CN107121193A - 光谱测量方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光谱测量方法。该方法利用光频梳调制器将具有固定频率及相位的微波信号调制到由窄线宽光源输出的光信号上，生成具有N根梳齿的光频梳；对于所述光频梳的每一根梳齿，分别以其作为光载波，利用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法测量出待测光信号在该梳齿所对应频带内的频谱；将各梳齿所对应频带内的频谱组合，得到待测光信号的宽带频谱。本发明还公开了一种光谱测量装置。本发明利用光频梳通道化技术，产生多个连续频带的光载波，可在确保测量分辨率的前提下，大幅度扩展测量范围；本发明还进一步利用并行方式大幅提高测量效率，并利用+2阶光单边带扫频信号将单个通道的测量范围拓展一倍，进一步提升了测量带宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱测量方法、装置，属于微波光子学技术领域。
背景技术
随着光子技术的飞速发展，近年来不断涌现的宽带业务、不断提高的服务质量要求、以及不断指数增长的接入设备，使得光纤宽带网络成为一个重点发展内容。密集波分复用技术(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)以及其它高速调制技术的发展及应用成为必然趋势。然而，随之带来的是光信息系统单个信道的带宽(或频谱复用的粒度)越来越小，例如：下一代光接入网标准之一超密集波分复用无源光网络(UDWDM-PON)的信道间隔为GHz量级；光频分正交复用(OFDM)系统子载波带宽通常在百MHz量级；微波光子系统则要求能分辨数十MHz间隔的无线信道，传统的光谱仪器分辨率远大于上述精度，迫切需要亚皮米(1pm＝10-12m)甚至是飞米(1fm＝10-15m)量级分辨率的光谱仪等高性能的光学参数检测仪器设备。
在超宽波长范围调谐激光器(TLS)技术成熟后，相干光学频谱分析技术(COSA)得到发展，通过作为本振光的扫描激光器的波长扫描，利用波动光学中的干涉原理得到待测信号光与本振光之间的一系列相干图谱，然后通过信号处理手段基于已知的本振光参数得到待测信号光的频谱。法国APEX公司已研制成功分辨率最高可达5MHz(0.04pm)的相干光谱仪。
为了进一步提高分辨率，有研究者提出了一种基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法[Beibei Zhu,Min Xue,Shilong Pan,“Optical Spectrum Analysis with aResolution of 6fm Based on a Frequency-Swept Microwave-Photonic Source”Conference:2017Optical Fiber Communication Conference(OFC),paper M3J.5]，该方法将传统相干光谱分析仪在光域的扫频操作搬移到电域进行，不仅消除了激光器扫频非线性和低扫频精度的影响，而且受益于高精细的电频谱扫描和分析技术，使该装置大幅度地提高了测量分辨率，理论上可以达到Hz量级。
图1是典型的基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量装置的结构示意图，主要包括主控单元、窄线宽激光器、微波扫频源、光单边带调制器、90度光混频器、平衡光探测器及模数转换单元。其工作原理如下：首先，利用宽带光单边带调制器将微波扫频源输出的微波信号调制到窄线宽激光器输出的光载波上，生成抑制载波的光单边带扫频信号(本振信号)；然后，利用90度光混频器将待测光信号和本振信号混频，产生四路差分信号，随后使用两个平衡光电探测器对以上四路光信号进行平衡光电探测，输出携带本振信号频率处待测光信号信息的窄带电信号；最后，利用模数转换单元将模拟电信号转换为数字信号，主控单元以微波扫频源的输出为参考，利用幅度提取算法进行数据处理。
