CN107911161B - 精确测量光纤三阶色散的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了精确测量光纤三阶色散的系统及方法，其中，系统包括：宽谱光源、分光装置、电光调制器、可编程光处理器、合光装置、光电探测器、矢量网络分析仪、处理器。通过处理器根据矢量网络分析仪输出的系统响应数据计算通带展宽因子B，并分析通带展宽因子B是否超出预设阈值，若超出，处理器迭代计算色散补偿系数，并不断控制可编程光处理器产生新的补偿基带信号，直至通带展宽因子B不超出预设阈值。当计算得到的通带展宽因子B不超出预设阈值，说明光纤中的三阶色散值被精确补偿，根据补偿量与残余量的关系，根据最终的通带展宽因子B精确确定待测光纤中的三阶色散值。

Description

精确测量光纤三阶色散的系统及方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种精确测量光纤三阶色散的系统及方法。

背景技术

三阶色散是光纤的基本特征之一。通常当光脉冲远离光纤的零色散波长传播时，三阶色散的影响较小，可以被看作微扰。然而，随着过去十年对光通信速度的需求不断增加，超短脉冲传输技术变得至关重要。对于超短脉冲技术，由于脉冲的频谱宽度足够大，此时由三阶色散引入的信号失真变得显著，已经不能被当作微扰处理。在传输速度可达1Tb/s的超快光时分复用系统中(光脉冲宽度小于1ps)，三阶色散引起的脉冲脉宽展宽，峰值强度降低，脉冲分裂，边缘振荡和形状不对称等问题不可忽视。此外，在超短光孤子通信系统中，三阶色散也会导致孤子峰偏移，高阶孤子分裂等问题。

传统测量光纤中三阶色散的方法分为频域法与时域法两种。频域法又被称为调制相移法，其利用可调激光器不同光波长经过光纤传输所产生的相移来测量色散，该方法的测量精度受到可调激光器的波长精度和波长扫描步长的限制。虽然测量精度可以通过降低波长扫描步长来提高，但扫描步长的减小会导致测量时间的增加。为了在长时间的测量中减少环境温度对测量结果的影响，需要复杂的温控设备来降低温度不稳定性。色散测量的时域方法是利用不同波长脉冲在光纤中传输时间的差分获得色散。与频域测量相比，时域技术由于不需要波长扫描，所以测量速度更快，但由于采样点较少，测量精度较低。两种解决方案的共同缺点是，由于高阶色散项均与波长延时的差分有关，所以很难精确地确定光纤中高阶色散。

因此，如何精确地测量光纤中的三阶色散成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出的精确测量光纤三阶色散的系统，包括：宽谱光源、分光装置、电光调制器、可编程光处理器、合光装置、光电探测器、矢量网络分析仪、处理器。通过处理器根据矢量网络分析仪输出的系统响应数据计算通带展宽因子B，并分析通带展宽因子是否B超出预设阈值，若超出，处理器迭代计算色散补偿系数，并不断控制可编程光处理器产生新的补偿基带信号，直至通带展宽因子B不超出预设阈值。当计算得到的通带展宽因子B不超出预设阈值，说明光纤中的三阶色散值被精确补偿，根据补偿量与残余量的关系，根据最终的通带展宽因子B精确确定待测光纤中的三阶色散值。此外，基于高精度光谱产生与迭代测量，本发明可以实现的三阶色散测量不确定度为0.2％，高于传统的时域测量法。与传统的频域色散测量方法相比，本发明在相同的色散测量精度条件下，可以将测量时间从几小时降低至几分钟，从而降低了色散对环境温度的敏感性。所提出的系统非常适合于补偿超短脉冲通信链路中的三阶色散失真以及构建基于高频段的高Q值微波光子滤波器。

为此，本发明的第二个目的在于提出的精确测量光纤三阶色散的方法。

为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的精确测量光纤三阶色散的系统，包括：

宽谱光源，用于产生宽谱光信号，所述宽谱光信号用于入射到分光装置中；

所述分光装置，用于将所述宽谱光信号分成第一束宽谱光信号和第二束宽谱光信号，其中，第一束宽谱光信号用于入射到电光调制器中，第二束宽谱光信号用于入射到可编程光处理器中；

电光调制器，用于接收矢量网络分析仪输出的第一射频信号，并将所述第一射频信号加载到第一束宽谱光信号上以形成调制光信号，所述调制光信号用于入射到合光装置中；

可编程光处理器，用于对所述第二束宽谱光信号进行光谱处理以获取基带宽谱光信号，并在处理器的控制下，对所述基带宽谱光信号进行光谱处理以生成补偿基带信号，所述补偿基带信号用于入射到合光装置中；

所述合光装置用于将所述调制光信号和所述补偿基带信号进行耦合，得到耦合后的宽谱光信号；

所述耦合后的宽谱光信号经待测光纤入射到光电探测器中，所述光电探测器，用于将所述耦合后的宽谱光信号进行光电转换以输出第二射频信号，以及将所述第二射频信号输出给矢量网络分析仪；

所述矢量网络分析仪，用于对所述第二射频信号进行分析处理并输出系统响应数据；

所述处理器，分别与可编程光处理器、矢量网络分析仪连接，用于根据矢量网络分析仪输出的当前时刻的系统响应数据计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B；

