淺析光纖傳感器中光源噪聲的分析及抑制

　　摘要：隨著現代科技的發展，傳感器在人們的生產生活中的作用也愈來愈大，光纖傳感器由于其抗電磁千擾、耐腐蝕、體積小、質量輕等優點，日益受到人們的重視。尤其是自發明以來應用的領域不斷擴大并在新的領域內表現出極大的潛力。本文就圍繞干涉型光纖振動傳感系統中的光源的噪聲分析及抑制做了一些闡述。
　　關鍵詞：光纖傳感器 噪聲 分析 抑制
　　中圖分類號： TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791(2011)04(a)-0000-00
　　
　　在干涉型光纖傳感系統中，光源的噪聲往往成為整個系統性能的限制因素，光源的噪聲主要由強度噪聲和相位噪聲組成。降低光源的強度噪聲和相位噪聲無疑是提高系統性能的重要方法。下面我們就激光器的這兩種噪聲做了分析。
　　1 光源強度噪聲及抑制方法
　　激光器輸出強度的起伏表現為光強度噪聲，而相位起伏表現為光相位噪聲。激光器的輸出光強度起伏是由自發輻射引起的，當激光受到某些調制時，自發輻射的強度就會發生變化，從而產生了強度噪聲。所以激光器源輸出光含有強度噪聲是不可避免的，我們只用盡量降低光源的強度噪聲，激光器強度噪聲的定義為： 公式1
　　這里為激光器輸出光功率起伏均方譜密度，為激光器平均輸出光功率。激光器的輸出激光的強度噪聲主要是來自激光器的抽運噪聲，在抽運時產生了激光器固有的馳豫振蕩，尤其在光纖激光器的低頻范圍內由馳豫振蕩產生的低頻噪聲更為明顯。光纖激光器在光纖傳感領域中的廣泛應用，迫切要求降低光纖激光器由馳豫振蕩產生的低頻噪聲。下面我們就馳豫振蕩產生過程加以分析，馳豫振蕩是由激光器內部的反轉集居密度與諧振腔內光子密度之間的一種相互藕合的一個動態過程，其作用過程如圖1所示。馳豫振蕩產生機理可以分為四個階段:第一階段:泵浦激勵使反轉集居密度增加。達到閾值時開始產生激光，泵浦激勵增加的速率超過受激躍遷使減少的速率，所以呈上升趨勢。第二階段:隨光子密度增加，受激躍遷使減少的速率不斷增加。當泵浦激勵增加的速率和受激躍遷使減少的速率相等之后，反轉集居密度開始減小、，但因大于閾值，腔內光子數密度仍繼續增加。第三階段:腔內光子數密度達到最大值，仍大于0，受因增益小于損耗，激躍遷繼續使減小，從這時振蕩就開始了。因增益小于損耗，也開始急劇減小。第四階段:一方面小于閾值，迅速減小到很小值。另一方面泵浦產生的又一次增大，至時刻，到達閾值，重復前過程又開始新一次的尖峰。在抽運源激勵的時間內，上述的四個過程反復進行，形成馳豫振蕩。隨著激光器的穩定運行，其振蕩的強度和頻率均會達到一個穩定的狀態。通過實驗室對光纖激光器的研究發現，利用光電負反饋實現對激光器馳豫振蕩噪聲的抑制，其試驗結構框圖如圖2所示。光纖激光器的輸出激光經5:95的輸出禍合器分成兩路，其中5%的光經光電探測器PD接收轉換為電信號，再經PID電路處理后反饋到泵浦激光器的驅動電路中，通過調節驅動電路的輸出電流，從而起到抑制光源強度噪聲的效果。在使用齊格勒一尼柯爾斯調整法調整光電負反饋PID電路的參數，可以很好降低馳豫振蕩的強度或者改變頻率，從而能夠更好地抑制光纖激光器的強度噪聲。光纖激光器弛豫振蕩峰頻率明顯向后移動，而且其峰值有很大幅度的下降。通過光電負反饋驅動泵浦激光器能夠很好地抑制光源的強度噪聲，光纖激光器的本底噪聲有了很大的降低。
　　
　　
　　2 光源相位噪聲分析及抑制辦法
　　由于自發發射光子相位的隨機性，導致光源輸出光的心率波動而產生激光相位噪聲。這種波動經干涉儀就會轉化為相位噪聲，而且相位噪聲會隨著光纖干涉儀傳感系統中光程差的增大而隨之變大。在干涉測量系統中，我們就是通過將振動信號轉化為傳輸光相位的變化，進而進行解調的。但是沒有規律的相位變化產生的相位噪聲限制了測量的最小相位，同時也是影響信號接收靈敏度的重要因素。由公式1強度噪聲所貢獻的等效相位噪聲可以表示為:
　　公式2
　　光源的相位噪聲對傳感器探測影響很大，所以，通常采用高單頻窄線寬激光器作為光纖傳感器的光源，從而可以大大降低相位噪聲。本文中所采用的光源是實驗室自行研制的根據實驗室以低噪聲單頻窄線寬保偏光纖激光器作為光源，該激光器輸出激光線寬小于IKHZ，其相干長度可以達到60km，具有良好的相干特性，在光纖干涉測振系統的光程差遠小于光源的相干長度，可以大大降低相位噪聲對光纖干涉儀探測系統的影響。因此，在光纖干涉儀測振系統中使用相干長度較大，即相干特性較好的激光器可以很好的抑制系統的相位噪聲。