虽然该测量装置具有无与伦比的测量精度(理论上可达到与电频谱分析技术相同的精度)，但受微波扫频源扫频带宽(约为40GHz)限制，只能测得光载频处约40GHz带宽范围内光信号的频谱，且测量速度较慢，难以捕捉动态信号。测量范围过小、速度过慢是该技术走向实用的最大障碍，当前尚未有有效解决方案的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量技术所存在的测量范围过小的缺陷，提供一种光谱测量方法、装置，可在确保测量分辨率的前提下，大幅度提高测量范围。
本发明光谱测量方法，利用光频梳调制器将具有固定频率及相位的微波信号调制到由窄线宽光源输出的光信号上，生成具有N根梳齿的光频梳；对于所述光频梳的每一根梳齿，分别以其作为光载波，利用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法测量出待测光信号在该梳齿所对应频带内的频谱；将各梳齿所对应频带内的频谱组合，得到待测光信号的宽带频谱。
优选地，所述基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法具体如下：将微波扫频信号调制到所述光载波上，生成抑制载波的光单边带扫频信号；然后，以所述抑制载波的光单边带扫频信号作为本振信号，利用90度光混频器将待测光信号和本振信号混频，产生四路差分信号；随后使用两个平衡光电探测器对四路差分信号进行平衡光电探测，输出携带本振信号频率处待测光信号信息的窄带电信号；最后，将所述窄带电信号转换为数字信号，以微波扫频源的输出为参考，利用幅度提取算法对所述数字信号进行处理，得到本振信号频率处的待测光信号频谱。
为了进一步提高测量范围，优选地，所述抑制载波的光单边带扫频信号为+2阶光单边带扫频信号。
优选地，利用并行方式同时测量出待测光信号在各梳齿所对应频带内的频谱。
根据相同的发明思路还可以得到本发明的光谱测量装置，包括：
光载波生成单元，其包括窄线宽光源、光频梳调制器、微波源，用于将微波源所输出的具有固定频率及相位的微波信号调制到由窄线宽光源输出的光信号上，生成具有N根梳齿的光频梳；
光谱测量单元，对于所述光频梳的每一根梳齿，分别以其作为光载波，利用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法测量出待测光信号在该梳齿所对应频带内的频谱；并将各梳齿所对应频带内的频谱组合，得到待测光信号的宽带频谱。
作为该装置的一个优选实施例，所述光载波生成单元还包括可将所述光频梳中任一梳齿滤出的光子滤波器；所述光谱测量单元包括：
微波扫频源，用于输出微波扫频信号；
光单边带调制器，用于将微波扫频信号调制到光载波生成单元输出的光载波上，生成抑制载波的光单边带扫频信号；
90度光混频器，用于以所述抑制载波的光单边带扫频信号作为本振信号，将待测光信号和本振信号混频，产生四路差分信号；
两个平衡光电探测器，用于对90度光混频器输出的四路差分信号进行平衡光电探测，输出携带本振信号频率处待测光信号信息的窄带电信号；
模数转换单元，用于将平衡光电探测器输出的窄带电信号转换为数字信号；
主控单元，用于以微波扫频源的输出为参考，利用幅度提取算法对所述数字信号进行处理，得到本振信号频率处的待测光信号频谱，并将各梳齿所对应频带内的频谱组合，得到待测光信号的宽带频谱。
作为该装置的另一个优选实施例，所述光载波生成单元还包括光波分复用器，用于将所述光频梳的N根梳齿分为N路光载波并行输出；所述光谱测量单元包括：
微波扫频源，用于输出微波扫频信号；
功分器，用于将微波扫频源输出的微波扫频信号等分为N路；
N个光单边带调制器，用于将功分器输出的N路微波扫频信号一一对应地调制到所述N路光载波上，生成N路抑制载波的光单边带扫频信号；
光分束器，用于将待测光信号分为N路输出；