所述处理器，还用于判断当前时刻系统对应的通带展宽因子B是否超出预设阈值，若判断结果为是，计算下一时刻的色散补偿系数θ₁，根据下一时刻的色散补偿系数θ₁控制可编程光处理器在下一时刻生成相应的补偿基带信号；以及根据矢量网络分析仪输出的下一时刻的系统响应数据计算下一时刻系统对应的通带展宽因子B₁，若判断下一时刻系统对应的通带展宽因子B₁仍然超出预设阈值，迭代计算下一时刻的色散补偿系数直至下一时刻系统的通带展宽因子B₁不超出预设阈值；

所述处理器，还用于若判断结果为否，则根据当前时刻系统对应的通带展宽因子B计算待测光纤的三阶色散值。

如上所述的系统，所述处理器，用于根据矢量网络分析仪输出的当前时刻的系统响应数据计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B，包括：

所述处理器，用于对当前时刻的系统响应数据进行取对数操作，分别获取实部数据和虚部数据；

所述处理器，还用于对所述实部数据进行二次曲线拟合，并获取拟合得到实部二次系数X_real，以及对所述虚部数据进行二次曲线拟合，并获取拟合得到虚部二次系数X_im；

所述处理器，还用于根据公式B＝X_im/X_real计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B。

如上所述的系统，所述处理器，还用于根据当前时刻系统对应的通带展宽因子B计算待测光纤的三阶色散值，包括：

所述处理器，还用于根据公式计算待测光纤的三阶色散值β₃L；

其中，θ为当前时刻的色散补偿系数；Ω_σ为高斯光谱的均方根带宽；ω_f为系统工作的中心频率；L为待测光纤的总长度；β₃为单位长度的三阶色散。

如上所述的系统，所述处理器，还用于计算下一时刻的色散补偿系数θ₁，包括：

所述处理器，还用于根据公式θ₁＝θ+B/Ω_σ ²计算下一时刻的色散补偿系数θ₁。

如上所述的系统，还包括：起偏器；

所述宽谱光信号入射到所述起偏器中，所述起偏器用于从所述宽谱光信号中获取线偏振光；

则所述分光装置，用于将所述宽谱光信号分成第一束宽谱光信号和第二束宽谱光信号，包括：所述线偏振光入射到所述分光装置中，所述分光装置用于将所述线偏振光分束成第一束宽谱光信号和第二束宽谱光信号。

如上所述的系统，还包括：第一偏振控制器、可调光延迟线、和/或第二偏振控制器；

所述第一束宽谱光信号经所述第一偏振控制器和所述可调光延迟线入射到所述电光调制器中，所述第一偏振控制器用于调整入射到所述电光调制器中的第一束宽谱光信号的偏振态，所述可调光延迟线用于调整入射到所述电光调制器中的第一束宽谱光信号的延迟量；

和/或，所述第二束宽谱光信号经所述第二偏振控制器入射到所述可编程光处理器中，所述第二偏振控制器用于调整入射到所述可编程光处理器中的第二束宽谱光信号的偏振态。

如上所述的系统，还包括：光纤放大器；

其中，所述耦合后的宽谱光信号经待测光纤入射到光电探测器中，包括：

所述耦合后的宽谱光信号经待测光纤和所述光纤放大器入射到光电探测器中，所述光纤放大器用于将耦合后的宽谱光信号进行功率放大。

为了实现上述目的，本发明第二方面实施例的精确测量光纤三阶色散的方法，包括：

宽谱光源产生宽谱光信号，所述宽谱光信号用于入射到分光装置中；

所述分光装置将所述宽谱光信号分成第一束宽谱光信号和第二束宽谱光信号，其中，第一束宽谱光信号用于入射到电光调制器中，第二束宽谱光信号用于入射到可编程光处理器中；

电光调制器接收矢量网络分析仪输出的第一射频信号，并将所述第一射频信号加载到第一束宽谱光信号上以形成调制光信号，所述调制光信号用于入射到合光装置中；

可编程光处理器对所述第二束宽谱光信号进行光谱处理以获取基带宽谱光信号，并在处理器的控制下，对所述基带宽谱光信号进行光谱处理以生成补偿基带信号，所述补偿基带信号用于入射到合光装置中；

所述合光装置将所述调制光信号和所述补偿基带信号进行耦合，得到耦合后的宽谱光信号；

所述耦合后的宽谱光信号经待测光纤入射到光电探测器中，所述光电探测器将所述耦合后的宽谱光信号进行光电转换以输出第二射频信号，以及将所述第二射频信号输出给矢量网络分析仪；

所述矢量网络分析仪对所述第二射频信号进行分析处理并输出系统响应数据；

所述处理器，分别与可编程光处理器、矢量网络分析仪连接，根据矢量网络分析仪输出的当前时刻的系统响应数据计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B；

所述处理器判断当前时刻系统对应的通带展宽因子B是否超出预设阈值，若判断结果为是，则所述处理器计算下一时刻的色散补偿系数θ₁，根据下一时刻的色散补偿系数θ₁控制可编程光处理器在下一时刻生成相应的补偿基带信号；以及根据矢量网络分析仪输出的下一时刻的系统响应数据计算下一时刻系统对应的通带展宽因子B₁，若判断下一时刻系统对应的通带展宽因子B₁仍然超出预设阈值，迭代计算下一时刻的色散补偿系数直至下一时刻系统的通带展宽因子B₁不超出预设阈值；

若判断结果为否，则所述处理器根据当前时刻系统对应的通带展宽因子B计算待测光纤的三阶色散值。

如上所述的方法，所述处理器根据矢量网络分析仪输出的当前时刻的系统响应数据计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B，包括：

