CN105509885B - 用于测量光信号的线宽的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量光信号的线宽的系统，包括光学传感器，该光学传感器确定传播通过不同距离的光信号的线宽的一组测量值。各测量值对应于不同距离，并且包括白调频(FM)噪声和低频FM噪声。该系统还包括处理器，该处理器用于确定白FM噪声和LF FM噪声的值，从而减小测量值与用白FM噪声和LF FM噪声的值针对不同距离而计算出的光信号的线宽的值之差。
Description
技术领域
本发明涉及使用相干光信号进行的光通信，并且更具体而言，涉及用于测量光信号的线宽的系统和方法。
背景技术
光传输系统被用于各种通信应用中。例如，电信系统能够利用光纤技术来长距离地发送语音和数据信号。类似地，有线电视网络用光纤技术来发送模拟信号和数字信号两者。为了通过光纤来发送信号(例如，数据信号)，用信息信号来调制光束(“载波”)。经调制的载波随后经由光纤被发送到接收器。
相干光通信系统利用光学载波的相位来显著地增加光通信的能力和距离。为了在接收器端提取相位信息，光源必须具有非常窄的光谱线宽，即，高频纯度。已经进行了相当大的努力以提供以窄光谱线宽来运行的激光光源。为此目的，已经开发出测量激光束的线宽以确定相干光通信中的激光的适应性的多种方法。
相干光学传输对于承受包括噪声的激光束的线宽是敏感的，该噪声包括白调频(FM)噪声和低频(LF)FM噪声。在整个频率范围内，白FM噪声是恒定级别的。当频率变低时，LF FM噪声具有较高的噪声级别，这也被称为1/f噪声。然而，只有白FM噪声影响相干光学传输的质量，而LF FM噪声可被光信号的接收器消除，或者并不影响接收器性能。因此，需要测量光信号的线宽和测量值的噪声分量来理解激光相对于相干光通信的适应性。
例如，在T.Okoshi等人的“Novel method for high resolution measurement oflaser output spectrum(用于激光输出光谱的高分辨率测量的新型方法)”(ElectronicsLetters(《电子快报》)，第16卷，第630页(1980))中描述的一种方法使用简单延迟自外差法来测量线宽，但没有将白FM噪声和LF FM噪声分离。
在Y.Yamamoto等人的“Quantum phase noise and linewidth of asemiconductor laser(半导体激光的量子相位噪声和线宽)”(Electronics Letters(《电子快报》)，第17卷，第327页(1981))中描述的另一种方法使用光鉴频器将FM噪声转换成AM噪声，从而能够直接测量FM噪声谱。然而，光鉴频器需要细致校准以及对激光波长的稳定性的反馈，这是复杂且困难的。
K.Kikuchi的“Characterization of semiconductor-laser phase noise andestimation of bit-error rate performance with low-speed offline digitalcoherent receivers(用低速离线数字相干接收器表征半导体激光相位噪声并且估计误比特率)”(Optics Express(《光学快讯》)，第20卷，第5291页(2012))和K.Matsuda等人的“AStudy of Laser White and Brownian FM noise in Coherent QPSK Signals(关于相干QPSK信号中的激光白噪声和布朗噪声的研究)”，国际光纤通信会议(OFC)、论文W4K.4(2014))中描述的方法使用参考与被测试激光具有极近似波长的极窄线宽激光的相干检测来分离LF噪声。因此，对于不同的激光，必须使用不同的参考，这是不合需要的。
因此，需要在不需要参考激光或激光波长稳定器和鉴频器的构造中的、能够分离或测量FM噪声的白分量和LF分量的系统和方法。
发明内容
本发明的一些实施例是基于以下认识：单次测量光信号的线宽不能将白调频(FM)噪声和低频(LF)FM噪声的值的正确组合与所有可能的组合区分开。这是因为，单次测量光信号的线宽可包括白噪声和LF FM噪声的值的多个组合。这个问题类似于求解具有两个未知数的单个方程的问题。为了确定这两个未知数，需要两个方程式。
本发明的一些实施例是基于以下认识：随着在具有描述LF FM噪声的恒定参数的光信号进行的距离，LF FM噪声对于总噪声的贡献量增加。因此，可通过使用不同长度的光纤进行多次测量来求解白噪声和LF FM噪声的值的多个可能组合的模糊度。这是因为，白FM噪声和LF FM噪声的仅一个组合可导致所有这些测量值。
