CN103196556A - 基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，其具体实现为：首先由测量与控制单元来驱动扫描激光器，使其输出光的频率在特定波段连续扫描，并使用电控偏振控制器来调节此输出光的偏振态保持不变，随后使其与待测信号光进行拍频因而生成太赫兹波，此太赫兹波经过太赫兹滤波器进行滤波，并与太赫兹光源进行差频得到较低频率信号，使用太赫兹探测器来接收此低频信号，并使用测量与控制单元来采集处理太赫兹探测器输出的电信号；随后改变扫描激光器输出光偏振态再次进行上述测量以消除偏振态的影响并处理两次测量所得电信号从而完整重构出待测信号光频谱，最后将所得结果传输到图形化用户接口单元。

Description

基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪

技术领域

本发明涉及一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，属于高分辨率光学频谱测量分析领域。具体是利用波动光学中双光束拍频技术，通过控制电动偏振控制器使已知频率和振幅的扫描激光器输出光分别处于正交的两偏振态，并依次与待测信号光(SUT)发生相干拍频，所得拍频信号与太赫兹光源输出光进行耦合拍频，由此得到THz探测器(THz-D)能够响应的较低频率的拍频信号，并利用THz-D将光信号转换为电信号，此电信号紧接着在测量与控制单元中进行滤波放大以及傅立叶变换等运算处理，并将处理所得的SUT频谱输出到图形化用户接口单元。

背景技术

基于波动光学理论，光是频率处于几百太赫兹(～10¹⁴Hz频率范围)的电磁波，并遵循波的干涉和衍射等基本现象。波动光学中，当角频率为ω1和ω2的两束光波(ω1≠ω2)在同一光路中传输时，在光路另一端所得到的输出光波中，除了已知的两频率ω1和ω2之外，还存在其他一些差频以及和频的频率，例如频率|ω1-ω2|，ω1+ω2，2×ω1，2×ω2等等，这种现象称之为拍频。上述这些频率，大部分都与光频处于同一量级，都处于目前光电探测器的频率响应范围之外。通常只有频率|ω1-ω2|可能处于高带宽光电探测器的频率响应范围内，这个频率成分称之为光差频。基于光差频基础衍生出了很多的光谱探测技术。

美国专利US7466929提出了包含两级转换单元的超外差光学信号探测系统，其首先使用光学外差来生成中频(IF)信号并在第二转换单元中外差处理所生成中频信号完成光频谱的测量。本发明中，我们提出基于两次正交偏振态和太赫兹技术的偏振不敏感高精度光谱探测技术。扫描激光器发出的光先与被测光拍频，其中处于太赫兹波段范围的光差频信号将用太赫兹技术来探测。太赫兹波定义为频率在0.1THz-10THz(其中1THz＝1×10¹²Hz)范围的电磁波。可以看出太赫兹波的频率比光频率小两到三个数量级。目前光电探测器的最大响应频率约为几十GHz(其中1GHz＝1×10⁹Hz)，小于太赫兹波频率两到三个数量级。为了探测太赫兹波的拍频信号，本发明大量使用商用太赫兹器件，如太赫兹波带通滤波器，以及太赫兹波生成器和太赫兹波耦合器。然而太赫兹探测器是谱线响应波段处于太赫兹频率范围而其频率响应范围却很小的器件，因此处于太赫兹频段的角频率为ω1和ω2的两束光，其自身频率ω1、ω2、以及和频及倍频ω1+ω2、2×ω1、2×ω2处于探测器的谱线响应波段但不是频率响应范围之内。

