorandom word modulation 19895.D Von der Linder Characterization of the noise in continuously operating model-locked lasers 19866.L A Jiang;S T Wong;M E Grein Measuring timing jitter with optical cross correlation外文期刊

25、 2002(8)7.W Ng;Rstephens;D Persechini Ultra-low jitter mo-delocking of Er-fibre laser at 10 GHz and itsapplication in photonic sampling for analogue-to digital conversion外文期刊 2001(2)8.H Shi;I Nitta;G Alphonse Timing jitter performance of multiwavelength modelocked semiconductor laser外文期刊 1998(23)本文读

26、者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.刘红春.刘红运.Liu Hongchun.Liu Hongyun 相位噪声测试系统比对方法研究期刊论文-半导体技术2008,33(9)2.刘兰琴.景峰.彭志涛.程晓锋.朱启华.蒋东镔.张清泉.刘红婕.LIU Lan-qin.JING Feng.PENG Zhi-tao.CHENG Xiao-feng.ZHU Qi-hua.JIANG Dong-bin.ZHANG Qing-quan.LIU Hong-jie GS方法恢复低频相位噪声期刊论文-强激光与粒子束2000,12(Z2)3.陈子伦.侯静.周朴.姜宗福.CHEN Zi-lun.HOU Jing

27、.ZHOU Pu.JIANG Zong-Fu 光纤放大器热效应引起的相位噪声理论分析期刊论文-红外与激光工程2007,36(6)4.张自然.黄博.张俊文.朱江波.邵宇丰.黄德修.迟楠.Zhang Ziran.Huang Bo.Zhang Junwen.Zhu Jiangbo.ShaoYufeng.Huang Dexiu.Chi Nan 相位噪声补偿新技术期刊论文-光通信研究2011(1)5.陈吉欣.周涛.CHEN Ji-xin.ZHOU Tao 光电振荡器的相位噪声特性期刊论文-红外与激光工程2008,37(5)6.王建华 主动相干合成中光纤放大器相位噪声的研究学位论文20097.王道春.任俊

28、.徐旭 鉴相法测试相位噪声会议论文-20058.周朴.王小林.马阎星.冷进勇.马浩统.王建华.许晓军.刘泽金.Zhou Pu.Wang Xiaolin.Ma Yanxing.Leng Jinyong.Ma Haotong.Wang Jianhua.Xu Xiaojun.Liu Zejin 强泵浦条件下光纤放大器相位噪声的测量期刊论文-强激光与粒子束2009,21(11)9.耿涛.李刚.董雅宾.王军民.张天才 激光自混频干涉效应中相位噪声的测量期刊论文-量子光学学报2004,10(z1)10.张云.张天才.李廷鱼.谢常德.Zhang Yun.Zhang Tiancai.Li Tingyu.Xie

29、 Changde 法布里-珀罗腔对相位噪声测量的影响期刊论文-光学学报2000,20(4)引证文献(5条)引证文献(5条)1.Junhua Tang.Yuncai Wang Spectrum analysis of all parameter noises in repetition-rate laser pulsetrain期刊论文-中国光学快报（英文版）2006(8)2.李怀繁.王金定.王云才 增益开关F-P激光器抖动的计算和测量期刊论文-红外与激光工程 2005(5)3.李怀繁.杨成全.李海 增益开关激光脉冲时基抖动的测量方法期刊论文-雁北师范学院学报 2006(5)4.ZHANG Ming-jiang.WANG Yun-cai Generation of low jitter and discrete tunable dual-wavelength opticalpulses at arbitrary repetition rates期刊论文-光电子快报（英文版）2006(4)5.李怀繁 增益开关半导体激光脉冲抖动的分析和测量学位论文硕士 2005 本文链接：http:/