CN107315108A - 大带宽光信号射频谱实时测量的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大带宽光信号射频谱实时测量的方法及系统，包括超短脉冲源，第一大色散单元，偏振控制器，光耦合器，非线性器件，光滤波器，第二大色散单元，光电探测器，实时示波器。本发明直接在时域上待测信号的射频谱信息，能实现信号的射频谱从MHz到GHz的实时测量帧频速率；本发明直接将光载波的射频谱测量从电域测量直接转换到光域上测量，规避了光电探测器的带宽限制，具有测量上100GHz大射频带宽的优点。

Description

大带宽光信号射频谱实时测量的方法及系统

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，特别涉及大带宽光信号射频谱实时测量的方法及系统。

背景技术

射频谱是指电磁场的强度包络的傅里叶谱，光也是一种电磁波，可以当作一种载波，具有带宽大、抗电磁干扰等优点。随着光通信技术和微波光子学技术等技术迅速发展，光载波的射频谱测量已被广泛地运用在了光通信的信号质量监测、无线电通信、雷达系统、电子集成芯片等科学研究中。这些科研研究中，通常是将待探测的信息通过一定方式加载在光载波信号的大带宽的射频谱上，因此光载波信号的大带宽射频谱的精确测量是这些应用的基础。目前，有很多测量精度高的方案都可在一定程度上实现光载波的信号的大带宽射频谱测量，主要分为两类方案。第一类是基于电学领域的电子测量技术方案，其中比较典型的方案是扫频调谐式和快速傅里叶变化式。扫频调谐式和快速傅里叶变化式这两种方法都是通过将光载波信号通过光电探测器转换为电信号后通过电域上成熟的电学处理技术来测量其射频谱信息。这类方案基于较为成熟的电子技术，其测量分辨率较高。但其可测量的射频谱宽受限于光电探测器带宽的限制，一般在100GHz以下。此外受限于电子信号处理速率，其实时测量速率有限。因此这类方案不适用于待测信号射频谱较宽(>100GHz)的场合，也不适用于需要实时测量射频谱的超快动态变化的场合。第二类是基于非线性效应的全光域的射频谱测量方案。其通过交叉相位调制等非线性效应，将待测光载波信号的射频谱转换到探测光的光谱上，然后通过光谱仪来直接读取其射频谱信息。这种方法因为利用超快的非线性效应，避免了光电探测器的转换带宽限制，能测量较大带宽的射频谱，目前已有报道可测量高达2.5THz的带宽。但由于采用光谱仪直接读取射频谱信息，其分辨率受限于光谱仪分辨率，常见的衍射光栅光谱仪分辨率为0.02nm，其对应的射频谱分辨率为2.5GHz。此外受限于光谱仪的扫描速率，其射频谱探测的速率较慢，在MHz量级以下，故其不适用于需要实时测量射频谱的超快动态变化的场合。通过对现有技术的分析，可以发现当前技术能较好适用于光载波信号的大带宽射频谱变化较慢的领域，但不能适用于光载波信号的大带宽射频谱的较快动态变化的领域。

因此，需要研究一种大带宽光信号射频谱实时测量的方法及系统，它不仅要完成大带宽射频谱的测量，而且要能实时测量该射频谱超快动态变化，以克服现有技术在这种场合下能力极为有限的缺陷。此外该系统还需结构简单，适用范围较广等优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出能实现大带宽光信号射频谱实时测量的方法及系统，以克服现有技术在该应用领域内能力极为有限的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明首先提出了一种大带宽光信号射频谱实时测量的方法，包括以下步骤：

超短脉冲进行时域色散展开，形成扫频光源，控制扫频光源的偏振态，使其与输入的待测的大带宽信号光的偏振态一致；

待测的信号光与扫频光源耦合后进行交叉相位调制效应后输出，将输出光滤取出交叉相位调制导致的扫频光附近单边带拓展的光谱；

滤取出的扫频光附近单边带拓展的光谱进行色散压缩后，其色散量与色散展开时的色散量大小相等，性质相反时，色散压缩后输出的时域信号波形与输入的待测大带宽信号光的射频谱成一定的比例；

