CN105187131B - 一种基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统，包括高非线性光纤、可调谐光滤波器、光谱仪、90°混频器、四个光电平衡探测器、模数转换单元和信号处理单元；飞秒脉冲光经过高非线性光纤后获取覆盖C波段、光谱平坦、具有相干性的超连续谱；通过可调谐光滤波器对该超连续谱进行滤波，获取到中心波长和光谱宽度可调的脉冲光，将其作为本地采样脉冲，与待测光信号在90°混频器中发生偏振相干混频；将相干混频后的光信号通过光电平衡探测器转化为模拟低速电信号；模数转换单元将该电信号转换成数字信号，由信号处理单元处理，获得待测光信号的眼图和星座图。由于本检测系统的本地采样脉冲光可调，因此可实现对不同速率和波长的待测光信号的相干检测。

Description

一种基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统及方法

技术领域

本发明属于全光相干采样技术领域，更具体地，涉及一种基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统及方法。

背景技术

相干光采样能够完整采集待测光信号的幅度、偏振、相位等信息，最大限度的保留信号的全场信息，能够有效的对先进调制码型的高速光信号进行检测；相干光采样技术对未来高速光通信网络的发展具有重要意义；

相干光采样技术是利用一个本地超短脉冲光与待测高速信号光进行相干混频，要求本地采样脉冲的光谱能够覆盖待测光信号的光谱；相干光采样要实现对不同波长甚至是多波长待测光信号的采集，其采样脉冲光的中心波长必须在C波段连续可调，且光谱范围能够覆盖待测光信号的光谱。

现有技术中，相干光检测系统中使用的地采样光脉冲通常采用以下几种方案：

(1)用主动锁模脉冲激光器产生的超短脉冲光作为相干光采样中的本地采样脉冲光；

(2)被动锁模脉冲激光器产生的超短脉冲光作为相干光采样中的本地采样脉冲光；

方案(1)中主动锁模激光器产生采样光脉冲脉宽较宽，光谱范围窄，中心波长不易调谐，需要外界输入高频微波信号，并且需要稳定激光腔，否则在相干光采样中会导致采样不均匀甚至无法进行光采样；方案(2)中被动锁模激光器能够自启动产生超窄采样光脉冲，而且该脉冲光的中心波长和峰值功率都比较稳定，目前已经应用于全光检测系统；

但是，方案(1)和方案(2)中的本地采样脉冲光中心波长与光谱宽度是确定且不可调谐，即其光谱是唯一的，只能对光谱范围在脉冲光光谱范围之内的光信号进行相干光采样，对待测光信号的速率也有一定的限制，这限制了相干光检测系统的应用范围；同时激光器本身波长漂移将导致无法与待测光信号波长对准，导致相干光采样性能下降，给后续的数字信号处理(DSP)带来很大的压力；不仅如此，在多波长通信系统中，需要多个不同中心波长、光谱落在C波段不同位置的脉冲激光器来对各个波长的信号光进行相干光采样，造成了系统成本急剧上升。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统，其目的在于将超连续谱光源进行可调谐滤波，获取中心波长可调、频谱宽度和范围可调的时域光脉冲，用于相干光检测系统中作为本地采样脉冲对待测光信号进行采样，由此扩展了相干光采样的工作范围，克服波长漂移带来的频漂问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统，包括高非线性光纤、可调谐光滤波器、光谱仪、90°混频器、四个光电平衡探测器、模数转换单元和信号处理单元；

其中，高非线性光纤用于光谱展宽；其输入端接收外部飞秒脉冲光，输出超连续谱；接入的飞秒脉冲光在强非线性效应的作用下，脉冲频谱内产生新的频率，光谱得以展宽，产生覆盖C波段(1520-1570nm)且光谱平坦的超连续谱，该超连续谱具有相干性；

其中，可调谐光滤波器对该超连续谱进行滤波，获取到中心波长、光谱宽度可变的脉冲光；其中心波长与光谱宽度可根据待测光信号调整，使其中心波长与待测信号光波长相同、光谱宽度不小于待测光信号光谱宽度；该脉冲光的重复频率远低于待测光信号速率，与上述超连续谱的重复频率相同，其脉宽从飞秒展宽到皮秒量级；

