CN103674482A - 利用分段光谱拼接技术实现对无源光器件测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种利用分段光谱拼接技术实现对无源光器件测量的装置及方法，所述装置包括OFDM信号发射模块、待测器件(DUT)、检测模块和显示模块，其中，OFDM发射模块用于产生OFDM信号，OFDM信号发射模块产生的OFDM发射信号通过待测器件DUT进行测量，将测量结果送入检测模块进行相应处理得到待测参数后，通过显示模块显示测试结果；待测器件DUT是具有精细结构的器件；检测模块是用来完成待测器件参数的处理；显示模块用于将所测得的结果显示输出。本发明实现高精度超大动态范围测量，进一步提高对无源光器件的测量范围、测量精度和测量速度。

Description

利用分段光谱拼接技术实现对无源光器件测量的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种提高对无源光器件的测量范围、测量精度和测量速度的装置及方法，其是一种利用分段光谱拼接技术实现超大动态范围的测量装置及方法，其适用于光通信、生物医学工程以及光纤传感等等领域中。 

背景技术

在光通信、生物医学工程以及光纤传感等等领域中，无源光器件是重要组成器件之一。为了获得良好的系统性能，无源光器件的性能至关重要，这也就需要对其性能进行详细了解。为了精确地了解无源光器件的作用特性，需要对其内部精细结构进行测量，因而测量方法就起着至关重要的作用。普遍使用的方法主要有基于光谱仪或激光扫描系统的测量方法，但它们只能得到无源光器件的幅度响应。另外，为了防止外界扰动的影响，波长域的无源光器件精细结构(频率响应)测量除了要求高精度以外，还需要具有较快的测量速度。 

目前，普通商业化使用的光谱仪分辨率只有0.02nm，不能满足精细结构测量所要求的分辨率。除此之外，使用光谱仪或激光扫描系统方法进行测量时，因每次扫描速度较慢且扫描次数较多导致整体(过程)扫描速度变慢，也即限制了对整个器件的测量速度。最近，为了提高测量的精度和灵敏度，人们采用了光频域反射计(OFDR)的方法。虽然现有的商业OFDR的分辨率可达1pm，但是这种OFDR技术对可调激光源的要求比较高，并且这种可调光源实现起来具有一定困难，不具有大量实用的可行性。另外，最新报道的一种使用正交频分复用(OFDM)信号和相干接收技术实现的高精度光谱分析技术，其分辨率高达0.732MHz(大约0.006pm)，但其只给出了具体性能，没有公开具体实施方案，且测量范围有限，只能测量有限的10GHz范围。 

发明内容

针对上述问题，本发明提出了实现高精度超大动态范围测量的装置和方法，即利用分段光谱拼接技术实现超大动态范围的测量装置及方法。为了进一步提高对无源光器件的测量范围、测量精度和测量速度，本专利提出了利用分段光谱拼接技术结合相干OFDM信号处理的技术的实施方案；本专利所阐述的方法虽然也是基于OFDM信号和相干接收技术，但可以实现超高精度(频率响应)和超大范围的光谱分析、对无源光器件结构的动态测量以及可以同时获得器件的幅值响应和相位响应，为光通信、光纤传感、生物化学等等学科领域提供一种全新 的无源光器件精细结构测量方法。利用本专利提出的方法可以实现测量分辨率高达0.732MHz(大约0.006pm)，动态测量范围可覆盖整个C波段，同时具有很快的测量速度。 

依据本发明的第一方面，提供一种利用分段光谱拼接技术实现对无源光器件测量的装置，所述装置包括OFDM信号发射模块、待测器件(DUT)、检测模块和显示模块，其中，OFDM发射模块用于产生OFDM信号，OFDM信号发射模块产生的OFDM发射信号通过待测器件DUT进行测量，将测量结果送入检测模块进行相应处理得到待测参数后，通过显示模块显示测试结果；待测器件DUT是具有精细频率响应的器件；检测模块是用来完成待测器件参数的处理；显示模块用于将所测得的结果显示输出。 

优选地，OFDM信号发射模块由OFDM电信号产生器模块、光调制器和可调谐激光源模块构成。 

优选地，OFDM信号发射模块由OFDM电信号产生器模块、光调制器和光频梳模块构成。其中，检测模块为相干检测模块。 

此外，光频梳模块包括射频信号源、RF信号源处理模块、光调制器、光放大器模块、可编程光处理模块和连续激光源，其中由作为射频信号源的射频RF振荡源产生射频信号，产生的射频信号经过RF信号源处理模块后，驱动光调制器将产生的射频信号信息调制到连续激光源上，再经过光放大器模块进入可编程光处理模块，产生高质量的光频梳输出。 