N个90度光混频器，与N个光单边带调制器一一对应，每个90度光混频器用于以其所对应光单边带调制器输出的抑制载波的光单边带扫频信号作为本振信号，将一路待测光信号和本振信号混频，产生四路差分信号；
2N个平衡光电探测器，每两个平衡光电探测器与一个90度光混频器相对应，用于对该90度光混频器输出的四路差分信号进行平衡光电探测，输出携带本振信号频率处待测光信号信息的窄带电信号；
模数转换单元，用于将平衡光电探测器输出的窄带电信号转换为数字信号；
主控单元，用于以微波扫频源的输出为参考，利用幅度提取算法对所述数字信号进行处理，得到本振信号频率处的待测光信号频谱，并将各梳齿所对应频带内的频谱组合，得到待测光信号的宽带频谱。
优选地，所述抑制载波的光单边带扫频信号为+2阶光单边带扫频信号。
进一步地，所述光单边带调制器由90°定向耦合器与双平行马赫-曾德尔调制器构成，双平行马赫-曾德尔调制器的两个电输入端口分别与90°定向耦合器的两个输出端口相连。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明在现有基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法基础上，利用光频梳通道化技术，产生多个连续频带的光载波，可在确保测量分辨率的前提下，大幅度扩展测量范围；本发明还进一步利用并行方式大幅提高测量效率，并利用+2阶光单边带扫频信号将单个通道的测量范围拓展一倍，进一步提升了测量带宽。
附图说明
图1为现有基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量装置的结构示意图；
图2为本发明的光谱测量装置结构示意图；
图3、图4分别为使用本发明光谱测量装置测量光脉冲的结构原理示意图、各段频谱示意图；其中A为激光器输出的光信号；B为经光频梳调制器调制后输出的光频梳；C为波分复用器选出的第一路子载波，虚线为其他通道的梳齿，实直线为滤出的光载波，实折线为波分复用器在该通道内的频谱响应曲线；D为所选取的光载波经单边带调制器调制后的+2阶光单边带扫频信号；E为扫频信号与待测光信号在90度光混频器中相干混频的原理图，虚线待测光脉冲，实线为+2阶光单边带扫频信号；F为处理得到的待测光脉冲频谱；
图5为本发明实施例中光单边带调制器的原理框图。
具体实施方式
本发明的思路是在现有基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法基础上，利用光频梳通道化技术，产生多个连续频带的光载波分别进行基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量，可在确保测量分辨率的前提下，大幅度扩展测量范围；本发明还进一步利用并行方式大幅提高测量效率，并利用+2阶光单边带扫频信号将单个通道的测量范围拓展一倍，进一步提升了测量带宽。
本发明的光谱测量装置，包括：
光载波生成单元，其包括窄线宽光源、光频梳调制器、微波源，用于将微波源所输出的具有固定频率及相位的微波信号调制到由窄线宽光源输出的光信号上，生成具有N根梳齿的光频梳；
光谱测量单元，对于所述光频梳的每一根梳齿，分别以其作为光载波，利用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法测量出待测光信号在该梳齿所对应频带内的频谱；并将各梳齿所对应频带内的频谱组合，得到待测光信号的宽带频谱。
本发明可采用串行和并行这两种测量方式。所谓串行测量方式是指利用光子滤波器将所述光频梳中的每一根梳齿依次滤出，并以滤出的梳齿作为光载波，使用现有基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量装置依次测量出各梳齿所对应频带内的频谱，最后将这些频谱组合即可得到待测光信号的宽带频谱。采用该方式所需元器件较少，但测量时间较长，测量效率较低。所谓并行测量方式是指利用光波分复用器将所述光频梳的N根梳齿分为N路光载波并行输出，并利用这N路光载波同时并行测量，从而可同时得到各梳齿所对应频带内的频谱，将这些频谱组合即可得到待测光信号的宽带频谱。显然，并行测量方式具有极高的测量效率，但所需元器件较多。这两种测量方式可根据实际需要酌情选用。
