CN100427907C - 同时监测强度调制和频率调制的光取样系统 - Google Patents

Abstract

光取样系统通过探测干涉效应(即信号光和光脉冲之间的线性相关)实现光取样，从而足以满足信号光和光脉冲可以有相对低的强度，而且接收灵敏度高。同样，光脉冲的脉冲宽度和施加于光脉冲的迟延量是限制时间分辨率的唯一因素，因而，有可能提供一种具有出色的时间分辨率和能量消耗性能的光取样系统，并有可能使光取样系统不仅能监测信号光的强度，而且也能监测信号光频率调制分量。

Description

同时监测强度调制和频率调制的光取样系统

技术领域

本发明涉及用以监测重复输入的高速信号光的光取样方法、系统和程序，尤其是以不能被普通的光电探测元件或电路监测到的速度调制了的信号光。

背景技术

传统的光取样系统，采用的一种技术是，通过监测信号光和本地产生的光脉冲之间的线性相关性来监测低能高速的重复光信号，例如(请参见申请号为9-162808(1977)的日本专利申请)。

如图2所示，在这种传统的光取样系统中，信号光和来自取样光脉冲发生器1的、由本地产生的光脉冲和信号光被注入到一个光混合器8，从这个光混合器8输出的大部分光被平衡式光接收器5a和5b所接收，平衡式光接收器5a和5b的输出信号经矩形波整形电路6a和6b整形成矩形波后，被一个相加器7合并在一起，从而当本地产生的光脉冲和信号光相互重叠时，获得一个与信号光的强度成比例的输出。用这种方法，就有可能实现不依赖于电路的处理速度的、其时间分辨率等于本地光脉冲的脉宽的光取样操作。

通常，光信号经常会在被强度调制的同时又被频率调制。例如，当采用对半导体激光器的注入电流进行通/断控制来进行调制时，所产生的激光束的强度当然发生了变化，但同时，激光束的频率也改变了。同样，当纯粹强度调制的激光束通过光纤传送时，由于光纤的被称作自相位调制的非线性光效应，经传送后的光信号的频率也将被调制。

因而，传统的光取样系统始终存在一个问题，即它虽可以监测光信号的强度变化，但却不能得到光信号频率如何变化了的任何信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种光取样方法、系统和程序，它在保持了能监测超高速度信号光的高速性能和能监测低功率信号光的高灵敏度的情况下，能同时监测信号光的强度调制信息和频率调制信息。

根据本发明的一个方面，提供了一种监测重复输入的高速信号光的光取样方法，此方法包括以下步骤：用光脉冲发生器产生脉宽比信号光的频偏之倒数要短的光脉冲，光脉冲的周期略为不同于信号光的重复周期；用各自的分光镜分别将信号光和光脉冲分裂成两个部分；用延迟单元将信号光或光脉冲的一个光束延迟一个指定的时间；将信号光和光脉冲的一束分裂出的部分输入到第一个光混合器，同时将信号光和光脉冲的另一束分裂出的部分输入到第二个光混合器；用第一个和第二个平衡式光接收器接收来自第一个光混合器的输出光，并输出电流1和电流2；用第三个和第四个平衡式光接收器接收来自第二个光混合器的输出光，并输出电流3和电流4；用一个计算处理装置根据电流1至4的值进行计算处理而获得信号光的频率调制分量。

根据本发明的另一个方面，提供了一个用于监测重复输入的高速信号光的光取样系统，此系统的组成是：一个光脉冲发生器，用于产生脉宽比信号光的频偏之倒数要短的光脉冲，光脉冲的周期略为不同于信号光的重复周期；数个分光镜，用于将信号光和光脉冲分裂成两个光束；一个延迟单元，用于将信号光或光脉冲的一束分裂出的光束延迟指定的时间；一个第一个光混合器，用于输入信号光和光脉冲的一束分裂出的光束；一个第二个光混合器，用于输入信号光和光脉冲的另一束分裂出的光束；第一个和第二个平衡式光接收器，用于接收来自第一个光混合器的输出光，并输出电流1和电流2；第三个和第四个平衡式光接收器，用于接收来自第二个光混合器的输出光，并输出电流3和电流4；一个计算处理装置，用于根据电流1至4的值进行计算处理而获得信号光的频率调制分量。