所述处理器对当前时刻的系统响应数据进行取对数操作，分别获取实部数据和虚部数据；

所述处理器对所述实部数据进行二次曲线拟合，并获取拟合得到实部二次系数X_real，以及对所述虚部数据进行二次曲线拟合，并获取拟合得到实部二次系数X_im；

所述处理器根据公式B＝X_im/X_real计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B。

如上所述的方法，所述处理器根据当前时刻系统对应的通带展宽因子B计算待测光纤的三阶色散值，包括：

所述处理器根据公式计算待测光纤的三阶色散值β₃L；

其中，θ为当前时刻的色散补偿系数；Ω_σ为高斯光谱的均方根带宽；ω_f为系统工作的中心频率；L为待测光纤的总长度；β₃为单位长度的三阶色散。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，

图1为本发明一实施例的精确测量光纤三阶色散的系统的结构示意图；

图2至图5为本发明实例提供的通带展宽因子B为不同值时的系统响应。

附图标记：

宽谱光源1、分光装置2、电光调制器3、可编程光处理器4、合光装置5、光电探测器6、矢量网络分析仪7、处理器8、待测光纤9、第一偏振控制器10、可调光延迟线11、第二偏振控制器12、光纤放大器13、起偏器14。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的精确测量光纤三阶色散的系统及方法。

在此介绍本发明的精确测量光纤三阶色散的工作原理。

待测光纤作为色散介质，其中，光场主模的相位延迟为：

其中，Ω为光频，Ω₀为参考频率，β₂为光纤中的单位长度的二阶色散，β₃为单位长度的三阶色散。

整个系统(系统可看成滤波器)的响应为：

其中，Ω₁＝Ω-Ω₀为偏移频率，ω在射频域中取值，τ为系统中马赫曾德结构两臂之间的延时差。此处的W(Ω₁)为可编程光处理器产生的光信号，相比于理想滤波器，三阶色散的存在导致系统的中心频率由原来的ω_f＝τ/(β₂L)偏移了Δω_f＝β₃τ²/(2β₂ ²L²)，除此之外，式中的失真项

还揭示了三阶色散的存在导致的其他影响，包括滤波器的通带展宽，Q值降低以及相位非线性等问题。由此可知，三阶色散会引起的系统响应畸变，如果能够精确测出光纤中的三阶色散值，那么就能使系统中的三阶色散被精确补偿，改善系统的响应。

为此，本发明的精确测量光纤三阶色散的工作原理为利用系统的传输函数失真与三阶色散值间的定量关系，具体地：利用系统的传递函数求得三阶色散值，反馈控制可编程光谱处理器产生与新的色散补偿值对应的补偿基带信号，迭代有限次之后，系统中的三阶色散可以被精确补偿，此时根据补偿量与残余量的关系，可以得出待测光纤三阶色散的精确值。

这时，可编程光谱处理器产生的补偿基带信号为：

其中，θ为色散补偿系数，Ω_σ为高斯光谱的均方根带宽，补偿后的整个系统的响应为：

此处κ为代表强度因子，与宽谱光源的功率以及光电探测器的响应度有关。

在本发明中，定义通带展宽因子B来直观表示滤波器(即系统)响应的恶化程度，在滤波器通带的30dB带宽之内，其定义为，

B＝(β₃Lω_f-θ)Ω_σ ² (5)

将通带展宽因子B带入公式(4)中，并对其进行对数变换，得到以对数形式表示的整个系统的响应为：

通过观察公式(6)可知，在以对数形式表示的整个系统的响应中，实部Re(lnH(ω))与虚部Re(lnH(ω))的二次项系数间存在倍数关系B。故，通过系统响应数据中的实部数据进行二次曲线拟合，可以得到实部二次系数X_real；通过系统响应数据中的虚部数据进行二次曲线拟合，可以得到虚部二次系数X_im，根据公式B＝X_im/X_real即可计算得到的通带展宽因子B。

根据公式(5)可知，待测光纤的三阶色散值为：

其中，θ为当前时刻的色散补偿系数；Ω_σ为高斯光谱的均方根带宽；ω_f为系统工作的中心频率；L为待测光纤的总长度；β₃为单位长度的三阶色散。即得到通带展宽因子B，就能实现精确地计算待测光纤中的三阶色散值β₃L。

尽管通过计算通带展宽因子B就能够计算待测光纤中的三阶色散值β₃L，但是当三阶色散值未被补偿或补偿余量较大时，通过系统响应数据并不能得到通带展宽因子B的精确值。为此，本发明提出迭代法来解决这一问题，通过多次迭代使得通带展宽因子B的值达到预设阈值以下时(例如，设置|B|<0.01)，可以精确测得光纤的三阶色散值。例如，采用牛顿迭代法，在当前时刻对应的通带展宽因子B在预设阈值之上时，则迭代计算的下一时刻色散补偿系数为：

其中，θ₁为下一时刻的色散补偿系数，θ为当前时刻的色散补偿系数，B为当前时刻对应的通带展宽因子。需要说明的是，初始时刻的色散补偿系数根据实际需求进行设置，比如初始时刻的色散补偿系数设置为0。