其中，光谱仪的第一输入端接入所述脉冲光，第二输入端接入待测光信号；对该本地采样脉冲光与待测光信号进行光谱覆盖校准检测，根据光谱仪上显示的待测光信号的光谱宽度与波长位置调整可调光滤波器的通带宽度与中心波长，输出本地采样脉冲光，该本地采样脉冲光的光谱完全覆盖待测光信号的光谱；

其中，90°混频器用于相干混频；其第一输入端接入本地采样脉冲光，第二输入端接入待测光信号；在90°混频器中，待测光信号与本地采样脉冲分别经过偏振分束器分成两路正交偏振态，相同偏振态的待测光信号与本地采样脉冲发生干涉，产生携带待测光信号相位信息的中频信号；90°混频器中输出8路光场，其中4路为X偏振方向混频后的光，4路为Y偏振方向混频后的光；

其中，四个光电平衡探测器均用于光电转换，将相干混频后获得的携带有待测光信号相位信息的中频信号转化为四路模拟低速电信号，该电信号速率在MHz量级，其速率远低于待测光信号速率；

各光电探测器均具有两个光输入接口，接收两路所述中频信号，输出一路模拟低速电信号；具体的，第一光电平衡探测器接收第一路X偏振方向混频后的光和第一路Y偏振方向混频后的光；输出X偏振方向的实部(I路)；第二光电平衡探测器接收第二路X偏振方向混频后的光和第二路Y偏振方向混频后的光，输出X偏振方向的虚部(Q路)；第三光电平衡探测器接收第三路X偏振方向混频后的光和第三路Y偏振方向混频后的光，输出Y偏振方向的实部(I路)；第四光电平衡探测器接收第四路X偏振方向混频后的光和第四路Y偏振方向混频后的光，输出Y偏振方向的虚部(Q路)；X偏振方向的实部、虚部和Y偏振方向的实部、虚部信号，携带两个正交偏振方向上的信号信息；

其中，模数转换单元用于进行模数转换，将四个光电平衡探测器输出的模拟低速电信号采样量化，获取数字信号；其第一输入端连接第一光电平衡探测器的输出端，第二输入端连接第二接光电平衡探测器的输出端，第三输入端连接第三接光电平衡探测器的输出端，第四输入端连接第四接光电平衡探测器的输出端；

其中，信号处理单元用于数字信号处理，获取待测光信号的眼图和星座图；其第一至第四输入端对应的连接模数转换单元的第一至第四输出端。

优选的，上述相干光检测系统还包括被动锁模脉冲激光器，用于产生飞秒脉冲光，被动锁模脉冲激光器的输出端与高非线性光纤的输入端连接。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于超连续谱的波长可调谐相干光检测方法，包括以下步骤：

(1)采用高非线性光纤对MHz量级低重复频率的飞秒脉冲光进行调制，获取覆盖C波段且在C波段波动范围<1％的超连续谱；

(2)对上述超连续谱进行滤波，获取中心波长与待测光信号波长相同且光谱可覆盖待测光信号光谱的本地采样脉冲光；(3)将待测光信号与上述本地采样脉冲光进行相干混频，获取携带待测光信号相位信息的中频光信号；

(4)将上述中频光信号转换成低速模拟电信号，并消去低速模拟电信号里的直流分量，以获取待测光信号的相位信息；

(5)将上述消去直流分量的低速模拟电信号转换为数字信号；并对该数字信号采用正交归一化、不平衡补偿、频偏估计、相位估计算法，对相干采样后的待测光信号进行解调和恢复，获取到待测光信号的眼图、星座图和Q值。

优选地，步骤(2)具体包括以下步骤：

(2.1)采用可调谐光滤波器对上述超连续谱进行滤波，获取采样脉冲光；

(2.2)对上述采样脉冲光与待测光信号进行光谱覆盖校准检测；若上述采样脉冲光的光谱完全覆盖待测光信号的光谱，则将该采样脉冲光作为本地采样脉冲光；

若上述采样脉冲光的光谱不能覆盖待测光信号的光谱，则返回步骤(2.1)，调整可调谐滤波器的中心波长和通带宽度，再次对超连续谱进行滤波；直到获取得的采样脉冲光的光谱完全覆盖待测光信号光谱，将该采样脉冲光作为本地采样脉冲光；