根据本发明的另一个方面，提供了一个计算机程序产品，它可以使一台计算机在监测重复输入的高速信号光的光取样系统中作为计算处理装置，以得到信号光的频率调制分量，此计算机程序产品由以下部分组成：一个光脉冲发生器，用于产生脉宽比信号光的频偏之倒数要短的光脉冲，光脉冲的周期略为不同于信号光的重复周期；数个分光镜，用于将每个信号光和光脉冲分裂成两个部分；一个延迟单元，用于将信号光或光脉冲的一个分裂出来的部分延迟指定的时间；一个第一个光混合器，用于输入信号光和光脉冲的一个分裂出来的部分；一个第二个光混合器，用于输入信号光和光脉冲的另一个分裂出来的部分；第一个和第二个平衡式光接收器，用于接收来自第一个光混合器的输出光，并输出电流1和电流2；第三个和第四个平衡式光接收器，用于接收来自第二个光混合器的输出光，并输出电流3和电流4；计算机程序产品包括：一个计算机程序代码，用于使一台计算机根据电流1至4的值进行计算处理而获得信号光的频率调制分量。

通过下述阐述，结合附图，本发明的其它特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是根据本发明具体实施的一个光取样系统的示范性配置的方框图。

图2是一个传统光取样系统的示范性配置的方框图。

具体实施方式

参照附图1，下面将详细阐述一个根据本发明的光取样系统的具体装置。

图1展示了作为本发明的一个具体实施例的光取样系统的代表性的配置。该光学取样系统不仅能获得以周期1/f重复输入的信号光的强度调制分量，而且能获得其频率调制分量，并且，该光取样系统有一个正弦波发生器2，用于输出周期为1/(f+Δf)的、略为不同于信号光重复周期1/f的正弦波电信号(例如，Δf可以是f/100或f/1000)，该光取样系统还有一个取样光脉冲发生器1，由正弦波产生器2输出的正弦波电信号驱动，产生周期为1/(f+Δf)的取样光脉冲，在此，偏移量Δf加到了信号光的重复周期1/f上。

取样光脉冲发生器1输出的、由本地产生的取样光脉冲被第一个分光镜11a分裂成两部分，一束分裂光束进入第一个90°光混合器8a的光耦合器4a，而另一束分裂光束在被延迟器3迟延指定的时间后，进入第二个90°光混合器8b的光耦合器4e。同样，周期为1/f的重复输入的信号光被第二个分光镜11b分裂成两部分，一束分裂光束进入第一个90°光混合器8a的光耦合器4b，另一束分裂光束在被延迟器3迟延指定的时间后，进入第二个90°光混合器8b的光耦合器4f。更明确地说，分光镜11a和11b是由光耦合器或单向透视玻璃构成。

需注意，延迟单元3迟延通过分光镜11a的、由取样光脉冲发生器输出的取样光脉冲，但其目的是控制信号光和取样光脉冲发生器1输出的取样光脉冲之间的相对延迟，因而，也可以将延迟单元3放在分光镜11b的输出端而不是放在分光镜11a的输出端，来将信号光延迟一个指定的时间。

第一个和第二个90°光混合器8a和8b(以下简称光混合器)分别是由光耦合器4a、4b、4c和4d，以及光耦合器4e、4f、4g和4h构成，并设置得使光路长度A和光路长度C之间的光路长度差比光路长度B和光路长度D之间的光路长度差大λ/4或小λ/4(λ为光的波长)。众所周知，光混合器8可以由采用单向透视玻璃或集成光路的自由空间光系统实现。

第一个和第二个平衡式光接收器5a和5b接收来自第一个光混合器8a的四束输出光。从第一个和第二个平衡式光接收器5a和5b输出的两个电流由第一个和第二个低通滤波器10a和10b进行波形均衡，低通滤波器10a和10b的阻断频率应设置在近似等于分解间隔T的倒数。；第一个和第二个数值采样单元9a和9b将上述两个输出电流转换成数字值，并送入计算处理装置13。