依据本发明的第二方面，提供一种利用分段光谱拼接技术实现对无源光器件测量的方法，其包括以下步骤： 

第一步，初始化可调激光器的参数，并寻找确定待测器件的频率或波长扫描范围； 

第二步，设定扫描起始位置，调节可调激光器的输出波长至预定初始扫描位置； 

第三步，调节输入检测模块信号的偏振态，使其达到最优偏振态； 

第四步，采集数据(探测到的电信号)，离线处理(恢复电信号的幅度和相位信息)； 

第五步，调节可调激光器的波长至下一个相邻值波长，重复第三步和第四步； 

第六步，重复第二步至第五步，直至待测器件扫描完成； 

第七步，找出相邻两次扫描重叠区的波长相关值，按波长顺序拼接，完成光谱拼接。 

使用本发明的利用分段光谱拼接技术实现超大动态范围的测量技术，相比较于现有技术，解决了现有技术的测量精度低的问题，也可以解决现有技术测量范围受限制的问题，进一步解决了现有技术测量结果的单一性问题。并且在本发明的利用分段光谱拼接技术实现超大动态范围的测量技术中，首次在本发明将光谱拼接技术首次引入到无源光器件测量中，具有测量无源光器件超大动态范围的能力；可以同时获得幅值响应和相位响应等技术优势；以及本发明采用光OFDM信号取代单束激光，一次性完成多个频点的扫描，能够快速得到测量数据， 从而提高了测量速度；本发明通过采用多电子载波OFDM信号，能够大大提高测量精度。 

附图说明

图1是OFDM光信号频谱图； 

图2是光谱拼接技术方案示意图； 

图3是依据本发明技术方案的利用分段光谱拼接技术实现超大动态范围的测量装置示意图； 

图4是OFDM信号发射模块实现原理图； 

图5是依据本发明技术方案的基于可调谐激光源模块的测量装置示意图； 

图6是依据本发明技术方案的基于光频梳模块的测量装置示意图。 

图7是图6中光频梳的实现结构示意图。 

具体实施方式

以下结合附图来详细说明本发明的利用分段光谱拼接技术实现超大动态范围的测量装置及方法，下面仅仅作为示例来说明，本领域技术人员清楚地知晓，只要符合本发明思想的方法及系统均落入本发明之中；另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至利用分段光谱拼接技术实现超大动态范围的测量装置及方法的具体结构或部件的具体参数。 

本发明方案基于光谱拼接技术结合OFDM信号估计方法来实现对无源光器件精细结构的高精度、超大动态范围及快速的测量。通过采用波长可调谐激光器来进行分段拼接，可以实现超大范围动态测量；利用OFDM信号来进行处理可以获得很高的测量精度和测量速度，因而使得这套装置可以达到超高精度和超大测量范围，而且简单灵活。 

OFDM信号是一种含有多个子载波的宽带信号，如图1所示。图中给出了一个含有5个电子载波的光OFDM信号，其中心光载波的频率为f₀，子载波间的带宽即频点间隔固定为B_OFDM。当无源光器件的需要测量的频率响应范围较窄时，为了提高测量速度，则可以通过一次扫描的频率范围来实现，即增加OFDM信号子载波的个数——相应地增加了光OFDM信号的带宽；而通过调节子载波的带宽，可调节频点间隔，可以实现提高测量精度。 

由于一次扫频所能测量的带宽范围有限，故采用光谱拼接技术来拓展测量范围，其实现原理如图2所示。通过调节激光器的中心波长(即调节光载波中心频率从f₀至f₁，…，f_n)，可以精确地测量出每个中心波长所对应的OFDM信号带宽范围内的频率响应，并将这些测量结果存储起来。由于无源光器件对每个光载波所携带的OFDM信号的频率响应即精细结构都可以被精确地测量，故通过把各次测量的结果拼接起来，就可得到待测器件的超大动态范围内的精细结构。为了避免扫描范围覆盖，OFDM信号一次扫频的带宽可与可调激光器的调谐步长一 致。不过为了使得拼接更加准确，OFDM信号每次扫频的带宽都比可调激光器的步长大，这样每次得到的扫描结果都与上次有一定的扫描覆盖，通过计算相邻两次测量结果重叠范围的相关值来实现更精确地拼接。 