所述时域信号经光电探测器探测，将光信号转变为电信号后进入实时示波器中实时采样得到幅度信息，其输出的幅度信息和待测大带宽的信号的射频谱是成比例的。

本发明同时提供一种大带宽光信号射频谱实时测量的系统，包括超短脉冲源，第一大色散单元，偏振控制器，光耦合器，非线性器件，光滤波器，第二大色散单元，光电探测器，实时示波器；

所述超短脉冲源，用于产生带宽较大的超短脉冲；

所述第一大色散单元，用于将超短脉冲进行时域拉伸形成扫频光源；

所述偏振控制器，用于控制扫频光源的偏振态与输入待测光的偏振态一致，使交叉相位调制效应最优；

光耦合器，用于将待测的泵浦信号光和扫频光源按一定功率比例耦合到一个支路中；

非线性器件，用于发生交叉相位调制效应；

光滤波器，将交叉相位调制产生的探测光光谱滤取出来；

所述第二大色散单元，其色散量与第一大色散单元的色散量的相等，性质相反，其输出的光时域波形与待测信号的射频谱成比例；

所述光电探测器，将探测的光信号转换成模拟电信号；

所述实时示波器，用于对光探测器输出电流进行采样和量化后转换为数字信号。

优选的，所述第一大色散单元或第二大色散单元可选用光纤、布拉格啁啾光栅、多模光纤、波分复用器实现。

同样优选的，所述非线性器件单元可选用高非线性光纤、二氧化硅波导、硅基波导、氮化硅波导、硫化砷波导或高非线性的有机物集成器件实现。

同样优选的，非线性器件单元，第一、第二大色散单元均在芯片上集成实现。

同样优选的，所述光探测器为高速光探测器。

同样优选的，所述实时示波器为实时采样模式。

本发明能完成光载波的信号的大带宽射频谱的超快动态变化这个应用领域内的实时测量，以缓解现有技术在这领域内能力极为有限的现状。该发明直接时域上探测待测信号的射频谱信息，将射频谱测量过程转换到时域波形的测量，具有测量带宽大且能实时测量的优点，其适用范围广，结构简单的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明具体实施的大带宽光信号射频谱实时测量系统结构示意图。

图2测试该系统的余弦信号的仿真时域波形图。

图3测试该系统的余弦信号的仿真射频谱图。

图4为交叉相位调制后扫频光附近的光谱和滤波后的光谱图。

图5为最后该系统经实时示波器后采样得到的时域波形图。

图6(a)仿真得到的该系统带宽。

图6(b)实验测得的该系统的带宽。

图7为实验测得的测试该系统的射频分辨率时得到的信号波形图。

图8为测试该系统的射频功率工作范围图。

图9为该系统测试大射频频率快速变化的场景。

具体实施方式

如图1所示的大带宽光信号射频谱实时测量的方法及系统，包括：锁模激光器单元1，第一大色散单元2，偏振控制器单元3，光耦合器单元4，非线性器件单元5，光滤波器单元6，第二大色散单元7，光电探测器单元8，实时示波器9。第一大色散单元或第二大色散单元可以选用光纤、布拉格啁啾光栅、多模波导、或波分复用器实现。

非线性器件单元5可选用高非线性光纤、二氧化硅波导、硅基波导、氮化硅波导、硫化砷波导或高非线性的有机物集成器件实现。非线性器件单元，第一、第二大色散单元均在芯片上集成实现。光电探测器为高速光探测器。实时示波器为实时采样模式。

表1是该系统一种实施例的主要器件的主要实验参数，该器件可以换成具有相同功能的其他材料器件。

表1

本发明具体实施的大带宽光信号射频谱实时测量的方法及系统，具体包括如下步骤：

1)超短脉冲源单元1输出的超短脉冲经过第一大色散单元2进行时域色散展开，形成扫频光源，偏振控制器单元3控制扫频光源的偏振态，使其与输入的待测信号光的偏振态一致；

2)待测的信号光与扫频光源进入光耦合器单元4进行耦合后输入到非线性器件单元5中进行交叉相位调制效应后输出，将输出扫频光经过后置的光滤波器单元6滤取出交叉相位调制导致的扫频光附近拓展的光谱；