因此，本发明的一个实施例公开一种用于测量光信号的线宽的系统。所述系统包括：光学传感器，其确定传播通过不同距离的光信号的线宽的一组测量值，使得各测量值对应于不同距离并且包括白调频(FM)噪声和低频FM噪声；以及处理器，其用于确定白FM噪声和LF FM噪声的值，从而减小测量值和用白FM噪声和LF FM噪声的值针对不同距离而计算出的光信号的线宽的值之差。
另一个实施例公开了一种用于确定光信号的线宽的方法，所述方法包括：将所述光信号传播通过选自一组预定距离中的不同距离；测量传播通过所述不同距离的所述光信号的线宽以产生一组测量值，各测量值对应于所述一组预定距离中的预定距离并且包括白调频(FM)噪声和低频FM噪声；并且确定白FM噪声和LF FM噪声的值，从而减小所述测量值与用所述FM噪声和LF FM噪声的值针对所述一组预定距离而计算的所述光信号的线宽的值之差。
又一个实施例公开了一种用于测量光信号的线宽的系统。所述系统使用波导将所述光信号传播通过选自一组预定距离中的不同距离；光学传感器，确定传播通过所述不同距离的光信号的线宽的一组测量值，使得各测量值对应于不同距离并且包括白调频(FM)噪声和低频FM噪声；以及处理器，根据所述一组测量值确定白FM噪声和LF FM噪声的值的组合，所述组合形成通过所述不同距离的光信号的线宽的值。
附图说明
图1是根据本发明的一些实施例的用于测量光信号的线宽和线宽的噪声的至少一个分量的系统的框图；
图2是根据本发明的一些实施例的传播通过不同距离的光信号的光谱I(f)的曲线图；
图3是示出低频(LF)FM噪声对测量值的总噪声的贡献量增加的曲线图；
图4A和图4B示出根据本发明的一些实施例的用于以解析方式确定线宽和线宽的噪声分量的方法的不同实施例的框图；
图5是根据本发明的一些实施例的存储传输通过一组预定距离的光信号的一组预先计算的值与用于确定线宽的白噪声和LF FM噪声的值的对应组合的查询表；
图6是根据一个实施例的用于选择测量值的最接近值的曲线图；
图7A和图7B分别是根据本发明的一些实施例的用于确定白噪声和LF噪声的值的组合的另一个实施例的框图和示意图；并且
图8是根据本发明的一个实施例的用于确定光信号的线宽的系统的框图。
具体实施方式
图1示出系统100的框图，该系统100用于测量光信号110的线宽150以及线宽150的噪声155的至少一个分量。光信号110可以是任何类型的相干光源。例如，光信号110可由半导体激光器、固态激光器或气体激光器产生。
系统100包括波导120，该波导120用于将光信号110传播通过不同距离。在一个实施例中，使用光纤(例如，单模光纤)形成波导。替代性的实施例将光信号通过空气或光子集成电路来传播。波导120输出一组光信号125。通过传播通过不同距离126的光信号110形成该组光信号125中的每个光信号。
该系统还包括测量模块130，该测量模块130用于接收光信号125并且用于确定光信号125中的每个的线宽的一组测量值135。可顺序地、或同时地(例如，并行地)进行测量。在本发明的一些实施例中，测量模块使用延迟自外差法来测量光信号110的线宽。
传播光信号110的距离可以是预定的，例如，选自彼此不同的一组预定距离126，使得测量模块130接收传播通过预定距离126的一组光信号125并且确定一组测量值135，使得该组测量值135中的测量值对应于该组预定距离126内的预定距离。
测量值135包括具有至少两个分量(即，白调频(FM)噪声和低频(LF)FM噪声)的噪声。系统100还包括信号处理单元140，例如，使用处理器来实现信号处理单元140，用于确定线宽测量值中的白FM噪声分量和/或LF FM噪声分量的单独的值。
本发明的一些实施例是基于以下认识：只有白FM噪声影响光传输的质量，而LF FM噪声可被光信号的接收器抵消并且/或者不影响接收器性能。因此，实施例不仅测量光信号的线宽，而且还测量测量值的噪声分量，以获知相干光通信的激光的适应性。
本发明的一些实施例是基于以下认识：单次测量光信号的线宽不能将白FM噪声和LF FM噪声的值的正确组合与所有可能的组合区分开。这是因为，单次测量光信号的线宽可包括白噪声和LF FM噪声分量的值的多个组合。这个问题类似于求解具有两个未知数的单个方程的问题，即，需要两个方程式来确定这两个未知数。
本发明的一些实施例是基于以下认识：随着光信号前行的距离的增加，LF FM噪声在线宽测量值和总噪声中的贡献量增加。然而，尽管LF FM噪声的贡献量随距离而变化，但描述LF FM噪声的参数保持恒定。这一矛盾是由于LF FM噪声的1/f性质。
因此，可通过使用不同长度的光纤进行多次测量来求解白噪声和LF FM噪声值的多个可能组合的模糊度。白FM噪声和LF FM噪声的仅单个组合可适合这些测量。