本发明突出特点是：(1)使用电动偏振控制器来调节扫描激光器输出光的偏振态使得测量结果与偏振态无关。(2)所使用的太赫兹光源与连续可调谐激光器都是连续可调谐的。

发明内容

本发明涉及一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，属于高分辨率光学频谱测量分析领域。具体实现为：首先扫描激光器输出光与待测信号光的拍频来生成太赫兹波，此太赫兹波随后与太赫兹光源的输出光进行差频得到较低频率信号，随后改变扫描激光器输出光偏振态再次进行上述测量并处理两次所得电信号从而完整重构出待测信号光频谱。本发明提出使用间接方法来测量光的频率。其基本原理就是利用拍频法来获得两束光频率的差值，如果其中一束光的频率已知就可以推算出待测光的频率或波长。使用拍频法测光频率时，已知扫描激光器(TLS)的输出功率和波长(或者角频率ω1)，由得到的频率差值|ω1-ω2|，可以得出待测信号光(SUT)的频率ω2＝ω1±|ω1-ω2|。为了确定ω1和ω2的大小，使用波分复用器来耦合待测信号光和扫描激光器输出光，且使得SUT所在频率范围值ω2大于TLS输出光频率范围值ω1。另外在TLS扫描过程中始终保持ω1绝对小于ω2。此时，SUT频率ω2＝ω1+|ω1-ω2|，由此可以根据TLS输出光频率ω1和差频值|ω1-ω2|来唯一确定SUT频率值ω2。在实际测量中，SUT信号并不是由单一频率组成而是有一段频率组分。为了实现扫描过程中不会出现TLS输出光频率ω1大于或者等于ω2的情况，必须保证TLS输出光的扫描频率最大值ω1_max绝对小于SUT信号光的最小频率值ω2_min，为满足要求，需要|ω2_min-ω1_max|≥10纳米。在1550nm波长附近，10nm波长变化相应于1.25THz频率变化，此频率处于太赫兹波频段。实际操作过程中，当前发生拍频作用的SUT信号光频率组份ω2_now比当前TLS输出光频率ω1_now要大40nm——60nm，即在1550nm波长附近，频率差值大约为5THz——8THz。通过使用太赫兹带通滤波器可以得到想要的两相互作用光束的差频信号|ωl_now-ω2_now|并滤除其他频率光信号，例如TLS输出光，SUT信号光。经滤波得到的差频信号|ω1-ω2|_filter与太赫兹光源产生的输出光信号(其频率为ω3)在太赫兹耦合器中混频，由上述拍频原理，太赫兹耦合器输出端的信号中含有以下频率组份：ω3，|ω1-ω2|_filter，|ω3-|ω1-ω2|_filter|，2×ω3，以及2×|ω1-ω2|_filter等。上述耦合器的输出端与THz探测器(THz-D)相连接。由上述原理可知，只有太赫兹波的差频|ω3-|ω1-ω2|_filter|处于THz探测器的频率响应范围。而其它频率都处于太赫兹频段，最终在THz探测器的输出电信号中只存在太赫兹波差频项|ω3-|ω1-ω2|_filter|的频域信息。其它频率在THz探测器的光敏面上将形成恒定光强并在输出端形成直流电压输出。综上所述，THz探测器的输出电压为带有偏置的时域变化信号。

另外，上述太赫兹光源的频率ω3不是固定不变的，而是连续调谐的。通过在特定频率范围内连续扫描太赫兹光源的频率，使得上述THz探测器能够响应差频|ω3-|ω1-ω2|_filter|。

当通过上述光束拍频技术以及太赫兹差频技术得到的待测信号光(SUT)的频率分布后，还需要知道相应频率值处所对应的功率值，由此即可重构出SUT的频谱图。下面说明的是本发明中确定各频率值处对应功率值的原理及实现。

在波动光学中，我们知道光依据偏振态的不同，可以分为自然光(完全非偏振)，部分偏振光和偏振光(完全偏振)三种类型。而双光束拍频技术属于频差干涉领域。因此双光束拍频也需要满足干涉原理。光束干涉三原则之一：存在相互平行的偏振分量。自然光和部分偏振光与任意类型的偏振光都存在相互平行的偏振分量，因此我们连续在相互正交的两偏振态条件下分别进行同一待测信号测量，然后将两次测量所得的信号进行运算处理分别得到各自的待测信号分量。最后将两次测得的待测信号进行矢量合成等操作，进而得到最终真实的待测信号频谱分布图。另外，对于偏振光来说，特别是线偏振光，如果没有采用两次相互正交的TLS输出光进行扫描，有可能出现待测的线偏振光的偏振态与TLS输出光的偏振态相互正交，因而没有相互平行的偏振分量存在，此时频差干涉不能发生，光束拍频技术失去作用。如在图4中所示的情况，其中矢量T1，S1和S2分别为笛卡尔坐标系中三线偏振光的场强偏振方向。T1代表TLS输出光的偏振方向，而S1和S2分别代表待测信号光两种可能的偏振方向，且T1与S1之间的夹角(θ2)为90度，彼此正交；然而T1与S2之间的夹角(θ1)为55度。由于T1与S1之间没有相互平行的偏振分量，因此其不会发生频差干涉进而不能发生光束拍频；但是，T1和S2之间存在相互平行偏振分量，因此可以发生光束拍频。本发明除了上述说明的双光束拍频技术测量频率的创新之外还创新在使用电控偏振控制器来改变TLS输出光的偏振态，由此可以对任何偏振光进行探测。已知任何偏振光都可以分解为相互正交的两偏振态的矢量合成，所以使用上述创新就可以避免在单次测量中无相互平行偏振分量存在的可能性进而对任意偏振态的SUT都能准确测量；此外也是最重要的是，上述调节偏振态的方法也使得对于偏振SUT光的测量更加精确。因为在单次测量中，如果TLS输出光的偏振态不是和SUT光的偏振态完全一致(即偏振态相互平行)的话，对此SUT光功率的测量将偏小而不准确。而使用本发明中方法会消除此情况，进而得到准确的偏振SUT光的功率值分布情况。而此消除偏振态对测量功率准确度，甚至是精度影响的方法就是偏振不敏感技术。

