CN108955886B - 一种超高偏振光谱分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高偏振光谱两维信息融合分析系统及方法，包括待测光输入通道、偏振泵浦模块、控制与数据采集模块、数据处理模块、波长定标模块和至少两个的偏振测量通道，所述待测光输入通道将待测光分为至少两束偏振状态相互正交的偏振待测光，分别输入各个偏振测量通道，所述偏振泵浦模块产生波长可变的传输至偏振测量通道的泵浦光；所述控制与数据采集模块采集并获取各个偏振测量通道输出的光谱信号，并控制整个光谱分析系统的工作，超高偏振光谱采样数据的波长由波长定标模块给出，超高偏振光谱采样数据进入数据处理模块进行后续处理，完成待测光的超高偏振光谱两维信息融合分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高偏振光谱两维信息融合分析系统及方法。
背景技术
光谱分析是诸如通信、传感、分子光谱仪、微波生成等光学应用中的关键诊断工具。例如使用光学方法对光纤通信系统中传输的超高速率信号进行偏振光谱两维参数测量，得到传输信号的信号质量、偏振相关损耗、频率偏振漂移等信息，是诊断和监视传输信号的一种有效手段；激光光谱包含辐射特性大部分信息，随着偏振波分复用、正交频分复用等光网络技术的发展，激光的偏振特性及光谱特性受到越来越多的关注，因此激光偏振光谱两维信息融合测量对于光学网络的设计和实现具有重要作用。例如，在研究、研制和部署维护等环节，为实现性能的全面精确评估，通常需要获取偏振及光谱两维参数。特别是，随着新一代光网络发展，特别是各种先进调制格式的应用，维纳结构等的研究，以及新型光学器件的发展，他们通常需要pm量级或更好光谱分辨能力的偏振光谱两维信息融合分析。
目前，目前常用的偏振光谱两维信息测量方法是采用光谱分析仪和偏振分析仪分别获取偏振信息和光谱信息，然后通过数据融合等处理，生成偏振光谱两维信息数据；或者采用光谱分析仪加偏振控制器的方案，但只能获取特定偏振方向上的光谱数据。显然不能满足诸如偏振波分复用、正交频分复用等调试信号及系统的分析需求，并且，所用光谱分析仪的光谱分辨率直接决定偏振光谱参数测量的分辨能力。例如，专利US20020044282A1给出了一种偏振和光谱参数的测量方法，但它只能实现最好0.1nm光谱分辨率的光谱参数测量，并且只能测量4个偏振态上的光谱数据，不能实现偏振光谱参数的获取。
在光通信领域，常用的是基于光栅衍射的光谱分析仪，它具有宽光谱范围和高扫描速度等优点，通常其最好的仪器分辨率被限制在～2GHz。需要更高分辨率时，通常采用基于均差或外差技术的光谱分析仪。均差技术需要一个频率很接近待测源的本地振荡器，通常难以实现，特别是对于超高分辨率(<10MHz)。外差技术可克服这一缺陷，虽然该技术较为主流，但其缺点也很明显，它需要诸如声光调制器和RF或微波源等昂贵光学元件驱动；需要很长的光纤，例如5KHz分辨率需要40Km光纤，此时光纤的损耗和非线性效应不能忽略，这会影响最终的信号。
针对光谱分辨率不足的现状，基于光纤受激布里渊效应的超高光谱分析技术是一种很有前途的技术路线。基本原理是，受激布里渊散射允许选择待测光学信号的特定光谱成分放大以进行分析。即待测信号与特性波长的窄带泵浦信号按相向传播方向注入光纤，当泵浦信号强度足够大，并且满足所需的空间相干性时，会在光纤中发生受激布里渊效应，产生一个与泵浦信号传播方向相反的后向散射信号，该信号频率等于泵浦信号频率加上与泵浦信号频率相关的布里渊频移，后向散射信号强度由泵浦信号和待测信号强度决定，同时也与相互作用的光纤类型、长度、偏振特性等因素有关。因此通过不断改变入射泵浦信号频率，就可实现对待测信号对应频率范围的光谱成分测量。
目前已有的几个基于受激布里渊效应的光谱分析技术，只能进行超高光谱分辨率的光谱测量，无法完成超高分辨率的偏振光谱两维信息融合测量，不能满足先进通信调制格式、高性能激光器、新一代光电器件等对于超高偏振光谱分析的需要。例如，专利EP1562028A1给出了一种高分辨率的光谱测量方法，但它只能实现光谱参数的测量，无法实现偏振光谱信息融合数据的测量。