因此，在本发明的一些实施例中，信号处理单元140接收通过不同距离的光信号的线宽的不同测量值，并且确定白FM噪声和/或LF FM噪声的值155，从而减小测量值与用白FM噪声和LF FM噪声的值155计算出的线宽的值之差。
图2示出传播通过不同距离的光信号的测得光谱I(f)。水平轴201表示光信号的频率，并且垂直轴202表示强度(单位：dB)。由于LF FM噪声的效应，导致传播通过第一距离的光信号110所形成的第一信号的光谱210不同于传播通过第二距离的光信号110所形成的第二信号的光谱220。在这个示例中，第一距离大于第二距离，并且这两个距离相对较长，例如，大于1km。
可以在与光谱的峰相距预定级230(例如，3dB)之处，测量第一信号和第二信号的不同线宽215和225。例如，一个实施例在信号峰值240的半峰半宽处测量线宽。
图3示出图示FM噪声谱的曲线图，其中，可观察到LF FM噪声贡献量310和白噪声贡献量315。本发明的一些实施例是基于以下实现方式：光信号的线宽的测量值包括白FM噪声NW和LF FM噪声NLF的组合，白FM噪声NW对于整个光谱而言是恒定的，LF FM噪声NLF是描述LFFM噪声的恒定参数K和频率f的函数。
因此，光信号110的线宽的测量值M与此测量值的分量的关系可被表达为
M＝f(NW+K/f，τd)， (1)
其中，NW和K是未知数，f是频率，τd＝Lf/c是因光纤长度Lf造成的延迟时间，c是光速。
通过确定传播通过不同预定距离的光信号的线宽的测量值，可根据下式来求解方程式(1)的模糊度
其中，i是测量值的索引。
例如，传播通过三个不同距离的信号的线宽的三个测量值可形成以下线宽方程组
因为距离di进而是预定的126，并且测量值Mi是确定的130，这样的方程组的求解产生白FM噪声NW和LF FM噪声NLF的值。由于这些测量值包括误差，因此通常具有更多测量点是更好的。
以解析方式求解线宽方程组
图4A示出根据本发明的一些实施例的用于用数字求解方程组(2)的方法的框图。例如，一些实施例将线宽的测量值M的关系表述410为光信号的光谱强度和FM噪声的函数，其中，FM噪声的强度是白FM噪声和LF FM噪声的强度的组合420。一些实施例将测得的光谱I(f)表达为：
其中，f是被测的频率，是傅立叶变换，并且FM噪声光谱S(f)被表达为
S(f)＝Δv/π+K/f， (5)
其中，Δv是本征激光线宽并且第一项代表在整个频率范围内其强度恒定的白FM噪声，而第二项K/f是随着频率变低其强度增大的1/f噪声。
一些实施例将“表观”线宽确定为光谱的半峰半宽(HWHM)。在没有LF FM噪声的情况下，表观线宽与本征线宽(即，Δv)相符，本征线宽确定相干通信系统的性能。
本发明的一些实施例使用在极点和快速振荡因子上进行积分的多个实例来求解430光谱关系的方程式。将一组计算出的结果与该组测量数据进行比较440，以评价误差，并且如果该误差大于预定值，则认为计算不是收敛的，并且未知参数被更新450并且重复该过程。
这样的求解会是耗时的，并且在一些实现方式中，为了增加速度，求解的精度被降低。一些实施例使用闭合公式460来增加光谱的关系的计算速度。为了不需要积分，一些实施例使用以下公式来加速计算
噪声分量的预先计算的组合
用于测量线宽的方程式(4)的计算是复杂的。使用闭合公式(6)和(7)可加快计算时间，但是，计算时间仍是不可忽略的。因此，本发明的一些实施例针对噪声的白FM和LF FM分量的值的不同组合预先计算线宽的测量值并且使用噪声分量的预先计算的组合来选择实际组合。
图5示出存储用于确定光信号的线宽的、在一组白FM噪声值ni520和LF FM噪声值ki530中传输的光信号的一组线宽ui 540的预先计算的值的一群查询表510。根据一组预定距离针对各光纤长度550创建查询表。在图5的示例中，针对各查询表，使用四个线宽的值520和四个LF FM噪声的值530，以及三个光纤长度550的值，但可以是其它个数的值。例如，在一个实施例中，将线宽的三个测量值135与针对各对应的光纤长度550预先计算的值540进行比较，针对520和530的所有组合计算误差的平方的平均值，并且选择最小组合作为实际组合。
图6示出根据一个实施例的用于选择最接近值540的曲线图。这个实施例将通过用白FM噪声和LF FM噪声的值的不同组合针对一组预定距离计算出的光信号的线宽的值的插值而形成的曲线(例如，曲线620和630)拟合为通过测量值形成的曲线610，并且选择与最接近拟合对应的白FM噪声和LF FM噪声的值。例如，如果通过白FM噪声的值v1和LF FM噪声的v2的组合而形成的曲线620相比于通过白FM噪声的值v3和LF FM噪声的v4的组合而形成的曲线630更接近曲线610，则选择值v1和v2的组合作为噪声分量的实际值。