为了便于公众理解，下面以一个具体实施例来对本发明技术方案进行进一步详细说明。
本实施例中的光谱测量装置，其结构如图2所示，显然其为并行测量模式。该装置包括光载波生成单元、微波扫频源、N个光单边带调制器、N个90度光混频器、2N个平衡光电探测器、模数转换单元和主控单元。本实施例的光载波生成单元如图中虚线框中所示，包括窄线宽激光器、微波源、光频梳调制器、波分复用器，窄线宽激光器、光频梳调制器、波分复用器沿光路依次连接，微波源的输出端与光频梳调制器的微波输入端连接；光频梳调制器将具有固定频率及相位的微波信号调制到由窄线宽激光器输出的光载波上生成N根光频梳，利用光波分复用器将上述光频梳的N根梳齿分成N路子载波同时输出。第n路(n＝1，2，…，N)光单边带调制器的光输入端与相应子载波相连，微波输入端与功分器(用于将微波扫频信号等分为N路输出)的一路输出相连，调节偏压，生成+2阶光单边带扫频信号(本振信号)，与第n路90度光混频器的本振输入相连。第n路90度光混频器的另一路输入与一路待测光信号(被光分束器分为N路)相连，本振信号与待测光信号在90度光混频器中进行相干混频，产生四路差分信号In+、In-、Qn+、Qn-，将In+和In-输入平衡光电探测器(2n-1)得到同相分量In；将Qn+和Qn-输入平衡光电探测器(2n)得到正交分量Qn。两个平衡探测器的输出与模数转换单元的输入相连，模拟信号In和Qn通过模数转换单元转换成数字信号输入主控单元，主控单元利用幅度提取算法进行数据处理与显示。如所选取的连续频带涵盖光频梳的所有梳齿，则可得到该光频梳全部梳齿所对应频带测光信号的宽带频谱。现在已经报道的光频梳的梳齿根数已经可以达到百根以上，即采用上述方法可将原有的测量范围拓展百倍以上，同时测量速度提升百倍以上。
以采用该装置测量光脉冲信号为例，该测量装置在测量光脉冲信号时，其结构如图3所示，图中，A为激光器输出的光信号；B为经光频梳调制器调制后输出的光频梳；C为波分复用器选出的第一路子载波，虚线为其他通道的梳齿，实直线为滤出的光载波，实折线为波分复用器在该通道内的频谱响应曲线；D为所选取的光载波经单边带调制器调制后的+2阶光单边带扫频信号；E为扫频信号与待测光信号在90度光混频器中相干混频的原理图，虚线待测光脉冲，实线为+2阶光单边带扫频信号；F为处理得到的待测光脉冲频谱。信号A～F的频谱图如图4所示。本具体实施例中，采用的光单边带调制器的基本结构如图5所示，由90°微波定向耦合器和双平行马赫-曾德尔双臂调制器组成；90°微波定向耦合器的输入端与功分后的微波扫频源的输出端连接，两输出端分别与双平行马赫-曾德尔双臂调制器(MZM)的两微波输入端口相连，双平行马赫-曾德尔双臂调制器的光输入端口与所述光载波生成单元生成的子载波相连。通过90°微波定向耦合器将输入的微波信号分成两路功率相等的正交信号，分别输至双平行马赫-曾德尔双臂调制器的两个微波输入端口。给予适当的直流偏置，利用该调制器将从微波输入端口输入的两路正交微波信号调制在从光输入端口输入的光载波上，产生抑制载波的光单边带信号。
基于光单边带调制的测量装置本身具有很高的分辨率，一般采用线宽为300Hz的窄线宽激光器，因此，测量装置的分辨率约为300Hz。由于光频梳的齿间隔频率由微波源的频率决定，受益于成熟的微波固态源技术(频率稳定度一般约为几Hz甚至更高)，光频梳的齿间距频率的漂移可忽略不计。因此，采用波分复用器形成多路子载波的方法，可精确测量多个连续频带内待测光信号的频谱，经数据处理即可得到光脉冲的宽带频谱。具体而言，使用该装置测量光脉冲频谱时，按照以下步骤：