每次生成一个新的色散补偿系数，相应地，可编程光处理器根据公式(3)产生的补偿基带信号，同时，整个系统的响应发生变化，产生新的系统响应数据，根据新的系统响应数据计算新的通带展宽因子B。若新的通带展宽因子B仍然在预设阈值之上时，则继续迭代计算下一时刻的色散补偿系数直至出现的通带展宽因子B在预设阈值之下时。最后根据最终确定的通带展宽因子B，并根据公式(7)计算最终的待测光纤的三阶色散值，通过得到精确的通带展宽因子B，实现精确地计算待测光纤中的三阶色散值β₃L。

图1为本发明一实施例的精确测量光纤三阶色散的系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例提供的精确测量光纤三阶色散的系统，包括：宽谱光源1、分光装置2、电光调制器3、可编程光处理器4、合光装置5、光电探测器6、矢量网络分析仪7、处理器8。

其中，宽谱光源1，用于产生宽谱光信号，宽谱光信号用于入射到分光装置2中。

具体地，宽谱光源1是自发辐射产生的，常见的宽谱光源为掺饵光纤放大器(EDFA)的自发辐射谱和发光二极管(LED)的发射谱。与传统的激光器相比，宽谱光源具有光源结构简单、成本低廉、易于控制和维护、不需要驱动电路控制温度和光波长等优点，波长的变换只要改变光滤波器中心波长即可。在本实施例，由于宽谱光信号的功率分布在很大频率范围内并且具有良好的非相干性，可以解决光源相干性给系统带来的非稳定性问题。

其中，分光装置2，用于将宽谱光信号分成第一束宽谱光信号和第二束宽谱光信号，其中，第一束宽谱光信号用于入射到电光调制器3中，第二束宽谱光信号用于入射到可编程光处理器4中。

具体地，宽谱光源1发出的宽谱光信号入射到分光装置2上，分光装置2将宽谱光信号分成两束光信号，其中，第一束宽谱光信号用于入射到电光调制器3中，第二束宽谱光信号用于入射到可编程光处理器4中。

进一步地，系统还包括：起偏器14。

其中，宽谱光信号入射到起偏器14中，起偏器14用于从宽谱光信号中获取线偏振光。

具体地，宽谱光信号是偏振方向随机的光，宽谱光信号经过起偏器14之后，变成只有一个偏振方向的线偏振光。

举例来说，本实施例中的分光装置2可以是分光器，用来将一束光分成多束光。当线偏振光入射到分光装置2中时，分光装置2用于将线偏振光分束成第一束宽谱光信号和第二束宽谱光信号。

其中，电光调制器3，用于接收矢量网络分析仪7输出的第一射频信号，并将第一射频信号加载到第一束宽谱光信号上以形成调制光信号，调制光信号用于入射到合光装置5中。

具体地，电光调制器3为一种常见的将电信号调制到光信号以便在光域对信号进行处理的器件，是连接电和光的入口。常见的调制器有相位调制器与强度调制器。本实施例采用强度调制器。电光调制器3可以将电信号加载到光信号上，其中，光信号为电信号的载波。在本实施例中，矢量网络分析仪7输出的第一射频信号为电信号，第一束宽谱光信号为载波，电光调制器3将第一射频信号加载到第一束宽谱光信号上形成调制光信号。

进一步地，系统还包括：第一偏振控制器10、可调光延迟线11。

其中，第一束宽谱光信号经第一偏振控制器10和可调光延迟线11入射到电光调制器3中，第一偏振控制器10用于调整入射到电光调制器3中的第一束宽谱光信号的偏振态，可调光延迟线11用于调整入射到电光调制器3中的第一束宽谱光信号的延迟量。本实施例通过第一偏振控制器10控制第一束宽谱光信号的偏振态，进而保证第一束宽谱光信号更好地入射到电光调制器3上；通过可调光延迟线11保证第一束宽谱光信号具有满足需求的延迟量。

其中，可编程光处理器4，用于对第二束宽谱光信号进行光谱处理以获取基带宽谱光信号，并在处理器8的控制下，对基带宽谱光信号进行光谱处理以生成补偿基带信号，补偿基带信号用于入射到合光装置5中。

具体地，以Finisar 4000S可编程光处理器为例，Finisar 4000S是一种可以通过编程控制的C/L波段光处理器。Finisar 4000S可编程光处理器主要由光栅、反射镜、硅基液晶处理器等组成，其工作原理为：入射光先到达光栅，不同频率的光波被光栅分开，经过反射镜反射后到达硅基液晶处理器不同位置的像素。通过在像素点上加载电压，可以控制到达该像素点光的幅度与相位。由于不同波长的光在到达硅基液晶之前已经被分开，所以对不同波长光的处理都是独立的，互不影响的。处理后的光被反射一齐输出，实现想要的光谱。

在本实施例中，可编程光处理器4除了对入射的第二束宽谱光信号进行光谱处理以获取基带宽谱光信号之外，同时，还与处理器8通信，在处理器8的控制下，对基带宽谱光信号进行光谱处理以生成补偿基带信号。

通过前面介绍可知，公式(3)表示可编程光谱处理器4产生的补偿基带信号，公式(4)表示补偿后的整个系统的响应，也就是说，在系统中增设受处理器8控制的可编程光处理器4来对光信号进行光谱处理，可以实现特定的系统响应。

进一步地，系统还包括：第二偏振控制器12。第二束宽谱光信号经第二偏振控制器12入射到可编程光处理器4中，第二偏振控制器12用于调整入射到可编程光处理器4中的第二束宽谱光信号的偏振态。本实施例通过第二偏振控制器12控制第二束宽谱光信号的偏振态，进而保证第二束宽谱光信号在经过处理后与第一束宽谱光信号的偏振态相同。

