利用FPGA生成的噪声进行激光相位调制以实现线宽调节

摘要

FPGA生成的布朗运动噪声和白噪声被用于激光相位调制以调节线宽。通过更高功率、较低频率的白噪声混合信号，线宽的调制效果更佳。© 2024 The Author(s)

作者

Chen Zheng 早稻田大学理工学院，新宿，东京，日本

Yu Zhou 早稻田大学理工学院，新宿，东京，日本

Keizo Inagaki 国立信息通信技术研究所，Koganei，东京，日本

Tetsuya Kawanishi 早稻田大学理工学院，新宿，东京，日本；国立信息通信技术研究所，Koganei，东京，日本

出版信息

期刊: 2024 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR) 年份: 2024 页码: 1-2 DOI: 10.1109/CLEO-PR60912.2024.10676862 文章编号: 10676862 ISSN: Electronic ISSN: 2997-7037, Print on Demand(PoD) ISSN: 2997-7053

指标

论文引用数: 1 总下载量: 37

关键词

IEEE 关键词: Frequency modulation, Phase modulation, Laser noise, Low frequency noise, Power lasers, White noise, Lasers and electrooptics

索引词: Phase Modulation, Lower Frequency, White Noise, Brownian Noise, Random Walk, Noise Sources, Mixing Ratio, Low-frequency Components, Arbitrary Waveform Generator, Power Splitting, Laser Spectrum

未定义

第1节：引言

激光线宽对光通信系统至关重要，窄线宽能够提升如 FMCW 激光雷达等光学检测系统的精确测量能力 ¹。另一方面，较宽的线宽可以增强系统稳定性、降低色散和非线性效应、降低成本并简化设计 ²。因此，可调线宽激光对于优化工业环境下的成本与性能至关重要。一种可行的调节线宽方法是在保持输出波长和功率稳定性的前提下，利用在锂钽酸盐（LN）相位调制器的镜像方法对信号进行布朗运动随机波形相位调制 ³。为解决镜像方法导致的低频成分丢失，从而使线宽中心部分未被调制的问题，研究者通过将白噪声与有界随机走动噪声混合到调制器中提出了解决方案。此外，传统上使用任意波形发生器（AWG）生成有界随机走动信号的过程，现在可通过现场可编程门阵列（FPGA）板实现 ⁴。这使得基于算法的实时信号生成成为可能，避免了 AWG 预加载存储器的限制。我们的研究提出了一种基于 FPGA 的方法，通过调整数模转换器（DAC）的采样率（SR）生成低频白噪声，从而增强线宽中心的调制，推动线宽的提升。

第2节 原理与实验设置

图 1. 利用 LN 相位调制器半波电压对线宽控制与测量的实验装置 [3]

如图1所示，实验装置使用两块相同的 FPGA 板（Xilinx Artix 7 评估板 AC 701），每块板均连接各自的 DAC（Analog Device AD 9736），用于产生布朗噪声和白噪声。布朗噪声的产生采用随机游走运动与镜像方法 ⁵ 的结合。相比之下，白噪声通过线性反馈移位寄存器（LFSR）生成伪随机数序列，然后通过 DAC 转换为模拟噪声。LFSR 的周期和 DAC 的采样率（SR）会影响输出的低频成分。为保留低频并减弱高频对光谱线宽的影响，使用了 100 kHz 滤波器（THORLABS EF502）。受限的随机游走噪声和低频白噪声通过功率分离器（RF‑Lambda RFLT2WDC27GB）组合，以增强 LN 相位调制器（Sumitomo Osaka Cement T. PMH1.55S）信号中的低频成分。信号电压由两块相同的放大器（FEMTO DHPVA-101）和位于功率分离器前的电气衰减器（Fairview Microwave SA 4090）管理，功率分离器后则放置一块衰减器（NF BA4805），从而形成系统的线宽控制单元。调制光纤激光二极管（NKT Photonics Koheras BASIK）的线宽在 1550nm 处小于 100 Hz。线宽测量通过与另一台相同激光源的相干干涉实现。两块光衰减器调节激光功率，偏振控制器（Alnair Labs MLC15 QHN SMFS）控制光的偏振。相干原光与调制光通过光耦合器传递至光电探测器（Sevensix Inc 12.5 Gb/s Optical Receiver），实现对 Tektronix RSA 3308A 分析仪的实时光谱分析。

第三节：结果与讨论

图 2. 调制激光光谱。 (a)、(b)、(c) 是在混合比例为 1（黄色）和 2（红色），SR 分别为 200 MHz、100 MHz、50 MHz 时的光谱；(d) 比较 SR 为 200 MHz（红色）、100 MHz（黄色）、50 MHz（紫色）与混合比例为 2 时的情况。

对低频分量补偿的分析通过两个参数进行：白噪声与有界随机游走噪声的混合比例，以及 FPGA 用于白噪声产生的采样率（SR）。有界随机游走信号以 0.015 V 的步长产生，并限制在 5 Vpp 范围内。图 2 展示了有界随机游走信号对激光光谱的调制效应，以蓝色曲线表示，其线宽为 712 kHz。图 2(a)(b)(c) 研究了混合比例对低频补偿的影响，分别在 200 MHz、100 MHz 和 50 MHz 的 SR 下显示不同混合比例下的调制激光光谱。观察到在不同频率下，较高比例的白噪声能更有效地调制光谱的中心部分。为进一步探究不同 SR 下生成白噪声对线宽的调制效果，图 2(d) 展示了混合比例为 2 时的光谱。值得注意的是，在 50 MHz 的 SR 下，线宽的中心部分受到最广泛的调制，这表明调制信号中低频成分的影响。除此之外，表 1 显示了不同条件下的线宽测量：将 SR 从 200 MHz 降低到 50 MHz，混合比例为 2 时产生的白噪声低频成分更丰富，使线宽从 1158 kHz 增加到 1852 kHz，而混合比例为 1 时的增幅较小。线宽的增加源于降低 SR，它通过生成更高的低频水平来补偿由于镜像法导致的低频成分缺失。此外，直接放大白噪声水平进一步提升了低频成分。因此，较高的混合比例与较低的 SR 结合会产生更宽的调制线宽。

表 1

第四节 结论

本研究提出了一种通过 FPGA 管理的相位调制实现光谱线宽调节的方法，有效地通过提高白噪声水平并降低 FPGA 采样率来扩大中心线宽，从而增强低频谱。未来的研究将探索使用更长周期的线性反馈移位寄存器（LFSR）或引入真随机数发生器，以改进低频噪声生成，进一步提升此线宽控制技术。

参考文献

额外参考文献

4. Y. Zhou, “相位噪声敏感性：利用可变线宽激光器进行低频补偿与镜面法测量的相干 FMCW LiDAR”，in 2022 Asia Communications and Photonics Conference, ( IEEE, New York, 2022 ), pp. 2013–2016.