因此，现有技术只能分别获取高速光网络、新型光器件等的偏振参数和光谱参数，或者只能获取特定偏振方向的光谱数据，不能直接进行偏振光谱两维信号的融合测量，并且，存在难以在C和L波段实现pm量级的超高偏振光谱分析的缺陷，需要改进。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种超高偏振光谱两维信息融合分析系统及方法，本发明采用斯托克斯参数法、光纤受激布里渊效应和可调谐激光技术实现超高分辨率的偏振光谱两维信息融合分析。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超高偏振光谱两维信息融合分析系统，包括待测光输入通道、偏振泵浦模块、控制与数据采集模块、数据处理模块、波长定标模块和至少两个的偏振测量通道，所述待测光输入通道单模待测光分为至少两束偏振状态相互正交的偏振待测光，分别输入各个偏振测量通道，所述偏振泵浦模块产生波长可变的传输至偏振测量通道的泵浦光；所述控制与数据采集模块采集并获取各个偏振测量通道输出的光谱信号并控制整个光谱分析系统的工作，超高偏振光谱采样数据的波长由波长定标模块给出，超高偏振光谱采样数据进入数据处理模块进行后续处理，完成待测光的超高偏振光谱两维信息融合分析。
进一步的，所述待测光输入通道产生偏振光谱测量所需的两路偏振状态相互正交的偏振待测光，包括两路偏振待测光输入通道，每一通道都包含一个光学隔离器；以及一路单模待测光输入通道，包含光学隔离器及偏振分束器，将单模待测光分为两束偏振状态相互正交的偏振待测光。
进一步的，所述偏振测量通道包括依次连接的第一调制器、光纤链路、第二调制器、偏振控制器、光学环形器和探测系统，完成两路偏振状态相互正交的偏振光谱测量。
更进一步的，所述探测系统输出信号对应待测信号光谱组分的幅值，受激布里渊效应引入的放大增益由注入光纤链路的探针信号强度决定。
进一步的，所述偏振泵浦模块包括第一光学放大器、第二光学放大器、第二偏振分束器和可调谐激光光源，所述可调谐激光光源输出光束给第二偏振分束器，将产生的两束偏振光分别通过第一光学放大器、第二光学放大器分配给不同的偏振测量通道。
进一步的，所述波长定标模块，包括相对定标器和绝对定标器，其中相对定标器选用法-珀标准具，绝对定标器选用HCN气体池。
进一步的，所述待测光经待测光输入通道调整为偏振光，利用光纤受激布里渊效应和可调谐激光技术，实现待测信号的两组的两个相互正交偏振态的超高光谱信号测量，然后利用斯托克斯参数法，实现待测信号的全部偏振态的超高偏振光谱两维信息融合测量。
进一步的，所述控制与数据采集模块连接绝对定标器、可调谐激光光源、第一探测系统和第二探测系统。
基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：
产生两路偏振态相互正交的泵浦光，泵浦光与待测输入光在两路偏振态相互正交的光纤链路中相互作用，发生受激布里渊效应，产生输出后向散射光，产生的两路偏振态相互正交的后向散射光经过采集和数字量化，对其波长进行标定，连续改变光源输出信号光的波长，并使用斯托克斯参数法对测量获取的两组的两路正交偏振光谱数据进行相应处理，即可完成待测光的超高偏振光谱两维信息融合分析。
进一步的，发生受激布里渊效应的光纤各点，对输出信号有贡献的布里渊后向散射由乘积gB·Ip(λp)·IT(λp-△λD)给出，式中gB为布里渊增益系数(典型作用光纤)，Ip(λp)和IT(λp)代表泵浦和待测信号光强度，它们是波长λ的函数。IT(λp-△λD)是除去多普勒效应引入频移(△λD)的探针波长(λp)对应的待测信号光强度。
本发明提出的超高偏振光谱两维信息融合分析系统的工作流程如下：待测光经待测光输入通道调整为偏振光，首先利用光纤受激布里渊效应和可调谐激光技术，实现待测信号的两组的两个相互正交偏振态的超高光谱信号测量，然后利用斯托克斯参数法，实现待测信号的全部偏振态的超高偏振光谱两维信息融合分析。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提出了采用斯托克斯参数法、光纤受激布里渊效应和可调谐激光技术的超高偏振光谱两维信息融合分析技术，实现了C和L波段的pm量级的超高偏振光谱两维信息的直接融合分析；