步骤A、光载波产生步骤：利用光频梳调制器将频率为50GHz的微波信号调制到由窄线宽激光器输出的光载波上生成5根光频梳，利用光波分复用器将上述光频梳分成5路子载波；
步骤B、测量装置校准步骤：对于每一路测量通道，移除装置中的待测光信号，将光单边带调制器的输出与90度光混频器的本振输入端相连，将一已知双边带调制光信号与90度光混频器的信号输入端相连，其他装置不变，计算机控制微波扫频源进行频率扫描并处理和记录5个通道的光信号频谱，与光信号的实际频谱进行比较，得到系统的响应，用以校正测量结果；
步骤C、测量步骤：在每一路90度光混频器的信号输入端输入功分后的待测光信号，计算机控制微波扫频源进行频率扫描，记录实时示波器采集的数据，进行数字信号处理并采用校准步骤所得的系统响应对测得的待测光信号的光谱进行校正，消除系统误差，从而得到精确的待测光信号光谱。
下面对该光谱测量装置的工作原理进行简要介绍：
本实施例中采用宽带90°定向耦合器与双平行马赫-曾德尔调制器来实现高边带抑制比的光单边带调制，其结构如图5所示。双平行马赫-曾德尔调制器由两个子调制器组成，两个电输入端口分别与90°定向耦合器的两个输出端口相连。马赫-曾德尔调制器在一定的直流偏置下，将由90°定向耦合器两输出端口输出的幅度相等，相位差为90°的微波信号调制到输入的光载波上，输出载波抑制的光单边带信号。
若90°定向耦合器输出的两路微波信号分别为Se1＝Vcos(ωet)和Se2＝Vsin(ωet)，光载波信号为So＝Voexp(iωot)，分别是MZM1、MZM2的两臂相位差，是MZM1和MZM2之间的相位差，可得输出的光单边带信号为可得输出的光单边带信号为：
其中，β为调制系数，调节 和即三个直流偏压，使m0＝0，即得到角频率为ωLO＝ω0+2ωe的光单边带调制信号作为本振信号。本振信号和待测光信号可以表示为：
其中As,ALO和ωs,ωLO分别是待测光信号和本振信号的幅度及角频率。待测光信号和本振信号在90度光混频器中相干混频后，四路差分输出信号为：
E1,2∝Es±ELO,E3,4∝Es±jELO
经过两个平衡光电探测器的输出信号为：
II(ωLO)＝R|As(ωLO)ALO(ωLO)|cos[θs(t)-θLO(t)]
IQ(ωLO)＝R|As(ωLO)ALO(ωLO)|sin[θs(t)-θLO(t)]
其中θs(t)和θLO(t)是待测光信号和本振信号的相位信息，R是平衡光电探测器的响应系数。II(t)和IQ(t)经过实时示波器采集并转换成数字信号存储于计算机中，经过数字信号处理得到待测光信号在ωLO频点处的幅度响应：
通过校准，R和|ALO(ωLO)|可以认为是常数。实际测量中，主控计算机控制微波扫频源扫描ωe从而扫描本振信号的频率，得到完整的待测光信号频谱。
本装置中，光单边带扫频信号是采用将微波扫频信号调制到光载波上的方式得到的，因此具有极高的分辨率，同时，在本装置中采用90度光混频器和平衡光电探测器进行相干探测，因此可以抑制系统噪声、消除光单边带信号中高阶边带引入的测量误差。采用光频梳通道化技术，产生多个连续频带的光载波同时测量，再利用+2阶边带扫频的方法将单个通道的测量范围拓展一倍，可以大幅度系统测量范围和测量速度。
Claims (9)
1.光谱测量方法，其特征在于，利用光频梳调制器将具有固定频率及相位的微波信号
调制到由窄线宽光源输出的光信号上，生成具有N根梳齿的光频梳；对于所述光频梳的每一根梳齿，分别以其作为光载波，利用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法测量出待测光信号在该梳齿所对应频带内的频谱；将各梳齿所对应频带内的频谱组合，得到待测光信号的宽带频谱。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述基于微波扫频源和相干光电探测的光谱