其中，合光装置5用于将调制光信号和补偿基带信号进行耦合，得到耦合后的宽谱光信号。

具体地，合光装置5可以是光耦合器，用来将多束光合成一束光。在本实施例中，调制光信号和补偿基带信号合成耦合后的宽谱光信号。

其中，耦合后的宽谱光信号经待测光纤9入射到光电探测器6中，光电探测器6，用于将耦合后的宽谱光信号进行光电转换以输出第二射频信号，以及将第二射频信号输出给矢量网络分析仪7。

具体地，光电探测器6是将输入光信号转化为电信号输出的器件，光子被探测器吸收后，会产生相应数量的自由载流子，载流子被外界电路收集形成电信号。光电探测器6与电光调制器3一起构成光模块与电模块互通的桥梁。

在本实施例中，耦合后的宽谱光信号经待测光纤9入射到光电探测器6中，输出的第二射频信号为电信号，通过矢量网络分析7以对第二射频信号进行分析，可以得到系统响应。

进一步地，系统还包括：光纤放大器13。其中，耦合后的宽谱光信号经待测光纤9和光纤放大器13入射到光电探测器6中，光纤放大器13用于将从待测光纤9中输出的耦合后的宽谱光信号进行功率放大，以保证光电探测器6能够探测到耦合后的宽谱光信号。

其中，矢量网络分析仪7，用于对第二射频信号进行分析处理并输出系统响应数据。

具体地，矢量网络分析仪7是一种电磁波能量的测试设备，矢量网络分析仪7的功能很多，被称为"仪器之王"，是射频微波领域的万用表，既能测量单端口网络或两端口网络的各种参数幅值，又能测相位。

在本实施例中，矢量网络分析仪7对通过接收光电探测器6输出第二射频信号进行分析，可以得到整个系统的诸如频谱、相谱等系统响应数据。

其中，处理器8，分别与可编程光处理器4、矢量网络分析仪7连接，用于根据矢量网络分析仪7输出的当前时刻的系统响应数据计算当前时刻对应的通带展宽因子B。

具体地，本实施例中的处理器8具有强大的逻辑运算能力，可集成在计算机中。本实施例的处理器8通过与矢量网络分析仪7通信连接，先接收矢量网络分析仪7输出的系统响应数据，再对系统响应数据进行数据处理分析，根据数据分析结果控制可编程处理器4输出相应地补偿基带信号，同时，整个系统的响应发生变化，产生新的系统响应数据，根据最终的系统响应数据计算最为精确的光纤中的三阶色散值。

在一种可能的实现方式中，“处理器8，用于根据矢量网络分析仪7输出的当前时刻的系统响应数据计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B”的具体实现方式为：

首先，处理器8，用于对当前时刻的系统响应数据进行取对数操作，分别获取实部数据和虚部数据。

具体地，通过观察公式(6)可知，在以对数形式表示的整个系统的响应中，实部Re(lnH(ω))与虚部Im(lnH(ω))的二次项系数间存在倍数关系B。故，处理器8对获取的当前时刻的系统响应数据进行取对数操作，分别获取一组实部数据和一组虚部数据。需要指出的是，实部数据包括若干个不同频率对应的幅度，虚部数据包括若干个不同频率对应的相位。

其次，处理器8，还用于对实部数据进行二次曲线拟合，并获取拟合得到实部二次系数X_real，以及对虚部数据进行二次曲线拟合，并获取拟合得到虚部二次系数X_im。

再次，处理器8，还用于根据公式B＝X_im/X_real计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B。

具体地，对一组实部数据进行二次曲线拟合，不难得到实部数据对应的二次曲线的二次系数，即实部二次系数X_real，对应地，对一组虚部数据进行二次曲线拟合，不难得到虚部数据对应的二次曲线的二次系数，即虚部二次系数X_im。最后，根据公式B＝X_im/X_real计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B。

其中，处理器8，还用于判断当前时刻系统对应的通带展宽因子B是否超出预设阈值，若判断结果为是，计算下一时刻的色散补偿系数θ₁，根据下一时刻的色散补偿系数θ₁控制可编程光处理器在下一时刻生成相应的补偿基带信号；以及根据矢量网络分析仪7输出的下一时刻的系统响应数据计算下一时刻系统对应的通带展宽因子B₁，若判断下一时刻系统对应的通带展宽因子B₁仍然超出预设阈值，迭代计算下一时刻的色散补偿系数直至下一时刻系统的通带展宽因子B₁不超出预设阈值。

其中，θ为当前时刻的色散补偿系数；Ω_σ为高斯光谱的均方根带宽；ω_f为系统工作的中心频率；L为待测光纤的总长度；β₃为单位长度的三阶色散。

具体地，根据公式(7)可知，只要确定了通带展宽因子B，便可依据公式(7)计算光纤中的三阶色散值。

在一种可能的实现方式中，“处理器8，还用于计算下一时刻的色散补偿系数θ₁”的具体实现方式为：处理器，还用于根据公式θ₁＝θ+B/Ω_σ ²计算下一时刻的色散补偿系数θ₁。

具体地，对初始时刻的色散补偿系数可以根据实际需求进行设置，比如初始时刻的色散补偿系数设置为0。在初始时刻之后的每一时刻的色散补偿系数，根据上一时刻的色散补偿系数和上一时刻的通带展宽因子计算当前时刻的色散补偿系数，不断迭次计算下一时刻的色散补偿系数直至出现的通带展宽因子在预设阈值之下时。当通带展宽因子在预设阈值之下时，说明光纤中的三阶色散值被精确补偿，由此根据最终的通带展宽因子计算的三阶色散值为最为精确的三阶色散值。