2、本发明提出的超高偏振光谱两维信息融合分析系统，可方便的通过更换可调谐激光器、作用光纤、探测器等实现对C波段、L波段、O波段等不同波段光学信号的偏振光谱两维信息融合分析；
3、本发明提出的超高偏振光谱两维信息融合分析系统，可实现最小1nW/pm量级光信号的超高偏振光谱两维信息融合分析。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明一种超高偏振光谱两维信息融合分析系统原理图。
其中：1-待测光输入通道；101-第一偏振待测光输入通道；1011-偏振待测光1；1012-第一光学隔离器；102-单模待测光输入通道；1021-单模待测光；1022-第二光学隔离器；1023-第一偏振分束器；103-第二偏振待测光输入通道；1031-偏振待测光2；1032-第三光学隔离器；2-第一偏振测量通道；201-第一光学调制器；202-第一光纤链路；203-第二光学调制器；204-第一偏振控制器；205-第一光学环形器；206-第一探测系统；3-第二偏振测量通道；301-第三光学调制器；302-第二光纤链路；303-第四光学调制器；304-第二偏振控制器；305-第二光学环形器；306-第二探测系统；4-偏振泵浦模块；401-第一光学放大器；402-第二光学放大器；403-第二偏振分束器；404-可调谐激光光源；5-控制与数据采集模块；6-数据处理模块；7-波长定标模块；701-相对定标器；702-绝对定标器。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
如图1所示的超高偏振光谱两维信息融合分析系统，包括待测光输入通道1、第一偏振测量通道2、第二偏振测量通道3、偏振泵浦模块4、控制与数据采集模块5、数据处理模块6、波长定标模块7。
1.待测光输入通道1，包含第一偏振待测光输入通道101、单模待测光输入通道102和第二偏振待测光输入通道103，需要考虑以下因素：
(1)如果待测光是非线偏振光，则选择从单模待测光输入通道102输入，由第一偏振分束器将入射待测光分为两束相互正交的线偏振光，第二光学隔离器1022可防止入射待测光反射所引入的测量误差；
(2)如果待测光为线偏振光，则可选择由对应偏振态的第一偏振待测光输入通道101或第二偏振待测光输入通道103输入，第一光学隔离器1012、第一光学隔离器1032，同样用于入射待测光反射所引入的测量误差。
2.第一偏振测量通道2和第二偏振测量通道3，具备完全相同的结构，区别在于他们测量光信号的偏振态正交，需要考虑如下因素：
(1)用作发生受激布里渊效应的光纤链路，必须是在测量波长范围内为单模保偏光纤，以保证相互作用泵浦信号和待测信号的空间相干性；
(2)用作发生受激布里渊效应的光纤链路，必须是单模保偏光纤，以保证相互作用泵浦信号和待测信号的偏振态的一致性和稳定性，保证较高的受激布里渊效应的效率，满足偏振光谱测量需要；
(3)受激布里渊效应的效率，与光纤波导结构和光纤芯掺杂有关。即光纤芯面积越小，效率越大。所选光纤损耗应尽可能小。特别是对于C和L波段的偏振光谱两维信息融合分析，最好使用纤芯有效面积较小的色散位移保偏光纤、全波保偏光纤及类似保偏光纤；
(4)所选偏振控制器，应具备高精度偏振控制能力，以使注入光纤链路泵浦信号的偏振状态，尽可能与待测信号光一致。因为相互作用光偏振状态的不一致，会影响受激布里渊效率。
待测光输入通道，包括第一偏振待测光输入通道101、单模待测光输入通道102以及第二偏振待测光输入通道103。其中，第一偏振待测光输入通道101包含第一光学隔离器1012；单模待测光输入通道102包含第二光学隔离器1022及第一偏振分束器1023，可将单模待测光分为两束偏振状态相互正交的偏振待测光；其中，第二偏振待测光输入通道103包含第三光学隔离器1032。待测光输入通道1被配置产生偏振光谱测量所需的两路偏振状态相互正交的偏振待测光；
第一偏振测量通道2和第二偏振测量通道3，为两个独立的偏振测量通道，其中，第一偏振测量通道2包括第一光学调制器201、第一光纤链路202、第二光学调制器203、第一偏振控制器204、第一光学环形器205、第一探测系统206；第二偏振测量通道3包括第三光学调制器301、第二光纤链路302、第四光学调制器303、第二偏振控制器304、第二光学环形器305、第二探测系统306。被配置为完成两路偏振状态相互正交的偏振光谱测量；