基于光谱拼接技术结合OFDM信号估计方法来实现对无源光器件精细结构测量的步骤如下： 

第一步，初始化可调激光器的参数，并寻找确定待测器件的频率或波长扫描范围； 

第二步，设定扫描起始位置，调节可调激光器的输出波长至预定初始扫描位置； 

第三步，调节输入检测模块信号的偏振态，使其达到最优偏振态； 

第四步，采集数据(探测到的电信号)，离线处理(恢复电信号的幅度和相位信息)； 

第五步，调节可调激光器的波长至下一个相邻值波长，重复第三步和第四步； 

第六步，重复第二步至第五步，直至待测器件扫描完成； 

第七步，找出相邻两次扫描重叠区的波长相关值，按波长顺序拼接，完成光谱拼接。 

更具体地，下面给出该方法和装置的结构图及具体步骤，如图3所示。图中，由OFDM信号发射模块产生的OFDM发射信号通过待测器件DUT进行测量，将测量结果送入检测模块进行相应处理得到待测参数后，通过显示模块显示测试结果。其中，OFDM发射模块用于产生OFDM信号；待测器件DUT是具有精细结构的器件；检测模块是用来完成待测器件参数的处理；显示模块用于将所测得的结果显示输出。OFDM发射模块实现框图如图4所示，包括OFDM电信号产生模块、调制光源和光调制器等三部分。OFDM电信号产生模块的功能是将自动生成的一组伪随机序列码经过串并转换、调制映射、快速逆傅里叶变换后，加上循环前缀，再经过并串转换后，输入任意波形发生器(AWG)从而形成OFDM电信号。光调制器用来将产生的OFDM电信号调制在调制光源上，从而产生OFDM发射信号。 

在下面给出更具体的利用分段光谱拼接技术实现超大动态范围的测量技术。 

实施例一(基于可调谐激光源模块的测量装置)： 

在实施例一中，OFDM信号发射模块由OFDM电信号产生模块、光调制器和可调谐激光源模块构成。OFDM电信号产生模块用来产生测量用的OFDM电信号；光调制器用来将OFDM电信号调制在可调谐激光源模块产生的激光源上；而可调谐激光源模块用来产生多个波长间隔固定的激光，以实现大动态范围内的测量。 

实施例一给出了基于可调谐激光源模块测量的装置。在该装置中，OFDM信号发射模块实现原理如图4所示。OFDM电信号产生模块的功能是将自动生成的一组伪随机序列码经过串并转换、调制映射、快速逆傅里叶变换后，加上循环前缀，再经过并串转换后，输入任意波形发生器(AWG)从而形成OFDM电信号。光调制器用来将产生的OFDM电信号调制在可调谐激光上，产 生的发射信号作为信号源。然后调节窄线宽激光器的中心波长，利用不同波长测量不同频率范围的响应，最后使用光谱拼接技术来实现对无源光器件性能的精细结构(频率响应)测量，如图5所示。由OFDM信号发射模块产生OFDM信号通过待测器件DUT测得相应响应，测量结果被送入检测模块进行相应处理得到待测结构后，通过显示模块显示。其中，待测DUT就是具有精细结构的器件(就是具有精细频率响应的部件)；检测模块是指完成待测参数测量的装置，用来获得具有精细结构的器件的强度响应和相位响应特性，其实现过程即用接收到的信号除以发送的信号，得到一个响应曲线，这个响应曲线可以反映待测器件的结构。当采用的检测方案不同时，其用来获得器件特性的算法将有所不同；显示模块用于将所测得的结果，包括强度响应和相位响应特性显示给使用者。 

实施例二：(基于光频梳的测量) 

在实施例二中，OFDM信号发射模块由OFDM电信号产生器模块、光调制器和光频梳模块构成；在该装置中，OFDM信号发射模块与实例一不同之处主要在于使用的多波长光源不同。实施例二是基于光频梳利用分段光谱拼接技术实现超大动态范围的测量技术。在实施例中，实现超大动态范围测量的光源是一个高质量的光频梳，它的功能和可调谐激光器模块一样，但具有更好的频率稳定性。 

光频梳模块的实现结构如图7所示，包括射频信号源、RF信号源处理模块、光调制器、光放大器模块、可编程光处理模块和连续激光源几个部分。由射频RF振荡源作为信号源产生频率为f的射频信号，经过RF信号源处理模块后，驱动光调制器将其信息调制到连续激光源上，再经过光放大器模块进入可编程光处理模块，产生高质量的光频梳输出。RF信号源处理模块是实现对RF信号的放大、增益调节、移相等预处理；光放大器模块的实现方法比较多，如掺铒光纤放大器、拉曼放大器、布里渊放大器等对输出光频梳进行放大处理；可编程光处理模块用来对光频梳的输出质量包括输出光频梳载波数目、载波光信噪比和载波平坦度等进行处理，以获得载波数目多、载波光信噪比高和平坦度好的频梳输出。 