其中，处理器8，还用于若判断结果为否，则根据当前时刻系统对应的通带展宽因子B计算待测光纤的三阶色散值。

具体地，当通带展宽因子在预设阈值之下时，说明光纤中的三阶色散值被精确补偿，由此根据最终的通带展宽因子计算的三阶色散值为最为精确的三阶色散值。

在一种可能的实现方式中，“处理器8，还用于根据当前时刻系统对应的通带展宽因子B计算待测光纤的三阶色散值”的具体实现方式为：处理器，还用于根据公式

计算待测光纤的三阶色散值β₃L。

图2至图5为本发明实例提供的通带展宽因子B为不同值时的系统响应。待测光纤二阶色散为β₂L＝1733.4ps²，待测光纤的总长度为L＝0.835km。需要说明的是，图2至图5各图中，既有相频特性(相位随频率的变化关系)，也有幅频特性(幅度随频率的变化关系)。

参见图2，通带展宽因子B为0，这时，系统(系统可视为滤波器)为理想情况时，相位响应呈现平坦特性，幅度响应为理想高斯形，系统(系统可视为滤波器)3dB带宽为理论值即60.830MHz。

参见图3，通带展宽因子B为-3.0705。这时，系统(系统可视为滤波器)中的三阶色散值较大，系统(系统可视为滤波器)的带宽至190MHz，其相位响应呈现明显的二次失真。通过对进行对数操作后的系统响应数据的实部与虚部分别进行二次曲线拟合，可以得出通带展宽因子B为-3.0705＜＜-0.01，由于B不满足阈值条件，处理器计算新的色散补偿系统并控制可编程光处理器相应的补偿基带信号。

参见图4，通带展宽因子B为0.3004。经过若干次迭代补偿后，得到图4所示的结果。

可以看出，相比图3，系统(系统可视为滤波器)的带宽大幅度减小，且相位失真也趋于平坦。由于B仍然不满足阈值条件，处理器计算新的色散补偿系统并控制可编程光处理器相应的补偿基带信号。

参见图5，通带展宽因子B为0.0006。经过若干次迭代补偿后，得到图5所示的结果。此时，系统(系统可视为滤波器)中的三阶色散值降至容忍度以下，相位响应几乎平坦，带宽近似为理论值。此时的B满足阈值条件，确定最终的通带展宽因子B为0.0006，根据公式(7)计算的光纤三阶色散值为β₃L＝-10.82ps³。同时，得到系统的测量不确定度为0.02ps³，相对不确定度为0.2％，即本发明所提出的方法能够精确地测量光纤中的三阶色散值。

为验证本发明所提出的方法的准确性，测量结果与传统相移法所测结果作对比，实验结果相差5.45％，呈现很高的吻合度，说明本发明所提出的方法可行。

本实施例提供的精确测量光纤三阶色散的系统，包括：宽谱光源1、分光装置2、电光调制器3、可编程光处理器4、合光装置5、光电探测器6、矢量网络分析仪7、处理器8。通过处理器8根据矢量网络分析仪7输出的系统响应数据计算通带展宽因子B，并分析通带展宽因子B是否超出预设阈值，若超出，处理器迭代计算色散补偿系数，并不断控制可编程光处理器产生新的补偿基带信号，直至通带展宽因子B不超出预设阈值。当计算得到的通带展宽因子B不超出预设阈值，说明光纤中的三阶色散值被精确补偿，根据补偿量与残余量的关系，根据最终的通带展宽因子B精确确定待测光纤中的三阶色散值。此外，基于高精度光谱产生与迭代测量，本发明可以实现的三阶色散测量不确定度为0.2％，高于传统的时域测量法。与传统的频域色散测量方法相比，本发明在相同的色散测量精度条件下，可以将测量时间从几小时降低至几分钟，从而降低了色散对环境温度的敏感性。所提出的系统非常适合于补偿超短脉冲通信链路中的三阶色散失真以及构建基于高频段的高Q值微波光子滤波器。

本发明还提供一种精确测量光纤三阶色散的方法。本实施例提供的精确测量光纤三阶色散的方法，包括以下步骤：

S101、宽谱光源1产生宽谱光信号，宽谱光信号入射到分光装置2中，执行步骤S102；

S102、分光装置2将宽谱光信号分成第一束宽谱光信号和第二束宽谱光信号，其中，第一束宽谱光信号入射到电光调制器3中，第二束宽谱光信号入射到可编程光处理器4中，执行步骤S103。

S103、电光调制器3接收矢量网络分析仪7输出的第一射频信号，并将第一射频信号加载到第一束宽谱光信号上以形成调制光信号，调制光信号入射到合光装置5中，执行步骤S104。

S104、可编程光处理器4对第二束宽谱光信号进行光谱处理以获取基带宽谱光信号，并在处理器8的控制下，对基带宽谱光信号进行光谱处理以生成补偿基带信号，补偿基带信号入射到合光装置5中，执行步骤S105。

S105、合光装置5将调制光信号和补偿基带信号进行耦合，得到耦合后的宽谱光信号，执行步骤S106。

S106、耦合后的宽谱光信号经待测光纤9入射到光电探测器6中，光电探测器6将耦合后的宽谱光信号进行光电转换以输出第二射频信号，以及将第二射频信号输出给矢量网络分析仪7，执行步骤S107。