在相干光检测中，本地采样脉冲的光谱必须能够覆盖待测光信号的光谱，才能够达到相干混频，并实现相干光采样检测的目的。

优选地，步骤(2)中，采用可调光带通滤波器对超连续谱进行滤波；该可调光带通滤波器的通带中心波长在C波段可调，通带宽度可调，且通带窗口可调范围的最大值要大于待测光信号的光谱宽度；

通过调节光滤波器的通带中心波长获取一系列中心波长不同的采样脉冲光；通过调节光滤波器的通带宽度改变采样脉冲光的光谱宽度；实现本地采样脉冲光的光谱范围在C波段的任意位置与任意宽度可调；从而实现对任意波长，任意速率的待测光信号的相干检测。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统，采用基于超连续谱的光谱滤波方法，实现本地采样脉冲中心波长在C波段连续可调，光谱范围可调的相干光检测系统；可以对不同波长、不同速率的待测光信号进行相干采样，获取待测光信号的眼图、星座图等信息；突破了传统相干光采样中本地采样脉冲中心波长、光谱宽度不可变，只能对某一确定波长的待测光信号进行相干光采样的局限，且消除了对待测光信号带宽的限制；

(2)本发明提供的基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统，其优选方案采用的光滤波器通带窗口的中心波长和宽度可调；通过调节光滤波器通带中心波长获取一系列中心波长不同的本地采样脉冲光；通过调节光滤波器的通带宽度改变光谱宽度，实现本地采样脉冲光的光谱范围在C波段的任意位置与任意宽度可调；从而实现对C波段任意波长，任意速率的待测光信号的相干检测；

(3)本发明提供的基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统，可通过调节光滤波器的通带宽度，获取不同光谱宽度的低速本地采样脉冲光，从而实现对不同速率的待测光信号进行相干检测；

(4)本发明提供的基于超连续谱的波长可调谐相干光检测方法，应用低速本地采样脉冲光对高速待测光信号进行采样，降低了对系统工作带宽的要求，使得后续处理过程中只需要用低带宽的仪器就能够完成相干检测的过程；

(5)本发明提供的基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统及方法，应用于DWDM光通信系统中，可实现对多波长高速光信号的相干检测，具有极大的应用范围和广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统结构图；

图2是实施例1提供的基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统的工作流程图；

图3是实施例1里基于超连续谱获得中心波长可调、光谱范围可调采样脉冲的光谱示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，是本发明提供的基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统示意图，包括：高非线性光纤、可调谐光滤波器、光谱仪、90°混频器、四个光电平衡探测器、模数转换单元和信号处理单元；

该检测系统具有飞秒脉冲接口，接入外部飞秒脉冲光；该飞秒脉冲光通过高非线性光纤，在强非线性效应的作用下，脉冲频谱内产生新的频率，光谱得以展宽，产生覆盖C波段(1520-1570nm)且光谱平坦、在C波段波动范围<1％的超连续谱，该超连续谱具有相干性；

可调谐光滤波器对该超连续谱进行滤波，获取到中心波长、光谱宽度可变的脉冲光；其中心波长与光谱宽度可根据待测波长调整，使其中心波长与待测信号光波长相同、光谱宽度不小于待测光信号光谱宽度，将其作为本地采样脉冲，该本地采样脉冲的重复频率远低于待测光信号速率，与超连续谱的重复频率相同，其脉宽从飞秒展宽到皮秒量级；

光谱仪用于对本地采样脉冲光与待测光信号进行光谱覆盖校准检测；根据光谱仪上显示的待测光信号的光谱宽度和波长位置对可调光滤波器的通带宽度和中心波长进行调整；使得本地采样脉冲光的光谱完全覆盖待测光信号的光谱；

本地采样脉冲与待测光信号在90°混频器中发生偏振相干混频；四个光电平衡探测器将相干混频后的光信号转化为四路模拟低速电信号，分别得到两个正交偏振方向上的信号信息；

模数转换单元将四路模拟低速电信号采样量化，获取四路数字信号；

信号处理单元对四路数字信号进行数字信号处理，通过正交不平衡补偿计算，获得偏振解复用且归一化的数据；通过色散补偿计算，消除信号在信道中传输时的色散损伤；之后通过时钟同步算法获取信号的时钟信息；通过频偏估计和相位恢复算法，对信号在传输中的频偏和相偏进行纠正，最终获得待测光信号的眼图和星座图。

