光源噪声及其计算方法
时间:2022-10-16 20:30:01
任务目标
分析光源附加噪声的理论值和实验值的计算方法,分析附加噪声与系统的相关性。
激光器光源
SLD光源
SLD:超辐射发光二极管
光谱宽度经验公式
Δ λ ≈ λ 2 h c q k b T \Delta \lambda \approx \frac{\lambda ^2}{h c}qk_bT Δλ≈hcλ2qkbT
其中
q q q——典型值为1.8
λ \lambda λ——峰值工作波长
P S D R I N ? S L D ≈ 1 Δ f PSD_{RIN-SLD}\approx\frac{1}{\Delta f} PSDRIN−SLD≈Δf1
单位 H z − 1 \mathrm{Hz^{-1}} Hz−1
Δ f = c Δ λ λ 2 \Delta f=c\frac{\Delta \lambda}{\lambda ^2} Δf=cλ2Δλ
掺饵光纤光源
频谱不对称,定义等效的RIN, Δ λ \Delta\lambda Δλ通过一样的式子计算
一般比SLD大,由于掺铒光纤光源的功率更大,因此实际的强度噪声大的多
激光器噪声的来源
理论计算方法1
光纤陀螺仪,中文书
散粒噪声:不相关的粒子流
σ N ˙ 2 = 2 N ˙ Δ f b w \sigma_{\dot{N}}^2=2\dot{N}\Delta f_{bw} σN˙2=2N˙Δfbw
附加噪声:源于宽带光源谱宽范围内各个傅里叶分量之间的拍效应,在光电探测器的输出光电流中形成一种附加噪声。
σ N ˙ e x c 2 = N ˙ 2 Δ f b w Δ f \sigma_{\dot{N}_{exc}}^2=\frac{\dot{N}^2\Delta f_{bw}}{\Delta_f} σN˙exc2=ΔfN˙2Δfbw
Δ f b w \Delta f_{bw} Δfbw——计数带宽(检测频带),计数时间的倒数
Δ f \Delta f Δf——频宽
将粒子数的附加噪声转换为功率的附加噪声则有
( σ P h υ ) 2 = P 2 Δ f b w ( h υ ) 2 Δ f (\frac{\sigma_{P}}{h\upsilon})^2=\frac{P^2\Delta f_{bw}}{(h\upsilon)^2\Delta_f} (hυσP)2=(hυ)2ΔfP2Δfbw
即:
σ P 2 = P 2 Δ f Δ f b w \sigma_{P}^2=\frac{P^2}{\Delta_f}\Delta f_{bw} σP2=ΔfP2Δfbw
在上述理论计算式中, Δ f \Delta_f Δf可以通过激光光谱得到,P可以由光电探测测器探测平均功率得到, Δ f b w \Delta f_{bw} Δfbw与探测的时间相关。通过以上数据计算出激光的附加噪声。
理论计算方法2
光纤陀螺仪,英文书
散粒噪声(shot noise)
经典的散粒噪声是不相关的离散粒子流,特别是离散的电子组成的电流。而激光器基础的噪声是散粒噪声是光子流。若每秒钟粒子流为 N ˙ \dot{N} N˙,测量时间是 t m t_m tm,则探测到的粒子数为
N = N ˙ t m N=\dot{N}t_m N=N˙tm
不确定性为 N \sqrt{N} N
例如激光功率为13 μ \mu μW,波长1500nm,则光子流为 1 0 14 10^{14} 1014 个每秒。若测量时间是1s(探测频率的带宽是 Δ f d = 1 H z \Delta f_d=1Hz Δfd=1Hz),光子不确定性就是 1 0 7 10^{7} 107 个,相对不确定性就是 1 0 − 7 10^{-7} 10−7 。
其分布满足正态分布,标准差为:
σ N ˙ = 2 N ˙ Δ f d \sigma_{\dot{N}}=\sqrt{2\dot{N}\Delta f_d} σN˙=2N˙Δfd
对于电流,由离散的电荷q组成,标准差为;
σ I = 2 q I Δ f d \sigma_{I}=\sqrt{2qI\Delta f_d} σI=2qIΔfd
对于能量P的光,由离散的光子组成,标准差为:
σ P h = 2 h υ P Δ f d \sigma_{Ph}=\sqrt{2h\upsilon P\Delta f_d} σPh=2hυPΔfd
相对噪声功率谱密度(ralative noise power spectral density, PSD):
P S D N ˙ = σ N ˙ 2 / N ˙ 2 ⋅ Δ f d = 2 / N ˙ P S D I = σ I 2 / I 2 ⋅ Δ f d = 2 q / I P S D P h = σ P h 2 / P 2 ⋅ Δ f d = 2 h υ / P \begin{aligned} &PSD_{\dot{N}}=\sigma_{\dot{N}}^2/\dot{N}^2\cdot\Delta f_d=2/\dot{N}\\ &PSD_{I}=\sigma_{I}^2/I^2\cdot\Delta f_d=2q/I\\ &PSD_{Ph}=\sigma_{Ph}^2/P^2\cdot\Delta f_d=2h\upsilon /P \end{aligned} PSDN˙=σN˙2/N˙2⋅Δfd=2/N˙PSDI=σI2/I2⋅Δfd=2q/IPSDPh