3)滤取出的扫频光输入第二大色散单元7压缩后，其色散量与第一大色散单元的色散量大小相等，性质相反时，经过第二大色散单元后输出的时域波形形状与待测输入大带宽信号的射频谱成一定的比例；

4)第二大色散单元输出后的时域信号经光电探测器单元8探测，将光信号转变为电信号后进入实时示波器单元9进行实时采样得到幅度信息，其输出的幅度信息和待测大带宽的信号的射频谱是成比例的。

如图2、图3可以看出使用测试该系统测量能力的是余弦信号，其射频频率为500GHz，是由两个光波长为1536.761nm和1540.71nm的连续光拍频产生，其频率已经远超出了当前电光探测器的带宽(最高为100GHz)，其射频谱是基于常规电子射频谱技术所不能测量的，因此该图是用MATLAB仿真产生的。如图4所示，待测光信号经交叉相位调制调制了载波为1556nm处的超短脉冲的光谱，其经过光滤波器滤取出来的单边光谱进入第二大色散单元7进行压缩。如图5所示，可以看出通过40GHz高速光电探测器和实时示波器取样后的时域波形是与待测信号的500GHz的射频信号成一定比例，也即可以在时域上实时测量出该待测信号的射频信号。此外，从时间尺度上来看，两个连续测得的频谱相隔时间尺度为10.56ns，也即该测量系统可以实时测量帧频速率可高达94MHz。

如图6(a)可以看出通过将输入光载波的待测信号调谐为不同射频频率的余弦信号，通过仿真可以测得的该大带宽实时测量射频谱系统后输出的时域波形的峰值功率来测试该系统可测量射频带宽。可以看到对射频信号从0GHz-900GHz频谱范围以均等间隔100GHz进行扫频，其仿真输出的带宽结果如图所示，其900GHz处峰值还未降到最大值的一半，也即仿真显示可测量带宽为0-900GHz。如图6(b)可以看出，其输出的实验结果与仿真结果非常吻合，由于光谱滤波的原因，其0-100GHz范围是不可测的，因此实验结果表明其可测量范围为100-900GHz总共为800GHz。

如图7可以看出通过将由射频频率间隔为1.25GHz组成的待测信号输入该系统来测试其射频频率分辨率。可以看到通过该系统后其时域波形中间值为最高值的3dB的两个脉冲形状。按照类似瑞利判据，当两脉冲峰值与其交叠处的谷值处相差为3dB时认为这两个脉冲在时域上是清晰可分辨的，可以认为这两个射频信号所形成的时域脉冲是基本可以分辨的，因此，可以定义为该系统的射频分辨率为1.25GHz，其主要是受限于高速光电探测器和实时示波器的带宽限制，当采用目前最先进的实时示波器系统时，其分辨率可以进一步增强。当射频频率间隔为2.5GHz时，经过该系统后的结果在时域上是完全可以分辨的，因此该系统的射频频谱分辨率为1.25GHz。

如图8可以看出，通过将输入信号的光平均功率由4dBm扫描到20dBm时，通过测量系统输出脉冲形状的峰值功率与输入光功率的线性关系来测量该系统可以工作的光功率范围。可以看出，在4dBm到14dBm区间内，输出信号功率与输入信号功率成优良的线性关系，这说明该系统在此功率区间内可以成功工作。而输入射频功率在14dBm到20dBm区间内，输出功率与输入功率并不成线性关系，这说明该输入射频功率区间内该系统是失真的，是无法正常工作的。这主要是由该系统原理上引入的限制，其在交叉相位调制时要求输入的待测信号功率要小于一定阈值，当超过该阈值时其交叉相位调制后的光谱与该信号的射频谱并不能近似。因此可以看到该系统对输入射频功率范围由4dBm到14dBm的区间内都是可以正常工作的，其动态范围有10dB。但在实际中其还与所选取光电探测器、光放大器等参数有关，可以进一步优化。