图7A和图7B示出用于确定使测得的线宽和用白噪声和LF噪声的值的组合确定的线宽的值之间的误差最小的、白噪声和LF噪声的值的组合的另一个实施例的框图和图示。这个实施例允许确定白噪声和LF噪声的值的组合，即使白噪声和LF噪声的值的这个特定组合的值并不是预定的。
实施例对于白噪声和LF噪声的值的不同组合，针对预定距离126预先计算710光信号的线宽的值。例如，在白FM噪声740和LF FM噪声750的值的网格上对白噪声和LF噪声的值的组合进行取样。
在传播通过预定距离126的光信号的线宽的值135被测量130之后，实施例确定测量值135与预先计算的值715之间的误差720并且确定720通过测量值与预先计算的值之间的误差而形成的误差面725。接下来，实施例通过确定730与误差面725的极小值135对应的噪声分量的组合的值731和732来确定噪声155的分量。实施例的一个实现方式只选择白FM噪声的值731。
例如，测量值135与预先计算的值715之间的误差可以被确定为对应的针对各传播距离的测量值与预先计算的值之间的平方误差之和。误差面725可以是使用最小二乘法拟合的曲面
ax2+bxy+cy2+dx+ey+f， (8)
其中，x和y是未知数(例如，白FM噪声值和LF FM噪声值)并且a-f是被拟合的以最佳描述误差面的参数。然而，对于不同的实施例，误差和误差面的确定可有所不同。一旦确定参数a-f，就可仅仅用方程式(8)来确定局部极小值。
本发明的一些实施例可用归一化方式(即，例如，除以计算出的线宽)来确定平方误差。因为当计算出的线宽较大时预期误差较大，所以归一化确保同等地处理各平方误差。
本发明的一些实施例可使用被描述为下式的椭圆拟合曲线
其中，a、x0、y0、a、b和c是拟合参数，其中，a是椭圆体的轴的角度，x0和y0是局部极小值的位置，a和b是半主轴的长度。
测量光信号的线宽
图8是根据本发明的一个实施例的用于确定光信号的线宽的系统800的框图。该系统包括激光源810(例如，激光二极管)，激光源810用于产生将通过测量其线宽而被测试的光信号815。在一些实施例中，系统800被设计成测试不同的激光源，使得激光源810可被更换以进行测试并且不是系统800的部分。
光信号815被分束器830分成第一信号835和第二信号837。第一信号835被导向频移模块850(例如，声学-光学调制器)。频移模块850改变信号835的频率，以产生信号855。通常，信号835和855之间的频率差异是预定的(例如，100MHz)。这样的频率差异可通过传感器870(例如，光电二极管)而被准确地测量。
第二信号837被导向用于将信号传播通过不同距离的波导840。波导840可包括光开关841-842，光开关841-842用于将信号837顺序地导向不同长度的光纤845、846、847。在替代性的实施例中，波导840包括用于将信号837同时导向不同长度的光纤的分光器。在这些实施例中，通过光纤被延迟的信号837同时被处理器140处理。
在合波器860中用频移信号855播送通过波导840传播的信号。信号的差拍产生具有信号835与855之间的频率差的频率的信号865。通过传感器870捕捉采集信号865的强度，以测量光谱I(f)并且处理信号140。
Claims (19)
1.一种用于测量光信号的线宽的系统，所述系统包括：
光学传感器，确定传播通过不同距离的光信号的线宽的一组测量值，其中各测量值对应于不同距离并且包括白调频(FM)噪声和低频FM噪声；以及
处理器，用于确定白FM噪声和低频FM噪声的值，从而减小测量值与用所述白FM噪声和低频FM噪声的值针对不同距离而计算出的光信号的线宽的值之差。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
存储器，用于存储所述白FM噪声和低频FM噪声的不同值的预先计算的组合，其中，所述处理器从所述组合中选择所述白FM噪声和低频FM噪声的值的组合。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理器将通过用不同对的所述白FM噪声和低频FM噪声的值来针对不同距离而计算出的光信号的线宽的值的插值而形成的曲线拟合到通过测量值形成的曲线，并且选择与最接近的拟合对应的白FM噪声和低频FM噪声的值。