如图5所示，给出了实施例二的实现装置结构图及具体步骤。图6中，由OFDM电信号产生模块产生的OFDM电信号经光调制器调制在光频梳模块输出的多个激光载波后，即由OFDM电信号产生器产生的OFDM电信号经调制器调制在光频梳的每个光载波上后，通过待测器件DUT，由相干检测模块进行待测器件的测量；由光频梳模块产生的激光作为调制器的输入光源，同时也是相干检测模块的本振信号。本振信号也可选择在检测模块中使用独立的本振光源；最后由相干检测模块对信号进行处理，得到测量精细谱结构；得到的测量结果可以由显示模块进行显示。其中OFDM电信号产生模块用于生成电的OFDM信号；光调制器的作用是将电的OFDM信 号调制成光OFDM信号；这部分整体(包括OFDM电信号产生器模块、光调制器和光频梳模块)构成OFDM信号发射器模块；相干检测模块，用来实现对光载波所携带的信息进行检测和处理，具有测量结果准确，精度高和速度快的特点；送入检测模块进行相应处理得到待测结构的结果后，通过显示模块显示。 

有益效果 

使用本发明的利用分段光谱拼接技术实现超大动态范围的测量技术，相比较于现有技术，解决了现有技术的测量精度低的问题，也可以解决现有技术测量范围受限制的问题，进一步解决了现有技术测量结果的单一性问题。 

此外，在本发明的利用分段光谱拼接技术实现超大动态范围的测量技术中，具有以下有益效果和技术突破： 

●首次在本发明将光谱拼接技术首次引入到无源光器件测量中，具有测量无源光器件超大动态范围的能力； 

●本发明可以同时获得幅值响应和相位响应； 

●本发明采用光OFDM信号取代单束激光，一次性完成多个频点的扫描，能够快速得到测量数据，从而提高了测量速度； 

●本发明通过采用多电子载波OFDM信号，能够大大提高测量精度； 

●本发明采用相干处理算法，测量结果准确，并且灵敏度很高； 

●本方案利用LabVIEW进行等效实时处理，使用户使用更方便； 

●本方案可以利用FPGA/DSP/ASIC等处理器来实现数据的实时处理使系统能够进行实时处理，为本专利推广到商业市场提供了更有力的保障； 

●本发明可以利用matlab/C/C++等软件进行离线测量，可根据需要选择合适的算法，测量精度可调，具有很大的测量灵活性； 

●本发明实现简单，探头可以多样化，易于实现。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。 

Claims (6)

1.一种利用分段光谱拼接技术实现对无源光器件测量的装置，所述装置包括OFDM信号发射模块、待测器件(DUT)、检测模块和显示模块，

其中，OFDM发射模块用于产生OFDM信号，OFDM信号发射模块产生的OFDM发射信号通过待测器件DUT进行测量，将测量结果送入检测模块进行相应处理得到待测参数后，通过显示模块显示测试结果；待测器件DUT是具有精细频率响应的器件；检测模块是用来完成待测器件参数的处理；显示模块用于将所测得的结果显示输出。

2.根据权利要求1所述的利用分段光谱拼接技术实现对无源光器件测量的装置，其特征在于：OFDM信号发射模块由OFDM电信号产生器模块、光调制器和可调谐激光源模块构成。

3.根据权利要求1所述的利用分段光谱拼接技术实现对无源光器件测量的装置，其特征在于：OFDM信号发射模块由OFDM电信号产生器模块、光调制器和光频梳模块构成。

4.根据权利要求3所述的利用分段光谱拼接技术实现对无源光器件测量的装置，其特征在于：检测模块为相干检测模块。

5.根据权利要求3所述的利用分段光谱拼接技术实现对无源光器件测量的装置，其特征在于，光频梳模块包括射频信号源、RF信号源处理模块、光调制器、光放大器模块、可编程光处理模块和连续激光源，其中由作为射频信号源的射频RF振荡源产生射频信号，产生的射频信号经过RF信号源处理模块后，驱动光调制器将产生的射频信号信息调制到连续激光源上，再经过光放大器模块进入可编程光处理模块，产生高质量的光频梳输出。

6.一种利用分段光谱拼接技术实现对无源光器件测量的方法，其包括以下步骤：

第一步，初始化可调激光器的参数，并寻找确定待测器件的频率或波长扫描范围；

第二步，设定扫描起始位置，调节可调激光器的输出波长至预定初始扫描位置；

第三步，调节输入检测模块信号的偏振态，使其达到最优偏振态；

第四步，采集探测到的电信号数据，做恢复电信号的幅度和相位信息的离线处理；

第五步，调节可调激光器的波长至下一个相邻值波长，重复第三步和第四步；

第六步，重复第二步至第五步，直至待测器件扫描完成；

第七步，找出相邻两次扫描重叠区的波长相关值，按波长顺序拼接，完成光谱拼接。

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