同样，第三个和第四个平衡式光接收器5c和5d接收来自第二个光混合器8b的四束输出光。从第三个和第四个平衡式光接收器5c和5d输出的两束电流由第三个和第四个低通滤波器10c和10d进行波形均衡，类似地，低通滤波器10c和10d的阻断频率应设置在近似等于分解间隔T的倒数。第三个和第四个数值采样单元9c和9d将上述两个输出电流转换成数字值，并送入计算处理装置13。

计算处理装置13对如上所述的送入的四个数字值，即由第一个至第四个个平衡式光学接收器5a至5d产生的四个电流的值，进行下面将要阐述的计算处理，来得出信号光的频率调制。

下面将阐述具有上述配置的具体实施例光取样系统的运作。取样光脉冲是从取样光脉冲发升器1输出的本地产生的光脉冲，它必需满足以下条件：

(条件1)信号光的强度在本地产生的光脉冲的脉冲宽度的时间内不能剧烈变化。

(条件2)信号光的频率在本地产生的光脉冲的脉冲宽度的时间内不能剧烈变化。

(条件3)光脉冲的中心频率与信号光的中心频率几乎相同。

上述条件1和2意味着需要提供比光取样系统要求的时间分辨率要短的光脉冲。

下面将阐述当上述条件满足时，信号的振幅可以准确地被本发明的光取样系统检测到这一事实。

首先，信号光的波形和取样光脉冲的波形可由下面的等式(1)和(2)来表示：

Sig(t)＝A(t)exp{j[ω_θ+ω_M(t)]t}

                                   (信号光)(1)

Sam(t)＝δ(t-τ)exp(jω_θt+φ)

                                    (取样光脉冲)(2)

这里，A(t)是信号光的振幅，ω_M(t)是信号光的频率调制分量，δ(t-τ)是光脉冲的中心位置。同样，φ是取样光脉冲和信号光之间的相对相位差，当取样光脉冲和信号光从不同的激光器产生时，该相对相位差是随机变化的。

根据条件3，信号光和取样光脉冲的中心频率都可以取为ω_θ。这样，流过第一个和第二个平衡式光接收器5a和5b的电流I₁(τ)和I₂(τ)可分别由下面的等式(3)和(4)表示。

I₁(τ)＝Avr[Sig(t)Sam^*(t)exp{j(ω_M(t)t+φ)}+c.c.]

＝Avr[A(t)δ^*(t-τ)exp{j(ω_M(t)t+φ)}+c.c.]

                               (平衡式光接收器5a)(3)

I₂(τ)＝Avr[Sig(t)Sam^*(t)exp{j(π/2+ω_M(t)t+φ)}+c.c.]

＝Avr[A(t)δ^*(t-τ)exp{j(π/2+ω_M(t)t+φ)}+c.c.]

                               (平衡式光接收器5b)(4)

这里，Avr指低通滤波器10对于时间τ积分的一个积分时间的平均值。同样，δ(t)是本地产生的脉冲的波形，它仅在时间τ左右有一个有限的值，而在其它时间均为零。

同样，根据条件1和2，信号光的强度A(t)和频率φ_M(t)在δ(t)的脉冲宽度内不变化，并且它们的值是A(τ)和φ(τ)，从而，流过第一个和第二个平衡式光接收器5a和5b的电流I₁(τ)和I₂(τ)可分别由下面的等式(5)和(6)来表示。

I₁(τ)＝δ(0)A(τ)exp{j(ω_M(τ)τ+φ)}+c.c.

＝δ(0)A(τ)cos(ω_M(τ)τ+φ)

                              (平衡式光接收器5a)(5)

I₂(τ)＝A(τ)δ^*(τ)exp{j(ω_M(τ)τ+φ+π/2)}+c.c.