4.根据权利要求1所述的系统，所述处理器确定由如下误差形成的误差面，所述误差是通过对测量值的插值而形成的曲线与通过对用不同对的所述白FM噪声和低频FM噪声的值针对不同距离而计算出的光信号的线宽的值进行插值而形成的曲线之间的误差，并且其中所述处理器至少确定与所述误差面的局部极小值对应的白FM噪声的值。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，在规则网格上确定不同对的所述白FM噪声和低频FM噪声的值。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，各误差包括通过对测量值的插值而形成的曲线与通过对光信号的线宽的值插值而形成的对应曲线之间的最小平方距离。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学传感器使用延迟自外差确定所述一组测量值。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述光学传感器包括：
分光器，用于将所述光信号分成第一信号和第二信号；
延迟模块，用于将所述第一信号延迟通过不同距离，以产生一组延迟信号，其中，所述不同距离选自一组预定距离，使得各延迟信号延迟通过从所述一组预定距离之中选择的对应的预定距离；
光合波器，用于将所述第二信号分别与各延迟信号组合，以产生具有外差频率的一组差拍信号；以及
传感器，用于测量各差拍信号的线宽，以产生所述一组测量值。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述光学传感器还包括：
一组光纤，其中，各光纤具有与所述一组预定距离之中的预定距离对应的长度；以及
光开关，将所述第一信号顺序地或同时地导向各光纤。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述光学传感器还包括：
光纤回路，具有与所述一组预定距离之中的最小预定距离对应的长度；
光频移器，在所述光纤回路内；以及
光纤耦合器，用该光纤耦合器从所述光纤回路中去除所述光信号的小部分并且将所述小部分馈送到所述光合波器，以进行外差检测。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，各预定距离大于1km。
12.根据权利要求1所述的系统，还包括：
激光源，用于产生所述光信号；以及
波导，用于将所述光信号传播通过不同距离。
13.一种用于确定光信号的线宽的方法，所述方法包括：
将所述光信号传播通过选自一组预定距离中的不同距离；
测量传播通过所述不同距离的所述光信号的线宽以产生一组测量值，各测量值对应于所述一组预定距离中的预定距离并且包括白调频(FM)噪声和低频FM噪声；以及
确定白FM噪声和低频FM噪声的值，从而减小所述测量值与用所述白FM噪声和低频FM噪声的值针对所述一组预定距离而计算出的所述光信号的线宽的值之差。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，测量步骤使用延迟自外差法。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
确定由如下误差形成的误差面，所述误差是通过对所述测量值的插值而形成的曲线与通过对用不同对的白FM噪声和低频FM噪声的值针对不同距离而计算出的所述光信号的线宽的值的插值而形成的曲线之间的误差；以及
至少确定与所述误差面的局部极小值对应的白FM噪声的值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在规则网格上确定所述不同对的白FM噪声和低频FM噪声的值。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，各误差包括通过对测量值的插值而形成的曲线与通过对光信号的线宽的值的插值而形成的对应曲线之间的最小平方距离。
18.一种用于测量光信号的线宽的系统，所述系统包括：
波导，用于将所述光信号传播通过选自一组预定距离中的不同距离；
光学传感器，其确定传播通过所述不同距离的光信号的线宽的一组测量值，其中各测量值对应于不同距离并且包括白调频(FM)噪声和低频FM噪声；以及
处理器，用于根据所述一组测量值，确定白FM噪声和低频FM噪声的值的组合，所述组合形成通过所述不同距离的光信号的线宽的值，
其中，所述处理器确定所述白FM噪声和低频FM噪声的值的组合，从而减小所述测量值与用所述白FM噪声和低频FM噪声的值针对不同距离而计算出的光信号的线宽的值之差。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述处理器确定由如下误差形成的误差面，所述误差是通过对所述测量值的插值而形成的曲线与通过对用不同对的白FM噪声和低频FM噪声的值针对不同距离而计算出的光信号的线宽的值进行插值而形成的曲线之间的误差，并且其中所述处理器至少确定与所述误差面的局部极小值对应的白FM噪声的值。
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