可调谐二极管激光器连续电流调谐时线宽的测量方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103837331 A (43)申请公布日 2014.06.04 CN 103837331 A (21)申请号 201410108553.9 (22)申请日 2014.03.24 G01M 11/02(2006.01) (71)申请人 河北联合大学 地址 063000 河北省唐山市新华西道 46 号 (72)发明人 安颖 孙铁强 (74)专利代理机构 唐山永和专利商标事务所 13103 代理人 王永红 (54) 发明名称 可调谐二极管激光器连续电流调谐时线宽的 测量方法 (57) 摘要 一种可调谐二极管激光器连续电流调谐时线 宽的测量方法， 该方法步骤是 ： 搭建厘米。

2、级短光 程差下的可调谐二极管激光器的自外差测量系 统， 加入锯齿波调谐电流获取激光外差信号 ； 获 取的激光外差信号进行预处理， 分离出待分解信 号， 对待分解信号进行改进的局部均值分解， 得到 乘积函数 ； 对乘积函数进行时频分析， 确定相位 噪声的时频分布 ； 短光程差时形成相干光场， 信 号功率噪声谱的宽度等于激光器的线宽， 噪声功 率时频谱的谱宽通过洛伦兹拟合确定 ； 将得到的 瞬时线宽对时间进行拟合， 得到线宽的时变方程。 本方法使得洛伦兹拟合精度进一步提高， 瞬时线 宽数据更为精确 ； 通过对瞬时线宽的线性拟合得 到了时变线宽的方程。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说。

3、明书 4 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图6页 (10)申请公布号 CN 103837331 A CN 103837331 A 1/1 页 2 1. 一种可调谐二极管激光器连续电流调谐时线宽的测量方法， 其特征在于， 该方法包 括下述步骤 ： 1） 搭建厘米级短光程差下的可调谐二极管激光器的自外差测量系统， 加入锯齿波调谐 电流获取激光外差信号 ； 2） 对步骤 1） 获取的激光外差信号进行预处理， 分离出待分解信号， 对待分解信号进行 改进的局部均值分解， 得到乘积函数 ； 3） 对乘积函数进行时频分析， 确定相位。

4、噪声的时频分布 ； 4） 短光程差时形成相干光场， 信号噪声功率谱的宽度等于激光器的线宽， 噪声功率时 频谱的谱宽通过洛伦兹拟合确定 ； 5） 将得到的瞬时线宽对时间进行拟合， 得到线宽的时变方程。 2. 根据权利要求 1 所述的可调谐二极管激光器连续电流调谐时线宽的测量方法， 其特 征在于， 所述的锯齿波调谐电流的变化在激光器的驱动电流范围内， 频率选取依激光器使 用场合而定。 3. 根据权利要求 1 所述的可调谐二极管激光器连续电流调谐时线宽的测量方法， 其特 征在于， 可调谐二极管激光器可以是分布反馈式、 分布布拉格反射式、 垂直腔面发射式或外 腔式中的任意一种。 4. 根据权利要求 1。

5、 所述的可调谐二极管激光器连续电流调谐时线宽的测量方法， 其特 征在于， 所述步骤 2） 待分解信号的确定标准是 ： 待分解信号为关于时间轴对称的调幅调频 信号， 而提取待分解信号的方法是 ： 利用平滑点数为全部数据长度的均值平滑， 得到均值信 号， 然后从原信号中减去均值信号， 当得到的差信号满足待分解信号条件时， 提取结束， 否 则继续提取。 5. 根据权利要求 1 所述的可调谐二极管激光器连续电流调谐时线宽的测量方法， 其特 征在于， 所述步骤 2） 中改进的局部均值分解算法是对分解的终止条件进行限制， 当分解信 号的峰值小于原信号平均峰值 1/10 的点数超过总点数的 90% 时， 分。