＝δ(0)A(τ)sin(ω_M(τ)τ+φ)

                             (平衡式光接收器5b)(6)

下面，将分别考虑流过第三个和第四个平衡式光接收器5c和5d的电流I₃(τ)和I₄(τ)。除了在取样光脉冲发生器1本地产生的取样光脉冲的通路上插入了延迟单元3外，流过第三个和第四个平衡式光接收器5c和5d的电流I₃(τ)和I₄(τ)同流过第一个和第二个平衡式光接收器5a和5b的电流I₁(τ)和I₂(τ)基本上是相同的。

设延迟单元3产生的光路长度差是L，信号光和本地产生的光脉冲将以下式(7)给出的时间差，进入第二个光混合器8b。

T＝L/c    (c为光速)(7)

光路长度差L需要事先测量，在测量过程中光的波长必须保持稳定而不能有任何变化。

为使本具体实施例中光取样系统的时间分辨率提高到最大，时间差T＝L/c应设置成与本地产生的光脉冲的脉冲宽度同一个水平或在几倍以内。换句话说，正如下面将阐述的，为使本实施例中光取样系统能正确运作，在时间差T内信号光的频率需要保持不变。

流过第三个和第四个平衡式光接收器5c和5d的电流I₃(τ)和I₄(τ)可分别由下面的等式(8)和(9)来表示：

I₃(τ)＝Avr[Sig(t)Sam^*(t-T)exp{j(ω_M(t)t+φ)}+c.c.]

＝Avr[A(t)δ^*(t-(τ+T))exp{j(ω_M(t)t+φ)}+c.c.]

                          (平衡式光接收器5c)(8)

I₄(τ)＝Avr[Sig(t)Sam^*(t-T)exp{j(π/2+ω_M(t)t+φ)}+c.c.]

＝Avr[A(t)δ^*(t-(τ+T))exp{j(π/2+ω_M(t)t+φ)}+c.c.]

                           (平衡式光接收器5d)(9)

然后，通过与前述计算电流I₁(τ)和I₂(τ)类似的计算，电流I₃(τ)和I₄(t)可分别由下面的等式(10)和(11)来表示。

I₃(τ)＝A(τ+T)δ^*(0)exp{j(ω_M(τ+T)(τ+T)+φ)}+c.c.

＝δ(0)A(τ+T)cos(ω_M(τ+T)(τ+T)+φ)

                             (平衡式光接收器5c)(10)

I₄(τ)＝A(τ)δ^*(0)exp{j(ω_M(τ+T)(τ+T)+φ+π/2)}+c.c.

＝δ^*(0)A(τ+T)sin(ω_M(τ+T)(τ+T)+φ)

                             (平衡式光接收器5d)(11)

如上所述，为将本具体实施例中光取样系统的时间分辨率提高到最大，时间差T＝L/c设置成与本地产生的光脉冲的脉冲宽度同一个水平或在几倍以内。在这个条件下，信号光的频率ω_M在时间差T内不会变化，从而电流I₃(τ)和I₄(τ)可分别由下面的等式(12)和(13)来表示：

I₃(τ)＝δ^*(0)A(τ+T)cos(ω_M(τ)(τ+T)+φ)

                                   (平衡式光接收器5c)(12)

I₄(τ)＝δ^*(0)A(τ+T)sin(ω_M(τ)(τ+T)+φ)

                                     (平衡式光接收器5d)(13)

上面所计算出的电流I₁(τ)、I₂(τ)、I₃(τ)和I₄(τ)分别是从第一个至第四个平衡式光接收器5a、5b、5c和5d的输出，这四个电流由第一个至第四个低通滤波器10a至10d低通滤波后输出，再由第一个至第四个数值采样单元9a至9d转换成数字值，送入计算处理装置13。

计算处理装置13以等式(5)、(6)、(12)、(13)进行如下的计算，来获得信号光在时间τ的频率ω_M(τ)。

首先，等式(6)被等式(5)除，等式(13)被等式(12)除，从而得到下面的等式(14)和(15)。

I₂(τ)/I₁(τ)＝tan(ω_M(τ)τ+φ)(14)

I₄(τ)/I₃(τ)＝tan(ω_M(τ)(τ+T)+φ)(15)

从而，频率ω_M(τ)可由下面的等式(16)计算。

ω_M(τ)＝{arctan(I₄(τ)/I₃(τ))-arctan(I₂(τ)/I₁(τ))}/T

                                                      (16)