图2所示，是采用实施例1提供的基于连续谱的波长可调谐相干光检测系统进行检测的方法，具体包括以下步骤：

(1)被动锁模脉冲激光器产生的低重复频率的飞秒脉冲光，通过一段高非线性光纤HNLF产生超连续谱；

通过调整泵浦脉冲的峰值功率、HNLF的非线性系数、色散系数和光纤长度，使产生的超连续谱覆盖1520nm-1570nm的C波段，且在C波段有较高的平坦度，波动范围<1％；

超连续谱的产生是来自于HNLF中的一系列非线性机制；首先，相位调制展宽了频谱，受激拉曼散射也可以产生新的波长，当输入脉冲峰值足够大时，受激拉曼散射将在长波长方向产生一个与脉冲频谱中心约有13THz频移的斯托克斯频带，及时峰值功率不足以达到拉曼阈值，只要自相位调制将脉冲频谱展宽5nm甚至更多，受激拉曼散射仍可以放大长波长一侧的脉冲频谱；

当满足相位匹配条件时，由于四波混频效应，在脉冲频谱的两侧同时产生边带，另外高阶色散也对超连续谱的产生有所贡献；通过对泵浦脉冲峰值功率、选取的HNLF的参数进行调整，获取能覆盖C波段，且在C波段平坦的超连续谱结构；

以下列举了实施例1～实施例5中采用的光纤类型，光纤参数等数据；

实施例1～实施例5参数列表

(2)采用可调光滤波器对超连续谱进行滤波，获得中心波长与光信号波长相同，光谱能够覆盖待测光信号光谱的脉冲光；

为了使滤波之后得到的脉冲光能够作为相干光检测系统中的本地采样脉冲，以及考虑到波长可调谐和待测光信号速率可变的工作模式，实施例中采用可调光带通滤波器，来对超连续谱进行滤波；要求滤波器的通带中心波长在C波段可调，通带宽度可调，且通带窗口可调范围的最大值要大于待测光信号的光谱宽度，对滤波器的通带形状择无特殊要求。

如图3中光谱变化图所示，平坦的超连续谱经过可调光滤波器后光谱被切割，得到中心波长为λ₀，光谱宽度为Δλ₀的时域光脉冲，在时域上脉冲宽度为Δt₀。将可调光滤波器的通带中心波长调节为λ₁，通带宽度设为Δλ₁，得到中心波长为λ₁，光谱宽度为Δλ₁的时域光脉冲，脉宽为Δt₁。通过调节光滤波器通带中心波长能够得到一系列中心波长不同的脉冲光，调节光滤波器的通带宽度能够改变光谱宽度，这样就实现了脉冲光的光谱范围可以是在C波段的任意位置，任意宽度。

待测信号的波特率为B，调制到光载波上得到待测光信号的带宽为Δf_signal＝2*B，在相干光采样中，本地采样脉冲的光谱必须能够覆盖待测光信号的光谱，才能够达到相干混频，并实现相干光采样的目的，所以要求本地采样脉冲的中心波长与待测光信号靠近，且谱宽Δf_pulse不小于待测光信号谱宽，即满足

Δf_pulse≥Δf_signal＝2*B

对于任意速率的待测光信号，改变可调光滤波器的通带中心波长和通带宽度，将超连续谱滤波后都能得到满足上式关系的脉冲光，从而实现了对任意波长，任意速率的待测光信号的相干检测。

(3)将经过可调光滤波器后得到的脉冲光和待测光信号送入光谱仪进行光谱覆盖校准检测；在光谱仪上用两个通道同时显示待测光信号和脉冲光的光谱，倘若采样脉冲的光谱不能覆盖待测光信号的光谱，返回到可调光滤波器处，对滤波器的中心波长和通带宽度进行调整；如此循环直到采样脉冲光谱能够完全覆盖待测光信号光谱，开始进行下一步的相干光采样；

(4)高速待测光信号与本地采样脉冲光在90°混频器中发生相干混频，使待测光信号与本地采样脉冲发生干涉，获取中频信号，以获取待测光信号的相位信息；

相干光采样中，使用低速本地采样脉冲对高速待测光信号进行采样，降低了对系统工作带宽的要求，后续用于光电转换的平衡探测器、用于模数转换的模数转换器只需要低带宽的仪器就能够完成相干检测；