在测量过程中，使用脉冲信号的上升沿来触发TLS扫描过程，太赫兹光源扫描过程和太赫兹探测器的输出电信号的数据采集过程使其保持同步。经过严格同步触发后的所得到的频率值和功率值，经过后续软件程序运算处理后可得到其对应关系，进而将频率值与对应的功率值联系起来就可以重构出SUT光的频谱图。

本发明所述光谱分析仪的分辨率由TLS输出光的线宽以及太赫兹光源输出光的线宽所共同决定。目前，TLS输出光的线宽可以达到几百kHz，而太赫兹光源输出光的线宽也处于1MHz甚至更小。在1550nm波长附近，1MHz的频域线宽相应于8fm(8×10^-15m)波长线宽，即上述光谱分析仪可以达到fm量级的分辨率。此光谱分辨率相对于目前市面上的pm量级(1pm＝1×10^-12m)的分辨率来说要高三个数量级。而且由于使用电控偏振控制器来调节TLS输出光偏振态并在两相互正交偏振态测量SUT信号光并最后进行矢量合成而得到完整的SUT频谱分布图使得光谱分析仪的功率测量更准确且不受待测光偏振态的影响。

综上所述，本发明所述的基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪不仅可以精确测量任何偏振态待测信号光的频谱，而且拥有超高的频谱分辨率，具有很好的应用前景。

附图说明

图1显示了与本发明的实施方案相一致的基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪的系统框图。

图2显示了与本发明的实施方案相一致的图1中的测量与控制单元(18)的分离式功能组合模块详细框图。

图3显示了与本发明的实施方案相一致的图1中的图形化用户接口单元(19)的分离式功能模块详细框图。

图4显示了在笛卡尔坐标系中与矢量T1正交的矢量S1以及相交的矢量S2所代表光波之间偏振态分布情况。

具体实施方式

本发明是关于一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，与此光谱分析仪相关的具体实施方案将在下面部分中讨论，但是需要了解的是，本专利并不局限于这些与本发明相关的具体实施方案。而是相反，本发明趋向于包含所有可选的，修改的以及等价的实施方案，而且这些实施方案应该被包含在权利要求书中所声明的发明特征和范围之中。

如图1所示，本发明为一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪。其包括：连续可调谐激光器(10，TLS)，电控偏振控制器(12，EC-PC)，光纤波分复用器(13)，太赫兹带通滤波器(14，THz-BPF)，太赫兹光源(15)，太赫兹耦合器(16)，THz探测器(17，THz-D)，测量与控制单元(18)，图形化用户接口单元(19)以及在测量与控制单元中所执行的控制及运算处理软件。另外，来自外部的待测信号(11，SUT)是光谱分析仪需要分析的对象，不属于此光谱分析仪的任何部分。

在执行光学频谱分析之前，用户可以通过图形化用户接口单元(19)来设定测量参数或者在执行测量分析时由分析仪通过执行内部程序软件来寻找合适的测量参数。分析仪的测量与控制单元(18)基于当前的用户设定以及内部程序软件流程，设置连续可调谐激光器(10)的扫描起始和终止波长(或者频率)，并设定其扫描速率；其次，设置电控偏振控制器(12)的偏振态；最后，设置THz光源的扫描起始和终止频率(或者波长)以及扫描速率和扫描模式参数。同时，设置数据采集速率和采集位数等参数。在开始执行频谱分析时，测量与控制单元(18)也需要严格同步连续可调谐激光器扫描过程，太赫兹光源扫描过程以及数据采集过程三者，通过使用同一时钟脉冲信号的上升沿来触发上述三过程的执行，并在其之间建立起确定的逻辑联系。基于此确定关系可以分析出所得的功率数据和频率数据的对应关系，最后，依据此对应关系所描绘出的待测信号的频谱分布图就是最终的测量结果。