通过在计算处理装置13中对平衡式光接收器5a至5d的输出电流I₁(τ)、I₂(τ)、I₃(τ)和I₄(τ)进行等式(16)所示的计算，就可能得到信号光在时间τ的频率调制。

须注意，当然也可能根据每对平衡式光接收器5的输出电流，例如电流I₁(τ)和I₂(τ)，利用下面的等式(17)，计算出强度调制分量A(t)：

(I₁(τ))²+(I₂(τ))²∝A²(τ)

                             (17)

如上所述，本实施例的光取样系统通过探测干涉效应(即信号光和光脉冲之间的线性相关)实现光取样，从而满足信号光和光脉冲可以有相对低的强度，且接收灵敏度高。同样，光脉冲的脉冲宽度和施加于光脉冲上的迟延量是限制时间分辨率的唯一因素，因而，有可能在保持现有技术已具有的出色的时间分辨率和能量消耗性能的同时，提供一种光取样系统，有可能使本具体实施例中的光取样系统，不仅能监测信号光的强度，而且能监测其频率调制分量。其结果，就可以实现具有广阔应用范围的光取样，例如监测应用在相干光传输中的频率调制或相位调制，或监测在光纤内传播时的相位自调制而产生的频率调制。

需注意，在上述具体实施例中光取样系统的计算处理装置13进行的计算处理，最好用一个程序来实现。

如上所述，根据本发明，要产生周期略为不同于信号光的重复周期、脉冲宽度比信号光的频偏之倒数要短的光脉冲；要将信号光和光脉冲分裂；要将信号光和光脉冲的一个分裂出来的部分输入到第一个光混合器；要将信号光和光脉冲的另一个分裂出来的部分输入到第二个光混合器(其中的一束输入光束要被延迟，而另一束输入光束不被延迟)，要由第一个至第四个平衡式光接收器接收来自第一个和第二个光混合器的输出光以产生第一个至第四个电流输出；要通过对第一个至第四个电流值的计算处理来得到信号光的频率调制分量；这样，就可能通过探测干涉效应(即信号光和光脉冲之间的线性相关)而实现光学取样，从而满足信号光和光脉冲可以有相对低的强度，且接收灵敏度高，时间分辨率和能量消耗性能出色，就有可能不仅监测信号光的强度，而且监测信号光的频率调制分量。

须注意，根据本发明的上述具体实施例中的计算处理装置，对于计算机领域的专家来说，显而易见，可以用一台普通用途的数字计祘机，基于本说明书所披露的内容，编制程序而方便地实现。基于本说明书所披露的内容，熟练的编程人员可以很容易地编写出合适的软件代码。

特别地，上述具体实施例中的计算处理装置可以方便地以软件包的形式实现。

这样的软件包可以是一个计算机程序产品，该产品采用了存储有计算机代码的存储介质，用来给计算机编制程序，使之能实现本发明所披露的功能和计算处理。存储介质可以包括(但并不限于仅仅包括)任何形式的常规的软盘、光盘、CD-ROM、磁化光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、或任何其它适宜储存电子指令的介质。

同样须注意，除了前面已提到的以外，可对上述具体实施例进行多种改进和变异而仍不脱离本发明的新颖、有利的特征。因此，所有的这些改进和变异都应当被包含在权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种监测重复输入的高速信号光的光取样方法，此方法包括以下步骤：