6、解终止。 6. 根据权利要求 1 所述的可调谐二极管激光器连续电流调谐时线宽的测量方法， 其特 征在于， 所述步骤 3） 相位噪声的时频分布的求解方法是 ： 其中， 为第 i 个乘积函数 的瞬时幅值， 为与相对应的瞬时频率。 7. 根据权利要求 1 所述的可调谐二极管激光器连续电流调谐时线宽的测量方法， 其特 征在于， 所述步骤 4） 通过洛伦兹拟合确定噪声功率时频谱谱宽的方法是在每个时刻， 首先 确定噪声功率谱的中心频率， 其次将功率时频谱进行归一化处理， 然后用同中心频率下的、 谱宽分别为激光器静态线宽参数的 2 倍和 0.5 倍的洛伦兹曲线进行规范化， 最后再进行洛 伦兹曲线拟合。 8.。

7、 根据权利要求 1 所述的可调谐二极管激光器连续电流调谐时线宽的测量方法， 其特 征在于， 所述步骤 5） 得到线宽的时变方程的方法是将瞬时线宽对时间进行 3 阶线性拟合。 权 利 要 求 书 CN 103837331 A 2 1/4 页 3 可调谐二极管激光器连续电流调谐时线宽的测量方法 技术领域 0001 本发明涉及一种基于时频分析的可调谐二极管激光器在连续电流调谐状态时的 线宽的测量方法。 背景技术 0002 可调谐二极管激光器是激光外差测量、 光通信、 光传感系统中的核心原件， 而激光 器的线宽参数对上述系统的精确度有着非常大的影响。尽管可调谐二极管激光器结构不 同， 但其在调谐过程中。

8、的线宽都是动态变化的， 且具有很强的随机性。为了检测其变化特 征， 通常采用光外差方法， 对采集的光外差信号进行时频分析。 当光程差小于激光相干长度 时， 需要分析差拍信号相位噪声功率的时频分布 ； 而当光程差远大于激光的相干长度时， 需 要对差拍信号的幅度功率进行时频分析， 由于这种方法需要几到几十千米的光纤， 使其应 用受到了一定程度的限制。目前， 利用基于信号趋向性的局部均值分解得到了分布反馈半 导体激光器在超短光程差、 脉冲电流下的瞬时线宽， 可以获知调谐电流恒定时， 线宽的瞬时 变化。但是在大的电流调谐范围下， 时变线宽方程尚未确定 ； 同时， 也没有形成各类可调谐 二极管激光器时变。

9、线宽测量的通用方法。 发明内容 0003 为了解决各种可调谐二极管激光器在连续电流调谐过程中的时变线宽测量的技 术问题， 本发明提供一种基于局部均值分解、 通过对功率时频谱做规范化处理， 使洛伦兹拟 合精度进一步提高， 瞬时线宽数据更精确以及通过对瞬时线宽的线性拟合得到时变线宽方 程的可调谐二极管激光器连续电流调谐时线宽的测量方法。 0004 解决上述技术问题采用如下技术方案 ： 一种可调谐二极管激光器连续电流调谐时线宽的测量方法， 其特征在于， 该方法包括 下述步骤 ： 1） 搭建厘米级短光程差下的可调谐二极管激光器的自外差测量系统， 加入锯齿波调谐 电流获取激光外差信号 ； 2） 对步骤 。

10、1） 获取的激光外差信号进行预处理， 分离出待分解信号， 对待分解信号进行 改进的局部均值分解， 得到乘积函数 ； 3） 对乘积函数进行时频分析， 确定相位噪声的时频分布 ； 4） 短光程差时形成相干光场， 信号功率噪声谱的宽度等于激光器的线宽， 噪声功率时 频谱的谱宽通过洛伦兹拟合确定 ； 5） 将得到的瞬时线宽对时间进行拟合， 得到线宽的时变方程。 0005 进一步， 所述的锯齿波调谐电流的变化在激光器的驱动电流范围内， 频率选取依 激光器使用场合而定。 0006 进一步， 可调谐二极管激光器可以是分布反馈式、 分布布拉格反射式、 垂直腔面发 射式或外腔式中的任意一种。 说 明 书 CN 。

