用相位噪声和谐波分析法测量激光脉冲的时基抖动

信号
图1 实验装置示意图 Fi g .1 Sche matic di agra m of experi ment al set up
3 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
+
CI > = PT 1 + A CI > ] I -nT -J CI > ] C4 >
-
式中 P 为光脉冲串的平均功率;T 1/ f 0 f 0 为脉冲 重复频率;A CI > 为 归 一 化 的 脉 冲 功 率 起 伏;J CI > 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S P Cf > 即有
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 S A f -nf 0 和 相 位 噪 声 边 带 Z Knf 0 Z SJ f -nf 0 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
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
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Sp f
+
=
P
Z 0
n =-
Z Kf 0 J
1 - Z Kf 0 J Z Z S A f -nf 0
f -nf 0 + 1 + Z Knf 0 Z S J f -
nf 0
5
式中 S A 代表振幅噪声的功率谱密度 SJ 代表相位噪
根 据Par Sevel S 定 律 时 基 抖 动 C 均 方 值 > 可 表 示为
\ I
=
Z
1 Kf
0
S A Cf >df
-
通常我们测量的是单边CSSB > 相位噪声 L Cf >
位噪声小于1 rad 时 有
L Cf
>
=
1 Z
S
A
Cf
>
C1 > 当相
CZ >
图2 相位噪声测量时基抖动 Fi g .2 Phase noise measure ment of ti mi ng jitter
图5 HP8562 A 的噪声基底变化曲线 Fi g .5 Noise fl oor of HP8562 A vari ati on as
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 =
nf 0 +f 0 Z
Z SS Rf B df nf 0 -f 0 Z
SSB carri er
1 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 ~4 以改进现有的 误 码 测 量 仪 测 量 精 度 低 于 1 .Z pS 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
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 f S 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5 为 ~P856Z A
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 f S ~1 8 f S 和963 f S 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
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10
fS 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
带宽为1 k ~Z ~Z 1 G~Z 噪 声 基 底 随 谐 波 级 次 增 加 的测 量 曲 线 当 频 率 从 0 .3 -18 .66 G~Z 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 G~Z 便无法测到高次谐波
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 M~Z 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 ~P541Z 0 B 示 波 器 测 得此时光脉冲的时基 抖 动 为 1 .Z pS 另 一 个 相 同 重 复频率的增益开关 DFB LD 产生的光脉冲通过 50
中图分类号!TPZ 06 + .1
文 献 标 识 码 !A
文章编号!1005-0086 Z 003 09-0961-04
Mesaure ment of Ti mi ng Jitter i n a Pulse Ld wit h Phase Noise and Har monic Anal ysis Mat hods
WANG Yu n-cai % %
Tai yuan Uni verSit y Of Sci ence and TechnOl Ogy SchOOl Of Sci ence ShanXi 0300Z 4 Chi na
Abstract Ph ase n oi se measur e ment t echn ol ogy an d h ar moni cs sPectr u m an al ysi s t ech n ol ogy f or measuri n g t h e Pul se-t o- Pul se ti mi n g i tt er of di ode l aser Pul ses Wer e exPeri ment al co mPar ed . Th e exPeri ment sh o Ws t h at t h e h ar moni cs sPectr u m an al ysi s t ech n ol ogy i s n ot sui t abl e f or measur e ment t h e l aser Pul ses Whi ch h as t h e l o W i tt er an d hi gh r ePeti ti on r at es si nce t h e ban d Wi dt h l i mi t an d t h e l ar ge i nt er n al n oi se of sPectr u m an al yZer . Ph ase n oi se measur e ment t echn ol ogy h as t h e ch ar act eri sti cs of l ar ge dyn a mi c r an ge an d don* t n eed t h e Wi dt h- ban d sPectr u m an al yZer i t s measur e ment uncert ai nt y i s l ess 10 f s si nce an d can di sti n gui sh t h e hu m an d sPuri ous si gn al f r o m t h e Ph ase n oi se cur ve . Key words ti mi n g i tt er Ph ase n oi se a mPl i t u de n oi se l aser di ode L D ext er n al l i ght i n ecti on
测量
根据 SSB 相位噪声的定义 1 个脉冲周期内的时基抖 动为
f0
\ i t t er
=
Z
1 Kf
0
Z
S SSB RBS carri
er
df
0
C3 >
其中 S SSB 为 光 脉 冲 的 噪 声 功 率;S carrier 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