在上述设定参数和同步触发之后，来自于TLS的输出光，经过电控偏振控制器后输出了确定偏振态和波长以及功率的连续变化的窄线宽激光，此输出激光与来自于外部的SUT光通过光纤波分复用器(13)相混频；混频后的光信号经过太赫兹带通滤波器(14)的滤波处理，滤除了TLS输出光，SUT光，上述两光束的倍频及和频光，以及部分频率落在上述滤波器(14)的通带之外的拍频信号光，最终只有频率处于上述滤波器(14)的通带之内的拍频信号光通过滤波器进入后续设备。在之后的太赫兹耦合器(16)中，太赫兹光源(15)产生的太赫兹信号与上述滤波器(14)所滤出的信号相混频，其混频输出光被太赫兹探测器(17)所接收并转换为相应电信号作为后一级测量与控制单元(18)的输入信号。测量与控制单元(18)采集并存储此电信号，在一次扫描过程完成后，其通过设置电控偏振控制器(12)将TLS的输出光的偏振态在经过电控偏振控制器(12)后相对于刚完成的扫描过程的输出光偏振态旋转90度角，然后使用所有其它参数与上次扫描过程相同的参数再次进行扫描操作并采集存储所得到的电信号。然后，测量与控制单元(18)将两次测量所得到的电信号分别进行滤波，放大及FFT变换等运算操作，并基于触发同步所确定的对应关系重构出相应偏振态的SUT信号的频谱分布，上述两频谱分布基于正交矢量合成原理最终重构出SUT信号的频域分布情况。最后将此频谱分布图输出到GUI单元(19)中，并显示给操作用户。

在上述实施方案中，GUI单元并不是单一功能模块，其中包含了图2中所示的组成功能模块单元。在图2中，显示单元(21)是液晶显示屏，其用于显示最终所重构的SUT信号的光学频谱图，及其参数特征；另外，也显示光谱分析仪所设定的执行参数等。而输入单元(22)主要是机械按键以及旋钮等参数输入工具；最后微处理器单元(20)用于识别简单的输入按键操作或者控制液晶显示屏的亮度，线条颜色等参数，其主要目的是为了减少测量与控制单元(18)对输入和显示单元的直接控制以减小其处理运算工作量。但是，需要强调的是，微处理器单元(20)是可选的，并不是必需的。

在图1中的实施方案中，测量与控制单元(18)也不是独立模块单元，而是由分离功能模块单元所组成，如在图3中所示。在图3中，信号采集与预处理单元(30)使用Verilog硬件描述语言开发的xilinx公司的Virtex-6系列FPGA芯片，执行高速数据采集和所采集信号的快速滤波放大以及简单运算变换的操作。中央控制单元(31)是基于ARM公司的cortex-A9内核的32位微处理器，其负责整个分析仪系统的控制设置及调度操作，是系统的核心。数字信号处理单元(32)是TI公司的TMS320C674X系列DSP芯片，其主要执行采集信号的FFT变换等信号处理运算操作并执行信号的矢量合成重构操作，是系统中主要的运算处理单元。

Claims (10)

1.一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，属于高分辨率光学频谱测量分析领域。具体包括：连续可调谐激光器(TLS)，电控偏振控制器(EC-PC)，光纤波分复用器，太赫兹带通滤波器(THz-BPF)，太赫兹光源，太赫兹耦合器，太赫兹探测器(THz-D)，测量与控制单元，图形化用户接口单元以及在测量与控制单元中所执行的控制及运算处理软件；其中，测量与控制单元由信号采集与预处理单元，中心控制单元以及数字信号处理单元三部分功能模块组成，而且图形化用户接口单元由显示单元，输入单元和可选的微处理器三部分功能模块组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，其特征在于：所使用的连续可调谐激光器(TLS)在测量与控制单元的控制下其扫描波长范围以及扫描速率等参数都可调，并且在设定的波长范围内波长连续变化；另外，TLS输出光路使用熊猫型保偏光纤，所以此激光器的输出光是偏振光。

