基于前馈式控制结构的扫频激光相位噪声压制技术研究

Frequency-swept lasers has been employed in several optical fiber sensors and optical measurement systems with high performance, such as optical frequency-domain interferometer (OFDR), fiber Bragg grating (FBG) sensors, Frequency modulated continuous wave (FMCW) LIDARs, and heterodyne laser spectroscopy systems. The phase noise level of frequency-swept lasers usually limits the system performance, while due to the time-variant characteristic of the transient frequency of swept lasers, most of the commonly used phase noise suppression techniques for frequency-fixed lasers are no longer available for frequency-swept lasers. .The study of this project will provide a new effective phase noise suppression scheme for frequency-swept lasers based on the feed-forward control structure. Techniques of orthogonal self-delayed homodyne phase detection, analog-digital real-time controlling, and acousto-optic fast frequency shifting will be researched and employed to reduce the transient linewidth and frequency-swept nonlinearity of swept lasers, realizing the feed-forward-type phase noise suppression scheme, which can be used for purpose of performance enhancement in optical fiber sensors and optical measurement systems.

扫频激光器被用于多种光纤传感系统及光学测量系统中，如光频域反射计、光纤光栅传感器、调频连续波激光雷达、外差干涉式光谱测量系统等。其中，扫频光波带有的相位噪声通常作为主要的非理想因素，限制系统性能指标的进一步提升。扫频激光的瞬时频率随时间不断地、快速地变化这一特点，为对其相位噪声进行压制带来了额外的技术困难；已有的针对单频激光的各种相噪压制技术，如经典的反馈式控制方案，一般不能在对扫频激光进行相噪压制时发挥出完全理想的效果。.为解决这一难题，本项目拟从前馈式控制结构的角度出发，研究对扫频激光的相位噪声压制技术方案。研究中将引入正交延时零差干涉鉴相、模数混合实时控制、声光快速移频等技术环节，进行对扫频光波的相位的实时、精准的前馈式控制。在排除光波瞬时频率随时间快速扫描这一因素的同时，提取出光波相位噪声并对其进行有效压制，以最终为光纤传感系统及光学测量系统提供高质量的扫频激光源。

扫频激光器广泛应用于光学传感与测量技术领域，可实现光频域反射计，调频连续波激光雷达，光谱测量系统等。扫频激光的相位噪声是上述系统性能瓶颈的主要来源之一；现有的诸多激光相位噪声抑制技术，一般适用于中心频率固定的单频激光，但对于瞬时频率随时间变化的扫频激光的效果则不够理想。.本项目中，我们针对扫频激光的相位噪声抑制技术展开了研究。考虑到经典的反馈式激光相噪抑制方案难以与扫频激光相结合，我们基于前馈式激光相噪抑制方案开展研究工作。具体研究内容包括：前馈式扫频激光相噪抑制光学系统的设计；实时数字前馈控制器的实现；系统性能评估与主要误差来源分析；以及所实现的扫频激光源应用于光学传感与测量系统时的实际效果验证。根据实验结果，项目研究实现了扫频范围大于100GHz，同时等效线宽达到100kHz级别的扫频激光，较初始扫频激光的等效线宽提升了两个数量级以上。将该扫频激光应用于光谱测量系统，可实现显著的系统性能提升，进一步证实了本项目研究的有效性。