S107、矢量网络分析仪7对第二射频信号进行分析处理并输出系统响应数据，执行步骤S108。

S108、处理器8，分别与可编程光处理器4、矢量网络分析仪7连接，根据矢量网络分析仪7输出的当前时刻的系统响应数据计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B，执行步骤S109。

S109、处理器8判断当前时刻系统对应的通带展宽因子B是否超出预设阈值，若判断结果为是，则计算下一时刻的色散补偿系数θ₁，根据下一时刻的色散补偿系数θ₁控制可编程光处理器在下一时刻生成相应的补偿基带信号；以及根据矢量网络分析仪7输出的下一时刻的系统响应数据计算下一时刻系统对应的通带展宽因子B₁，若判断下一时刻对应的通带展宽因子B₁仍然超出预设阈值，迭代计算下一时刻的色散补偿系数直至下一时刻系统的通带展宽因子B₁不超出预设阈值；若判断结果为否，则根据当前时刻系统对应的通带展宽因子B计算待测光纤的三阶色散值。

进一步地，处理器8根据矢量网络分析仪7输出的当前时刻的系统响应数据计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B，包括：

处理器8对当前时刻的系统响应数据进行取对数操作，分别获取实部数据和虚部数据；

处理器8对实部数据进行二次曲线拟合，并获取拟合得到实部二次系数X_real，以及对虚部数据进行二次曲线拟合，并获取拟合得到实部二次系数X_im；

处理器8根据公式B＝X_im/X_real计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B。

进一步地，处理器8根据当前时刻系统对应的通带展宽因子B计算待测光纤的三阶色散值，包括：

处理器8根据公式

计算待测光纤的三阶色散值β₃L；

其中，θ为当前时刻的色散补偿系数；Ω_σ为高斯光谱的均方根带宽；ω_f为系统工作的中心频率；L为待测光纤的总长度；β₃为单位长度的三阶色散。

需要说明的是，前述对精确测量光纤三阶色散的系统实施例的解释说明也适用于该实施例的精确测量光纤三阶色散的方法，其实现原理类似，此处不再赘述。

本实施例提供的精确测量光纤三阶色散的方法，通过处理器8根据矢量网络分析仪7输出的系统响应数据计算通带展宽因子B，并分析通带展宽因子B是否超出预设阈值，若超出，处理器8迭代计算色散补偿系数，并不断控制可编程光处理器4产生新的补偿基带信号，直至通带展宽因子B不超出预设阈值。当计算得到的通带展宽因子B不超出预设阈值，说明光纤中的三阶色散值被精确补偿，根据补偿量与残余量的关系，根据最终的通带展宽因子B精确确定待测光纤中的三阶色散值。此外，基于高精度光谱产生与迭代测量，本发明可以实现的三阶色散测量不确定度为0.2％，高于传统的时域测量法。与传统的频域色散测量方法相比，本发明在相同的色散测量精度条件下，可以将测量时间从几小时降低至几分钟，从而降低了色散对环境温度的敏感性。所提出的系统非常适合于补偿超短脉冲通信链路中的三阶色散失真以及构建基于高频段的高Q值微波光子滤波器。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种精确测量光纤三阶色散的系统，其特征在于，包括：

宽谱光源，用于产生宽谱光信号，所述宽谱光信号用于入射到分光装置中；

所述分光装置，用于将所述宽谱光信号分成第一束宽谱光信号和第二束宽谱光信号，其中，第一束宽谱光信号用于入射到电光调制器中，第二束宽谱光信号用于入射到可编程光处理器中；

电光调制器，用于接收矢量网络分析仪输出的第一射频信号，并将所述第一射频信号加载到第一束宽谱光信号上以形成调制光信号，所述调制光信号用于入射到合光装置中；

可编程光处理器，用于对所述第二束宽谱光信号进行光谱处理以获取基带宽谱光信号，并在处理器的控制下，对所述基带宽谱光信号进行光谱处理以生成补偿基带信号，所述补偿基带信号用于入射到合光装置中；

所述合光装置用于将所述调制光信号和所述补偿基带信号进行耦合，得到耦合后的宽谱光信号；

所述耦合后的宽谱光信号经待测光纤入射到光电探测器中，所述光电探测器，用于将所述耦合后的宽谱光信号进行光电转换以输出第二射频信号，以及将所述第二射频信号输出给矢量网络分析仪；

所述矢量网络分析仪，用于对所述第二射频信号进行分析处理并输出系统响应数据；

所述处理器，分别与可编程光处理器、矢量网络分析仪连接，用于根据矢量网络分析仪输出的当前时刻的系统响应数据计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B；

所述处理器，还用于判断当前时刻系统对应的通带展宽因子B是否超出预设阈值，若判断结果为是，计算下一时刻的色散补偿系数θ₁，根据下一时刻的色散补偿系数θ₁控制可编程光处理器在下一时刻生成相应的补偿基带信号；以及根据矢量网络分析仪输出的下一时刻的系统响应数据计算下一时刻系统对应的通带展宽因子B₁，若判断下一时刻系统对应的通带展宽因子B₁仍然超出预设阈值，迭代计算下一时刻的色散补偿系数直至下一时刻系统的通带展宽因子不超出预设阈值；

所述处理器，还用于若判断结果为否，则根据当前时刻系统对应的通带展宽因子B计算待测光纤的三阶色散值。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器，用于根据矢量网络分析仪输出的当前时刻的系统响应数据计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B，包括：