3.根据权利要求1所述的，一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，其特征在于：使用由测量与控制单元所控制的电控偏振控制器(EC-PC)来调节来自于权利要求2中所述的激光器的输入光偏振态以得到所需偏振态的输出光；随后，来自外部的待测信号光(SUT)与其在光纤波分复用器中相混频。光纤波分复用器的作用是混合不同波长的输入光。

4.根据权利要求1所述的，一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，其特征在于：从权利要求3所述的光纤波分复用器的输出端所输出的光信号经过太赫兹带通滤波器后滤除TLS输出光，SUT光，上述两光束的倍频光以及和频光，以及频率落在上述滤波器的通带之外部分的拍频信号光，因而只有频率处于上述滤波器的通带之内光通过太赫兹带通滤波器并输出。

5.根据权利要求1所述的，一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，其特征在于：太赫兹光源是连续可调谐的，在测量与控制单元的控制下使太赫兹光源输出光的频率在特定频率范围内连续扫描；并使用太赫兹耦合器来耦合太赫兹光源及权利要求4中太赫兹带通滤波器的输出光，并输出耦合混频后的光束。

6.根据权利要求1所述的，一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，其特征在于：THz探测器用于探测从权利要求5所述的太赫兹耦合器输出的太赫兹光信号。THz探测器能响应THz频段的频率，并在探测器输出端输出与输入THz光信号强度成比例关系的电信号，而且能响应输入THz光信号强度的低频变化特性。

7.根据权利要求1所述的，一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，其特征在于：测量与控制单元为整个光谱分析仪系统的核心单元，并且由负责相应功能的多个专用功能模块组成。测量与控制单元负责对输入信号进行采集，滤波，放大，FFT变换和频谱特性重构等运算处理操作；另外，执行对权利要求2所述的连续可调谐激光器(TLS)，对权利要求3所述的电控偏振控制器(EC-PC)以及对权利要求5所述的太赫兹光源等的连续调节控制和参数设定等任务。

8.根据权利要求1所述的，一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，其特征在于：测量与控制单元由信号采集与预处理单元，中心控制单元和数字信号处理单元等三部分功能模块组成。三功能模块分别负责相应功能的控制与运算处理过程，并两两互联以确保三模块之间的高速数据传输和通讯：

所述的信号采集与预处理单元使用Xilinx公司的Virtex-6系列FPGA芯片来实现。此模块可以实现对输入电信号的高速采集以及简单的滤波和放大运算等功能；

所述的数字信号处理单元使用TI公司的TMS320C674X系列DSP芯片来实现。此模块用于执行信号采集与预处理单元所输出信号的复杂滤波，放大以及FFT变换等操作，以及重构来自外部的待测信号的频谱图；

所述的中心控制单元使用基于ARM公司的cortex-A9内核的32位微处理器来实现。此模块负责控制信号以及设置参数等的调度和处理，并调度数据信号采集与预处理单元和数字信号处理单元之间的传输，以及执行与权利要求9所述的图像化用户接口单元之间的数据交换等操作。

9.根据权利要求1所述的，一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，其特征在于：图形化用户接口单元用于与用户进行图形化交互，由负责用户设定参数和执行测量的输入模块，负责显示测量结果和所设定参数信息的显示模块以及调度管理输入模块和输出模块的微控制器单元三部分功能模块所组成：

所述的输入模块由电子开关以及旋钮等控件所组成，用于执行用户输入的参数设定操作；

所述的显示模块由彩色液晶显示屏组成，用于将测量与控制单元所得到的结果以及输入模块所设定的参数信息显示并提供给分析仪用户；

所述的微控制器单元使用Atmel公司的8位AVR系列单片机ATmega16芯片来实现，且使用C语言实现此芯片的编程开发。此单元用于实现对输入模块操作的读取识别以及对显示模块的亮度和色彩参数的控制设定。

10.根据权利要求1所述的，一种基于光纤中双光束拍频技术的偏振不敏感光谱分析仪，其特征在于：在权利要求8所述的测量与控制单元中所执行的控制及运算处理软件分布在三功能模块之中，且各模块使用相应不同的编程开发语言来实现，FPGA芯片使用Verilog语言来编程开发，DSP芯片使用C/C++语言来编程实现而且ARM微处理器使用C语言来编程实现。

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