偏振泵浦模块4，由第一光学放大器401、第二光学放大器402、第二偏振分束器403、可调谐激光光源404组成。被配置为产生波长可变的两路偏振测量通道的泵浦光；
控制与数据采集模块5，被配置为用于采集并获取探测系统输出的光谱信号，并控制整个光谱分析系统的工作；
数据处理模块6，被配置为完成两路超高偏振光谱采样数据进行后续数据，完成超高偏振光谱分析。
波长定标模块7，由相对定标器701和绝对定标器702组成，其中相对定标器701可选用法-珀标准具，绝对定标器702可选用HCN气体池，被配置为完成超高偏振光谱的波长定标。
需要进行超高偏振光谱两维信息融合分析的待测信号，进入待测光输入通道1，产生两路偏振状态相互正交的偏振待测光，并由一端进入对应偏振态的第一偏振测量通道2和第二偏振测量通道3，而偏振泵浦模块4产生对应偏振态的两路偏振状态相互正交的泵浦光信号，由另一端进入对应偏振态的第一偏振测量通道2和第二偏振测量通道3，两路待测信号与泵浦信号，分别在对应偏振态的第一偏振测量通道2和第二偏振测量通道3中发生受激布里渊效应，产生受激布里渊后向散射输出信号，即受激布里渊放大谱信号，并在对应第一偏振测量通道2和第二偏振测量通道3中完成探测，并传输至控制与数据采集模块5，通过控制与数据采集模块5完成数据的采集与获取并控制光谱分析系统的工作，两路超高偏振光谱采样数据的波长，由波长定标模块7给出，而后两路超高偏振光谱采样数据，进入数据处理模块6进行后续处理，完成待测光的超高偏振光谱分析。
本发明提出的超高偏振光谱两维信息融合分析系统的工作流程如下：待测光经待测光输入通道调整为偏振光，首先利用光纤受激布里渊效应和可调谐激光技术，实现待测信号的两组的两个相互正交偏振态的超高光谱信号测量，然后利用斯托克斯参数法，实现待测信号的超高偏振光谱两维信息融合分析。
本发明提出的超高偏振光谱两维信息融合分析系统，采用基于斯托克斯参数法、光纤受激布里渊效应和可调谐激光技术的超高偏振光谱两维信息融合分析技术，实现了C和L波段的pm量级、最小1nW/pm量级光信号的超高偏振光谱两维信息融合分析；
在上述实施例的基础上，本发明提出一种超高偏振光谱两维信息融合分析方法，包括如下步骤：
步骤1：可调谐激光光源输出信号光，经偏振分束器、光学放大器、光学环形器、偏振控制器和调制器，产生两路偏振态相互正交的泵浦信号，由光纤链路的一端注入作为泵浦信号。光学放大器可选择放置在偏振分束器前或后边，以对可调谐激光光源输出进行放大；
步骤2：待测输入光经输入通道、调制器，产生两路偏振态相互正交的待测信号，从光纤链路的另一端注入光纤链路。根据待测信号光的偏振状态，可选择使用两个偏振光输入通道或单模待测光输入通道输入。单模待测光输入通道中偏振分束器，将输入单模待测光分为两束偏振态相互正交的偏振光；
步骤3：泵浦光与待测输入光，在两路偏振态相互正交的光纤链路中相互作用，发生受激布里渊效应，产生输出后向散射光；
步骤4：产生的两路偏振态相互正交的后向散射光，分别经光学环形器进入对应的探测系统；
步骤5：探测系统的输出电信号，经数据采集系统得到数字量化数据，即两路偏振态相互正交的偏振光谱数据，用作后续处理；
步骤6：获取的两路正交偏振光谱数据的波长，由波长定标模块给出；
步骤7：在控制系统作用下，连续改变可调谐激光光源输出信号光的波长，便可得到待测信号光的光谱。可用于后续的数据处理与分析。探测系统输出信号对应待测信号光谱组分的幅值，受激布里渊效应引入的放大增益，由注入光纤链路的探针信号强度决定。特别，发生受激布里渊效应的光纤各点，对输出信号有贡献的布里渊后向散射，由乘积gB·Ip(λp)·IT(λp-△λD)给出，式中gB为布里渊增益系数(典型作用光纤)，Ip(λp)和IT(λp)代表泵浦和待测信号光强度，它们是波长λ的函数。IT(λp-△λD)是除去多普勒效应引入频移(△λD)的探针波长(λp)对应的待测信号光强度；
步骤8：使用斯托克斯参数法，对测量获取的两组的两路正交偏振光谱数据进行相应处理，即可完成待测光的全部偏振态的超高偏振光谱两维信息融合分析，并可完成诸如偏振模色散等参数的测量。