(5)对步骤(4)获取得的中频信号光进行光电转换，并消去直流分量；再进行量化，将电信号转换为数字信号；

(6)对步骤(5)获得的数字信号进行数字信号处理，采用正交归一化、不平衡补偿、频偏估计、相位估计算法，对采样后的数字信号进行解调和恢复，补充信号光在传输的过程中发生的损耗、色散等损伤；获取待测高速光信号的眼图、星座图和Q值信息；完成相干光检测的全过程，实现了对待测光信号全场信息的高精度检测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于超连续谱的波长可调谐相干光检测系统，其特征在于，包括高非线性光纤、可调谐光滤波器、光谱仪、90°混频器、四个光电平衡探测器、模数转换单元和信号处理单元；

所述高非线性光纤用于光谱展宽；其输入端接收外部飞秒脉冲光，输出覆盖C波段且光谱平坦的超连续谱；

所述可调谐光滤波器用于超连续谱滤波；其输入端接收所述超连续谱，输出中心波长与光谱宽度可调的脉冲光；

所述光谱仪用于光谱覆盖校准检测；其第一输入端接入所述可调谐光滤波器输出的脉冲光，第二输入端接入待测光信号，根据光谱仪上显示的待测光信号的光谱宽度与波长位置调整可调光滤波器的通带宽度与中心波长，输出本地采样脉冲光，所述本地采样脉冲光的光谱完全覆盖待测光信号的光谱；

所述90°混频器用于相干混频；其第一输入端接入所述本地采样脉冲光，第二输入端接入待测光信号，输出8路携带待测光信号相位信息的中频信号；

所述四个光电平衡探测器均用于光电转换；所述模数转换单元用于模数转换；其第一输入端连接第一光电平衡探测器的输出端，第二输入端连接第二接光电平衡探测器的输出端，第三输入端连接第三接光电平衡探测器的输出端，第四输入端连接第四接光电平衡探测器的输出端；

所述信号处理单元用于数字信号处理，获取待测光信号的眼图和星座图；其第一至第四输入端对应的连接模数转换单元的第一至第四输出端。

2.如权利要求1所述的波长可调谐相干光检测系统，其特征在于，还包括被动锁模脉冲激光器，用于产生飞秒脉冲光，其输出端与所述高非线性光纤的输入端连接。

3.一种基于超连续谱的波长可调谐相干光检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对飞秒脉冲光进行调制，获取覆盖C波段且在C波段波动范围<1％的超连续谱；

(2)对所述超连续谱进行滤波，获取中心波长与待测光信号波长相同且光谱可覆盖待测光信号光谱的本地采样脉冲光；

(3)将待测光信号与所述本地采样脉冲光进行相干混频，获取携带待测光信号相位信息的中频光信号；

(4)将所述中频光信号转换成低速模拟电信号，并消去低速模拟电信号里的直流分量；

(5)将所述消去直流分量的低速模拟电信号转换为数字信号；并对所述数字信号进行解调和恢复，获取待测光信号的眼图、星座图和Q值。

4.如权利要求3所述的波长可调谐相干光检测方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下步骤：

(2.1)采用可调谐光滤波器对所述超连续谱进行滤波，获取第一采样脉冲光；

(2.2)对所述第一采样脉冲光与待测光信号进行光谱覆盖校准检测；若所述第一采样脉冲光的光谱完全覆盖待测光信号的光谱，则将所述第一采样脉冲光作为本地采样脉冲光；

若所述第一采样脉冲光的光谱不能覆盖待测光信号的光谱，则返回步骤(2.1)，调整可调谐滤波器的中心波长和通带宽度，再次对超连续谱进行滤波，直到获取得的第一采样脉冲光的光谱完全覆盖待测光信号光谱，将所述第一采样脉冲光作为本地采样脉冲光。

5.如权利要求3所述的波长可调谐相干光检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用可调光带通滤波器对超连续谱进行滤波；采用的可调光带通滤波器的通带中心波长在C波段可调，通带宽度可调，且通带窗口可调范围的最大值大于待测光信号的光谱宽度。