如图9可以看出，通过将输入信号的射频频率由0GHz切换到505GHz再切换到300GHz最后再切换到597GHz的动态试验中，切换时间为10ns，远超过了目前技术的能力范围，为了进一步区分，特意在试验中让三个射频频率的功率按500GHz-600GHz-300GHz的顺序从大到小降低，通过这样的实验设置来测试该实时示波器的大带宽实时性能。从测得的结果可以看出，射频频率的测量结果按0GHz-505GHz-300GHz-597GHz的顺序在切换，并且切换速率为10ns，而且功率的确500GHz最高，300GHz最低。这与实验装置的是一致的，因此该实验结果说明了我们的方案是非常成功的。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照常见器件参数实施示例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案中器件进行修改或者等同替换，如将非线性器件单元由高非线性光纤替换成优化设计过的硅基波导，如将大色散光纤替换为优化设计过的具有大色散的布拉格光栅等，可以得到更优的可测量带宽、可集成化和小型化等，但其不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种大带宽光信号射频谱实时测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

超短脉冲进行时域色散展开，形成扫频光源，控制扫频光源的偏振态，使其与输入的待测的大带宽信号光的偏振态一致；

待测的信号光与扫频光源耦合后进行交叉相位调制效应后输出，将输出光滤取出交叉相位调制导致的扫频光附近单边带拓展的光谱；

滤取出的扫频光附近单边带拓展的光谱进行色散压缩后，其色散量与色散展开时的色散量大小相等，性质相反时，色散压缩后输出的时域信号波形与输入的待测大带宽信号光的射频谱成一定的比例；

所述时域信号经光电探测器探测，将光信号转变为电信号后进入实时示波器中实时采样得到幅度信息，其输出的幅度信息和待测大带宽的信号的射频谱是成比例的。

2.一种大带宽光信号射频谱实时测量的系统，其特征在于，包括超短脉冲源，第一大色散单元，偏振控制器，光耦合器，非线性器件，光滤波器，第二大色散单元，光电探测器，实时示波器；

所述超短脉冲源，用于产生带宽较大的超短脉冲；

所述第一大色散单元，用于将超短脉冲进行时域拉伸形成扫频光源；

所述偏振控制器，用于控制扫频光源的偏振态与输入待测光的偏振态一致，使交叉相位调制效应最优；

光耦合器，用于将待测的泵浦信号光和扫频光源按一定功率比例耦合到一个支路中；

非线性器件，用于发生交叉相位调制效应；

光滤波器，将交叉相位调制产生的扫频光的拓展单边光谱滤取出来；

所述第二大色散单元，其色散量是第一大色散单元的色散量的相等，性质相反，其输出的光时域波形与待测信号的射频谱成比例；

所述光电探测器，将探测的光信号转换成模拟电信号；

所述实时示波器，用于对光电探测器输出的电流进行采样和量化后转换为数字信号。

3.根据权利要求2所述的大带宽光信号射频谱实时测量的系统，其特征在于，所述第一大色散单元或第二大色散单元可选用光纤、布拉格啁啾光栅、多模波导、或波分复用器实现。

4.根据权利要求2所述的大带宽光信号射频谱实时测量的系统，其特征在于，所述非线性器件单元可选用高非线性光纤、二氧化硅波导、硅基波导、氮化硅波导、硫化砷波导或高非线性的有机物集成器件实现。

5.根据权利要求2所述的大带宽光信号射频谱实时测量的系统，其特征在于，所述非线性器件单元，第一、第二大色散单元均在芯片上集成实现。

6.根据权利要求2所述的大带宽光信号射频谱实时测量的系统，其特征在于，所述光电探测器为高速光探测器。

7.根据权利要求2所述的大带宽光信号射频谱实时测量的系统，其特征在于，所述实时示波器为实时采样模式。