11、103837331 A 3 2/4 页 4 0007 进一步， 所述步骤 2） 待分解信号的确定标准是 ： 待分解信号为关于时间轴对称的 调幅调频信号， 而提取待分解信号的方法是 ： 利用平滑点数为全部数据长度的均值平滑， 得 到均值信号， 然后从原信号中减去均值信号， 当得到的差信号满足待分解信号条件时， 提取 结束， 否则继续提取。 0008 进一步， 所述步骤 2） 中改进的局部均值分解算法是对分解的终止条件进行限制， 当分解信号的峰值小于原信号平均峰值 1/10 的点数超过总点数的 90% 时， 分解终止。 0009 进一步， 所述步骤 3） 相位噪声的时频分布的求解方法是 ： 其中，。

12、 为第 i 个乘积函数 的瞬时幅值， 为与相对应的瞬时频率。 0010 进一步， 所述步骤 4） 通过洛伦兹拟合确定噪声功率时频谱谱宽的方法是在每个时 刻， 首先确定噪声功率谱的中心频率， 其次将功率时频谱进行归一化处理， 然后用同中心频 率下的、 谱宽分别为激光器静态线宽参数的2倍和0.5倍的洛伦兹曲线进行规范化， 最后再 进行洛伦兹曲线拟合。 0011 进一步， 所述步骤 5） 得到线宽的时变方程的方法是将瞬时线宽对时间进行 3 阶线 性拟合。 0012 采用上述技术方案， 与现有技术相比， 本发明的显著技术效果在于 ： 本发明采用基 于数据预处理的局部均值分解方法对激光外差信号进行分解，。

13、 确定了待分解信号的标准， 预先提取了待分解信号， 排除了信号基线对局部均值分解的影响， 使得光外差信号时频分 析的结果更准确 ； 通过对功率时频谱做规范化处理， 使得洛伦兹拟合精度进一步提高， 瞬时 线宽数据更为精确 ； 通过对瞬时线宽的线性拟合得到了时变线宽的方程 ； 这一方法对各类 可调谐二极管激光器的使用都具有较强的指导意义。 附图说明 0013 图 1 是本发明的流程图。 0014 图 2 是提取待分解信号的流程图。 0015 图 3 是改进的局部均值分解流程图。 0016 图 4 是激光外差信号时域图形。 0017 图 5 是外差信号中提取的待分解信号。 0018 图 6 是局部均。

14、值分解的乘积函数。 0019 图 7 是相位噪声功率的时频分布。 0020 图 8 是某一时刻的时频谱的规范化及洛伦兹拟合过程。 0021 图 9 是相位噪声功率的洛伦兹拟合时频谱。 0022 图 10 是 50100mA 调谐过程中的瞬时线宽。 0023 图 11 是时变线宽曲线。 具体实施方式 说 明 书 CN 103837331 A 4 3/4 页 5 0024 下面结合实施例和附图对本发明的利用局部均值分解对可调谐二极管激光器时 变线宽的测量方法给出详细说明。 0025 利用局部均值分解对可调谐二极管激光器时变线宽的测量流程如图 1 所示， 首先 搭建可调谐二极管激光器的自外差测量系统。

15、， 加入锯齿波调谐电流获取激光外差信号。锯 齿波调谐电流的电流变化在激光器的驱动电流范围内， 频率选取依激光器使用场合而定。 可调谐二极管激光器可以是分布反馈式、 分布布拉格反射式、 垂直腔面发射式或外腔式中 的任意一种。 0026 获取激光外差信号后， 进行待分解信号提取、 局部均值分解并确定其相位噪声功 率的时频分布， 最终确定瞬时线宽和时变线宽方程。 0027 待分解信号的确定标准是 ： 待分解信号为关于时间轴对称的调幅调频信号， 而提 取待分解信号的方法是 ： 利用平滑点数为全部数据长度的均值平滑， 得到均值信号， 然后 从原信号中减去均值信号， 当得到的差信号满足待分解信号条件时， 。

