相位噪声

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相位噪声

定义:光束或者电子信号的相位噪声

单频激光器的输出并不是严格的单色光,还存在相位噪声。这导致激光器输出具有有限的线宽。锁模激光器中的频率部分也同样存在,即辐射的频率梳。

相位噪声的来源为量子噪声,尤其是增益介质中的自发辐射辐射到谐振腔模式中,还包含与光学损耗有关的量子噪声。另外,技术噪声也会产生影响,例如腔镜的振动或者温度涨落。有时,强度噪声也会与相位噪声通过非线性相互作用(参阅词条线宽增强因子)发生相互耦合。

相位噪声可能体现为连续频移,或者相位跳变,或者二者的结合。


目录

定量描述相位噪声

相位噪声可以定量表示为功率谱密度的相位微分,单位为rad2/Hz (或者简单的写为 Hz−1,因为弧度是无量纲的)。功率谱密度在频率为0时通常是发散的,因此不能得出从频率为0积分的均方根值。简单的随机游走过程中,需要指出相干时间或者相干长度,或者线宽值。参阅词条噪声性能指标可以得到更多的细节。

相位噪声与频率噪声有直接关系,因为瞬时频率是相位对时间的微分值。例如,白频率噪声对应于功率谱密度 Sφ(f) ≈ 1 / f2时的相位噪声。


测量相位噪声

相位噪声测量通常采用记录快速光二极管探测的激光器的拍音来得到。另外还可以测量输出激光器与其自身通过一长段光纤后产生时间延时后的激光之间的拍音(参阅自外差线宽测量)。可以参阅词条线宽来得到更多的测量细节。


相位噪声与时间抖动的对比

有时会混淆锁模激光器中的光相位噪声和时间抖动,因为时间抖动也可以看做是一种相位噪声,即一个脉冲周期(脉冲重复速率的倒数)的变化等价于相位变化为2π。这一相位可被称为定时相位。为了避免混淆,对应的相位噪声可以被称作“定时相位噪声”。锁模激光器辐射的频率梳中也存在相位噪声。


归一化相位噪声的对比研究

比较不同振荡器的相位噪声水平时,通常按照振荡频率进行归一化。在频率测量中,通常采用:

Zlxwzs01.png

是相位涨落振幅与平均角频率的比值。当数字振荡信号通过分频器传输时,x(t)的值是不变的,也就是相位涨落与平均频率成比例的同时减小。将稳定到某些光频标的优化的低噪声激光器与微波振荡器做对比,发现激光器的相位噪声水平δφ(t)更高,但是归一化噪声水平 x(t)更低,这表示激光器更适用于光钟。即使没有采用稳定措施,激光器在高噪声频率处的相位噪声也很低,非常适合飞轮振荡器。


参考文献

[1] A. L. Schawlow and C. H. Townes, “Infrared and optical masers”, Phys. Rev. 112 (6), 1940 (1958) (contains the famous Schawlow–Townes equation)

[2] R. Paschotta et al., “Optical phase noise and carrier–envelope offset noise of mode-locked lasers”, Appl. Phys. B 82 (2), 265 (2006)

[3] R. Paschotta, "Noise in Laser Technology – Part 1: Intensity and Phase Noise"



参阅:相干相干时间线宽Schawlow-Townes线宽自外差线宽测量光外差探测噪声性能指标功率谱密度频率噪声强度噪声频率测量时间抖动激光器噪声