光源相位噪声对干涉传感系统信噪比影响分析

黎 珉，洪炜宁，钱良存，周宗立 (安徽农业大学理学院，安徽 合肥 230036)

光源相位噪声对干涉传感系统信噪比影响分析

黎 珉，洪炜宁，钱良存，周宗立 (安徽农业大学理学院，安徽 合肥 230036)

以窄线宽光纤激光器为光源，基于马赫-曾德干涉仪，利用相位载波零差解调技术，通过在信号臂上改变光纤延迟线的长度，对大光程差干涉系统中光源相位噪声对系统信噪比的影响进行了分析。结果表明，窄线宽光纤激光器对光源相位噪声有较好的抑制作用，但当光程差很大时，光源相位噪声对系统信噪比仍有一定的影响。

干涉传感；光源相位噪声；窄线宽光纤激光器；马赫-曾德干涉仪；信噪比

在干涉传感系统中，光源相位噪声主要取决于光源的相干长度和系统的光程差[1-4]。如果光源的相干长度较短(光源线宽较大)或系统光程差较大，光源相位噪声通过干涉仪所形成的相位-强度噪声就会较高，使干涉传感系统的解调信号产生畸变并降低系统信噪比。

针对上述情况，干涉传感系统多采用线宽很窄的光纤激光器[5-7]为光源，因为其相干长度长，可较好地抑制光源相位噪声，但在光程差较大的远距离测量中，光源相位噪声明显增加，此时窄线宽光源对光源相位噪声的抑制效果以及系统信噪比的变化尚缺乏试验研究。为此，笔者针对光源相位噪声对大光程差激光干涉系统信噪比的影响进行试验分析，基于马赫-曾德干涉仪，利用相位载波零差解调[8-9]技术，通过在信号臂上改变光纤延迟线的长度，考察系统在大光程差条件下信噪比的变化，为干涉测量系统的量化设计提供指导❶安徽农业大学校长青年基金项目(2010zr07)。。

1 机理分析

考虑光源相位随机扰动的情况，在马赫-曾德干涉仪中，输出端光源相位噪声的功率谱密度函数为[1]：

(1)

从式(1)中可以看出，在光强一定的情况下，光源相位噪声主要与光源的相干时间以及干涉仪的时延(光程差)有关。当干涉系统光程差与光源相干长度相比很大时，即|T|/τc≫1，式(1)可化为：

(2)

此时光源相位噪声将不再随着延迟线长度的增加而变化，只由光源的相干时间决定。

当光源相干时间远大于干涉仪的时延，即干涉系统光程差与光源相干长度相比很小时，|T|/τc≪1，式(1)可化为：

(3)

此时光源相位噪声主要由干涉系统的光程差决定。

以上分析说明，光源相干性越好，系统受光源相位噪声影响就越小。所以，在干涉测量中多选取窄线宽光纤激光器为光源，其相干长度可以达到几十至几百千米，这时光源相位噪声主要由干涉系统的光程差所决定。对于光程差较短的干涉系统(|T|/τc≪1)，相位噪声数值较小，但当光程差很大时，尤其在远距离干涉测量系统中，光源相位噪声会随光程差增加而明显增大，成为系统主要的噪声源。

2 试验分析

2.1试验装置

图1 试验装置图

试验装置如图1所示，选取窄线宽光纤激光器为光源，基于马赫-曾德干涉仪，采用全保偏光纤结构，C1，C2为3dB耦合器，由PZT加载模拟信号，D为光电管，通过解调电路处理，可测得待测信号。

2.2不同长度延迟线下系统信噪比的变化

试验中选取线宽为1kHz的光纤激光器，分别考查延迟线长度为20m和1km时系统的信噪比。为了保证更换光纤延迟线后输出的光功率一致，在延迟线两端均用法兰盘连接。在每次更换延迟线后，首先将延迟线所在一臂通过法兰盘与光电管直接相连，再通过调节延迟线另一端的法兰盘来控制光强的大小，使得每次更换延迟线长度后，输出光强保持不变，目的是为了消除因光纤延迟线增加引起的输出功率损耗对系统信噪比的影响，从而进一步精确研究光源相位噪声对系统信噪比的影响。

图2 20m，1km延迟线系统信噪比对比

为了更明显地区分不同长度延迟线下系统信噪比的变化，分别在20m延迟线时加载频率为1kHz的信号，在1km延迟线时加载1.2kHz的信号。从图2中可以看出，光纤延迟线长度从20m增加至1km时，系统信噪比下降约2dB。系统光程差增加到1km后，信噪比有所下降，说明光源相位噪声对结果有一定影响。但注意到噪声本底没有明显变化，分析原因是光源线宽很窄(相干长度达到100km以上，相比于1km延迟线还是很大)，光源相位噪声仍被明显抑制。如果光程差继续增大至接近光源相干长度时，光源相位噪声对系统的影响会更大。同时看到延迟线从20m增加至1km时，环境扰动比较明显，在低频出现较高的噪声峰，可以估计如延迟线继续增加，环境噪声的干扰也会进一步加大。

3 结 语

通过对以窄线宽光纤激光器为光源的干涉系统在大光程差下信噪比变化的试验分析表明，窄线宽光纤激光器对光源相位噪声有较好的抑制作用，但当光程差较大时，光源相位噪声对系统信噪比仍有着一定的影响。使用线宽约为1kHz的窄线宽光纤光源，当光程差从20m增加至1km时，系统信噪比下降约2dB。预计在光程差更大的远距离探测系统中，光源相位噪声将成为系统主要噪声源，同时随着光程的增加，降低环境扰动的影响也是提高干涉系统信噪比的要素之一。光源相位噪声的理论分析和系统信噪比的试验研究为干涉传感系统的量化设计提供了一定的依据。

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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年大学毕业，硕士，助教，现主要从事光纤传感、生物信息方面的教学与研究工作。

[编辑] 洪云飞