16、提取结束， 否则继续提 取。提取待分解信号的流程如图 2 所示， 其步骤是 ： 首先对信号进行均值平滑确定均值函 数， 将原信号减去均值函数 ； 确定上、 下包络函数 ； 上下包络函数之和等于零时， 得到待分 解信号， 提取终止。 0028 改进的局部均值分解算法的流程如图 3 所示， 改进的局部均值分解算法是对分解 的终止条件进行限制， 当分解信号的峰值小于原信号平均峰值 1/10 的点数超过总点数的 90% 时， 分解终止。 0029 依据图 3 对信号进行分析的步骤如下 ： 1）将待分解信号进行局部均值分解， 分别确定包络函数、 均值函数 、 纯调频函数， 当包络函数满足纯调频包络函数条。

17、件 时， 分解出一个乘积函数， 否则， 令 ， 继续分解， 同时包络函数做乘累加， 直到第 k 次满足纯调频包络函数条件为止， 此时 。 0030 2） 对分解出来的乘积函数的瞬时相位求导数， 确定每个乘积函数的瞬时频率。 0031 3） 对每一次的待分解信号进行判断， 当满足分解终止条件分解信号的峰值小 于原信号平均峰值1/10的点数超过总点数的90%时， 分解终止， 不满足终止条件时， 执行上 述步骤 1） 和步骤 2） 、 3） 直到满足终止条件为止。 0032 当采用 10 厘米短光程差时， 对分布反馈二极管激光器施以锯齿波调谐电流， 电流 变化范围 40100mA， 频率为 20Hz。

18、， 采集到的激光外差信号， 去除弛豫部分的时域图形如图 4 所示。提取的待分解信号如图 5 所示。将待分解信号进行局部均值分解， 得到的 5 个乘积 函数的前 2500 点， 如图 6 所示。 0033 由乘积函数确定相位噪声功率的时频分布， 其中， ， 为第 i 个乘积函数的瞬时幅 值， 为与相对应的瞬时频率。图 7 为依据全部乘积函数计算而来的相位噪声功率时频 分布。 说 明 书 CN 103837331 A 5 4/4 页 6 0034 此时， 相位噪声功率的时频分布的谱宽即为激光器的瞬时线宽， 瞬时线宽的获得 需要经过洛伦兹拟合， 在进行洛伦兹拟合前， 数据需要进行归一化和规范化处理。。

19、 首先确定 噪声功率谱的中心频率， 其次将功率时频谱进行归一化处理， 然后用同中心频率下的、 谱宽 分别为激光器静态线宽参数的 2 倍和 0.5 倍的洛伦兹曲线进行规范化， 最后再进行洛伦兹 曲线拟合。处理过程如图 8 所示。 0035 洛伦兹拟合后的相位噪声功率时频分布如图 9 所示， 此时功率谱的瞬时谱宽即为 对应时刻的激光器的线宽， 由此确定的瞬时线宽如图 10 所示。 0036 将得到的瞬时线宽对时间进行3阶线性拟合， 由此得到的时变线宽曲线如图11所 示。 0037 上述实施例仅表达了本发明的一种实施方式， 但并不能因此而理解为对本发明范 围的限制。应当指出， 对于本领域的普通技术人。

20、员来说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还 可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护范围。 说 明 书 CN 103837331 A 6 1/6 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103837331 A 7 2/6 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 103837331 A 8 3/6 页 9 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103837331 A 9 4/6 页 10 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103837331 A 10 5/6 页 11 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 103837331 A 11 6/6 页 12 图 10 图 11 说 明 书 附 图 CN 103837331 A 12 。