测量方法具体如下：将微波扫频信号调制到所述光载波上，生成抑制载波的光单边带扫频信号；然后，以所述抑制载波的光单边带扫频信号作为本振信号，利用90度光混频器将待测光信号和本振信号混频，产生四路差分信号；随后使用两个平衡光电探测器对四路差分信号进行平衡光电探测，输出携带本振信号频率处待测光信号信息的窄带电信号；最后，将所述窄带电信号转换为数字信号，以微波扫频源的输出为参考，利用幅度提取算法对所述数字信号进行处理，得到本振信号频率处的待测光信号频谱。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述抑制载波的光单边带扫频信号为+2阶光
单边带扫频信号。
4.如权利要求1～3任一项所述方法，其特征在于，利用并行方式同时测量出待测光信
号在各梳齿所对应频带内的频谱。
5.光谱测量装置，其特征在于，包括：
光载波生成单元，其包括窄线宽光源、光频梳调制器、微波源，用于将微波源所输出的具有固定频率及相位的微波信号调制到由窄线宽光源输出的光信号上，生成具有N根梳齿的光频梳；
光谱测量单元，对于所述光频梳的每一根梳齿，分别以其作为光载波，利用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法测量出待测光信号在该梳齿所对应频带内的频谱；并将各梳齿所对应频带内的频谱组合，得到待测光信号的宽带频谱。
6.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述光载波生成单元还包括可将所述光频梳
中任一梳齿滤出的光子滤波器；所述光谱测量单元包括：
微波扫频源，用于输出微波扫频信号；
光单边带调制器，用于将微波扫频信号调制到光载波生成单元输出的光载波上，生成抑制载波的光单边带扫频信号；
90度光混频器，用于以所述抑制载波的光单边带扫频信号作为本振信号，将待测光信号和本振信号混频，产生四路差分信号；
两个平衡光电探测器，用于对90度光混频器输出的四路差分信号进行平衡光电探测，输出携带本振信号频率处待测光信号信息的窄带电信号；
模数转换单元，用于将平衡光电探测器输出的窄带电信号转换为数字信号；
主控单元，用于以微波扫频源的输出为参考，利用幅度提取算法对所述数字信号进行处理，得到本振信号频率处的待测光信号频谱，并将各梳齿所对应频带内的频谱组合，得到待测光信号的宽带频谱。
7.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述光载波生成单元还包括光波分复用器，用于将所述光频梳的N根梳齿分为N路光载波并行输出；所述光谱测量单元包括：
微波扫频源，用于输出微波扫频信号；
功分器，用于将微波扫频源输出的微波扫频信号等分为N路；
N个光单边带调制器，用于将功分器输出的N路微波扫频信号一一对应地调制到所述N路光载波上，生成N路抑制载波的光单边带扫频信号；
光分束器，用于将待测光信号分为N路输出；
N个90度光混频器，与N个光单边带调制器一一对应，每个90度光混频器用于以其所对应光单边带调制器输出的抑制载波的光单边带扫频信号作为本振信号，将一路待测光信号和本振信号混频，产生四路差分信号；
2N个平衡光电探测器，每两个平衡光电探测器与一个90度光混频器相对应，用于对该90度光混频器输出的四路差分信号进行平衡光电探测，输出携带本振信号频率处待测光信号信息的窄带电信号；
模数转换单元，用于将平衡光电探测器输出的窄带电信号转换为数字信号；
主控单元，用于以微波扫频源的输出为参考，利用幅度提取算法对所述数字信号进行处理，得到本振信号频率处的待测光信号频谱，并将各梳齿所对应频带内的频谱组合，得到待测光信号的宽带频谱。
8.如权利要求6或7所述装置，其特征在于，所述抑制载波的光单边带扫频信号为+2阶光单边带扫频信号。
9.如权利要求8所述装置，其特征在于，所述光单边带调制器由90°定向耦合器与双平行马赫-曾德尔调制器构成，双平行马赫-曾德尔调制器的两个电输入端口分别与90°定向耦合器的两个输出端口相连。
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