本发明的超高偏振光谱两维信息融合分析原理如下：
它采用斯托克斯参数法、光纤受激布里渊效应和可调谐激光技术，待测光经待测光输入通道调整为偏振光，首先，利用光纤受激布里渊效应和可调谐激光技术，实现待测信号的两组的两个相互正交偏振态的超高光谱信号测量，然后利用斯托克斯参数法，实现待测信号的超高偏振光谱两维信息融合分析。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种超高偏振光谱两维信息融合分析系统，其特征是：包括待测光输入通道、偏振泵浦模块、控制与数据采集模块、数据处理模块、波长定标模块和至少两个偏振测量通道，所述待测光输入通道，将单模待测光分为至少两束偏振状态相互正交的偏振待测光，分别输入各个偏振测量通道，所述偏振泵浦模块产生波长可变的传输至偏振测量通道的泵浦光；所述控制与数据采集模块采集并获取各个偏振测量通道输出的光谱信号并控制整个光谱分析系统的工作，超高偏振光谱采样数据的波长由波长定标模块给出，超高偏振光谱采样数据进入数据处理模块进行后续处理，完成待测光的超高偏振光谱两维信息融合分析。
2.如权利要求1所述的一种超高偏振光谱两维信息融合分析系统，其特征是：所述待测光输入通道，产生偏振光谱测量所需的两路偏振状态相互正交的偏振待测光，包括两路偏振待测光输入通道，每一通道都包含一个光学隔离器；以及一路单模待测光输入通道，包含光学隔离器及偏振分束器，将单模待测光分为两束偏振状态相互正交的偏振待测光。
3.如权利要求1所述的一种超高偏振光谱两维信息融合分析系统，其特征是：所述偏振测量通道包括依次连接的第一调制器、光纤链路、第二调制器、偏振控制器、光学环形器和探测系统，完成两路偏振状态相互正交的偏振光谱测量。
4.如权利要求3所述的一种超高偏振光谱两维信息融合分析系统，其特征是：所述探测系统输出信号对应待测信号光谱组分的幅值，受激布里渊效应引入的放大增益由注入光纤链路的探针信号强度决定。
5.如权利要求1所述的一种超高偏振光谱两维信息融合分析系统，其特征是：所述偏振泵浦模块包括第一光学放大器、第二光学放大器、第二偏振分束器和可调谐激光光源，所述可调谐激光光源输出光束给第二偏振分束器，将产生的两束偏振光，分别通过第一光学放大器、第二光学放大器分配给不同的偏振测量通道。
6.如权利要求1所述的一种超高偏振光谱两维信息融合分析系统，其特征是：所述波长定标模块，包括相对定标器和绝对定标器，其中相对定标器选用法-珀标准具，绝对定标器选用HCN气体池。
7.如权利要求1所述的一种超高偏振光谱两维信息融合分析系统，其特征是：所述待测光经待测光输入通道调整为偏振光，利用光纤受激布里渊效应和可调谐激光技术，实现待测信号的两组的两个相互正交偏振态的超高光谱信号测量，然后利用斯托克斯参数法，实现待测信号的超高偏振光谱两维信息融合分析。
8.如权利要求1所述的一种超高偏振光谱两维信息融合分析系统，其特征是：所述控制与数据采集模块连接绝对定标器、可调谐激光光源、第一探测系统和第二探测系统。
9.基于如权利要求1-8中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：
产生两路偏振态相互正交的泵浦光，泵浦光与待测输入光在两路偏振态相互正交的光纤链路中相互作用，发生受激布里渊效应，产生输出后向散射光，产生的两路偏振态相互正交的后向散射光经过采集和数字量化，对其波长进行标定，连续改变光源输出信号光的波长，使用斯托克斯参数法，对测量获取的两组的两路正交偏振光谱数据进行相应处理，即可完成待测光的超高偏振光谱两维信息融合分析。
10.如权利要求9所述的工作方法，其特征是：发生受激布里渊效应的光纤各点，对输出信号有贡献的布里渊后向散射，由乘积gB·Ip(λp)·IT(λp-△λD)给出，式中gB为布里渊增益系数(典型作用光纤)，Ip(λp)和IT(λp)代表泵浦和待测信号光强度，是波长λ的函数，IT(λp-△λD)是除去多普勒效应引入频移(△λD)的探针波长(λp)对应的待测信号光强度。
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