所述处理器，用于对当前时刻的系统响应数据进行取对数操作，分别获取实部数据和虚部数据；

所述处理器，还用于对所述实部数据进行二次曲线拟合，并获取拟合得到实部二次系数X_real，以及对所述虚部数据进行二次曲线拟合，并获取拟合得到虚部二次系数X_im；

所述处理器，还用于根据公式B＝X_im/X_real计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器，还用于根据当前时刻系统对应的通带展宽因子B计算待测光纤的三阶色散值，包括：

所述处理器，还用于根据公式

计算待测光纤的三阶色散值β₃L；

其中，θ为当前时刻的色散补偿系数；Ω_σ为高斯光谱的均方根带宽；ω_f为系统工作的中心频率；L为待测光纤的总长度；β₃为单位长度的三阶色散。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述处理器，还用于计算下一时刻的色散补偿系数θ₁，包括：

所述处理器，还用于根据公式θ₁＝θ+B/Ω_σ ²计算下一时刻的色散补偿系数θ₁。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：起偏器；

所述宽谱光信号入射到所述起偏器中，所述起偏器用于从所述宽谱光信号中获取线偏振光；

则所述分光装置，用于将所述宽谱光信号分成第一束宽谱光信号和第二束宽谱光信号，包括：

所述线偏振光入射到所述分光装置中，所述分光装置用于将所述线偏振光分束成第一束宽谱光信号和第二束宽谱光信号。

6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：第一偏振控制器、可调光延迟线、和/或第二偏振控制器；

所述第一束宽谱光信号经所述第一偏振控制器和所述可调光延迟线入射到所述电光调制器中，所述第一偏振控制器用于调整入射到所述电光调制器中的第一束宽谱光信号的偏振态，所述可调光延迟线用于调整入射到所述电光调制器中的第一束宽谱光信号的延迟量；

和/或，所述第二束宽谱光信号经所述第二偏振控制器入射到所述可编程光处理器中，所述第二偏振控制器用于调整入射到所述可编程光处理器中的第二束宽谱光信号的偏振态。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：光纤放大器；

其中，所述耦合后的宽谱光信号经待测光纤入射到光电探测器中，包括：

所述耦合后的宽谱光信号经待测光纤和所述光纤放大器入射到光电探测器中，所述光纤放大器用于将耦合后的宽谱光信号进行功率放大。

8.一种精确测量光纤三阶色散的方法，其特征在于，包括：

宽谱光源产生宽谱光信号，所述宽谱光信号入射到分光装置中；

所述分光装置将所述宽谱光信号分成第一束宽谱光信号和第二束宽谱光信号，其中，第一束宽谱光信号入射到电光调制器中，第二束宽谱光信号入射到可编程光处理器中；

电光调制器接收矢量网络分析仪输出的第一射频信号，并将所述第一射频信号加载到第一束宽谱光信号上以形成调制光信号，所述调制光信号用于入射到合光装置中；

可编程光处理器对所述第二束宽谱光信号进行光谱处理以获取基带宽谱光信号，并在处理器的控制下，对所述基带宽谱光信号进行光谱处理以生成补偿基带信号，所述补偿基带信号用于入射到合光装置中；

所述合光装置将所述调制光信号和所述补偿基带信号进行耦合，得到耦合后的宽谱光信号；

所述耦合后的宽谱光信号经待测光纤入射到光电探测器中，所述光电探测器将所述耦合后的宽谱光信号进行光电转换以输出第二射频信号，以及将所述第二射频信号输出给矢量网络分析仪；

所述矢量网络分析仪对所述第二射频信号进行分析处理并输出系统响应数据；

所述处理器，分别与可编程光处理器、矢量网络分析仪连接，根据矢量网络分析仪输出的当前时刻的系统响应数据计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B；

所述处理器判断当前时刻系统对应的通带展宽因子B是否超出预设阈值，若判断结果为是，则所述处理器计算下一时刻的色散补偿系数θ₁，根据下一时刻的色散补偿系数θ₁控制可编程光处理器在下一时刻生成相应的补偿基带信号；以及根据矢量网络分析仪输出的下一时刻的系统响应数据计算下一时刻系统对应的通带展宽因子B₁，若判断下一时刻系统对应的通带展宽因子B₁仍然超出预设阈值，迭代计算下一时刻的色散补偿系数直至下一时刻系统的通带展宽因子不超出预设阈值；若判断结果为否，则根据当前时刻系统对应的通带展宽因子B计算待测光纤的三阶色散值。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述处理器根据矢量网络分析仪输出的当前时刻的系统响应数据计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B，包括：

所述处理器对当前时刻的系统响应数据进行取对数操作，分别获取实部数据和虚部数据；

所述处理器对所述实部数据进行二次曲线拟合，并获取拟合得到实部二次系数X_real，以及对所述虚部数据进行二次曲线拟合，并获取拟合得到实部二次系数X_im；

所述处理器根据公式B＝X_im/X_real计算当前时刻系统对应的通带展宽因子B。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述处理器根据当前时刻系统对应的通带展宽因子B计算待测光纤的三阶色散值，包括：

所述处理器根据公式

计算待测光纤的三阶色散值β₃L；

其中，θ为当前时刻的色散补偿系数；Ω_σ为高斯光谱的均方根带宽；ω_f为系统工作的中心频率；L为待测光纤的总长度；β₃为单位长度的三阶色散。

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