用一个光脉冲发生器产生脉冲宽度比信号光的频偏之倒数要短的光脉冲，光脉冲的周期略为不同于信号光的重复周期；

用各自的分光镜将每个信号光和光脉冲分裂成两个部分；

用延迟单元将信号光或光脉冲的一个分裂出来的部分延迟指定的时间；

将信号光和光脉冲的一个分裂出来的部分输入到第一个光混合器，同时将信号光和光脉冲的另一个分裂出来的部分输入到第二个光混合器；

从第一个光混合器输出相位彼此相差1/4波长的光；

从第二个光混合器输出相位彼此相差1/4波长的光；

用第一个和第二个平衡式光接收器接收来自第一个光混合器的输出光，并输出电流1和电流2；

用第三个和第四个平衡式光接收器中接收来自第二个光混合器的输出光，并输出电流3和电流4；

用各自的第一个至第四个低通滤波器对电流1至4进行波形均衡；

用数字值采样单元将第一个至第四个低通滤波器的输出电流1至4转换成数字值；以及

用一个计算处理装置根据通过数字值采样单元获得的电流1-4的值执行计算处理来得到信号光的频率调制分量。

2.根据权利要求1所述的光取样方法，其特征在于，在得到信号光的频率调制分量这一步骤中，在条件1即信号光的强度在光脉冲的脉冲宽度的时间内几乎不变化、条件2即信号光的频率在光脉冲的光脉冲宽度的时间内几乎不变化、条件3即光脉冲的中心频率与信号光的中心频率几乎相同的条件下，当来自第一个至第四个平衡式光接收器的输出电流1至4是I₁(τ)、I₂(τ)、I₃(τ)和I₄(τ)时，所述计算处理装置进行计算处理，以输出电流1电流I₁(τ)去除输出电流2电流I₂(τ)，以输出电流3电流I₃(τ)去除输出电流4电流I₄(τ)，而信号光的频率调制分量是根据这二个除出来的数值计算出来的。

3.根据权利要求2所述的光取样方法，其特征在于，在得到信号光的频率调制分量这一步骤中，所述计算处理装置利用下面的等式来计算在时间τ时的频率调制分量ω_M(τ)：

ω_M(τ)＝{arctan(I₄(τ)/I₃(τ))-arctan(I₂(τ)/I₁(τ))}/T

其中，T是由延迟单元给出的时间差。

4.一个监测重复输入的高速信号光的光取样系统，该系统包括：

一个光脉冲发生器，用于产生脉冲宽度比信号光频偏之倒数要短的光脉冲，光脉冲的周期略为不同于信号光的重复周期；

数个分光镜，用于将每个信号光和光脉冲分裂成两个部分；

一个延迟单元，用于将信号光或光脉冲的一个分裂出来的部分延迟指定的时间；

一个第一个光混合器，用于输入信号光和光脉冲的一个分裂出来的部分；

一个第二个光混合器，用于输入信号光和光脉冲的另一个分裂出来的部分；

第一个和第二个平衡式光接收器，用于接收来自第一个光混合器的输出光，并输出电流1和电流2；

第三个和第四个平衡式光接收器，用于接收来自第二个光混合器的输出光，并输出电流3和电流4；

第一个至第四个低通滤波器，用于分别对电流1至4低通滤波来进行波形均衡；

数字值采样单元，用于将第一个至第四个低通滤波器输出的电流1至4转换成数字值；以及

一个计算处理装置，通过对由数字值采样单元获得的电流1-4的数字值进行计算处理得到信号光的频率调制分量，

其中，第一个光混合器包括配置来输出相位彼此相差1/4波长的光的光路，并且，第二光混合器包括配置来输出相位彼此相差1/4波长的光的光路。

5.根据权利要求4所述的光取样系统，其特征在于，在条件1即信号光的强度在光脉冲的脉冲宽度的时间内几乎不变化、条件2即信号光的频率在光脉冲的脉冲宽度的时间内几乎不变化、条件3即光脉冲的中心频率与信号光的中心频率几乎相同的条件下，当来自第一个至第四个平衡式光接收器的输出电流1至4是I₁(τ)、I₂(τ)、I₃(τ)和I₄(τ)时，所述计算处理装置进行计算处理，以输出电流1电流I₁(τ)去除输出电流2电流I₂(τ)，以输出电流3电流I₃(τ)去除输出电流4电流I₄(τ)，而信号光的频率调制分量是根据这二个除出来的数值计算出来的。

6.根据权利要求5所述的光取样系统，其特征在于，所述计算处理装置利用下面的等式来计算在时间τ时的频率调制分量ω_M(τ)：

ω_M(τ)＝{arctan(I₄(τ)/I₃(τ))-arctan(I₂(τ)/I₁(τ))}/T

其中，T是由延迟单元给出的时间差。

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