CN109186766A - 基于受激布里渊散射边带整形的光谱测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于受激布里渊散射边带整形的光谱测量方法。将第一微波扫频信号调制于窄线宽光载波，生成载波抑制的光单边带调制信号；对该光单边带调制信号进行基于受激布里渊散射（SBS）的边带整形；以边带整形后的光单边带调制信号作为光本振信号，使用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法对待测光信号的光谱进行测量。本发明还公开了一种基于SBS边带整形的光谱测量装置。本发明在现有基于扫频光源和相干光电探测的光谱测量方法基础上，利用SBS的窄带增益效果放大扫频边带，同时利用其衰减效果抑制残留边带，提高边带抑制比，实现了大动态范围的光谱测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱测量方法，尤其涉及一种基于受激布里渊散射(stimulatedBrillouin scattering，简称SBS)边带整形的光谱测量方法及装置。
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)，但是由于光单边带调制的非理想性，残留边带及其频率附近的待测光信号也会在光电探测器中产生拍频分量，甚至淹没扫频边带及其频率附近的待测光信号的拍频分量，导致测量动态范围的减小，影响测量方案的普适性和准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服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由于光单边带调制的非理想性所造成的测量动态范围减小的缺陷，提供一种基于受激布里渊散射边带整形的光谱测量方法，利用SBS的窄带增益效果放大所需的扫频边带，同时利用其衰减效果抑制残留边带，提高边带抑制比，实现大动态范围的光谱测量。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
基于受激布里渊散射边带整形的光谱测量方法，首先，将第一微波扫频信号调制于窄线宽光载波，生成载波抑制的光单边带调制信号；然后，对所述载波抑制的光单边带调制信号进行基于受激布里渊散射的边带整形，将要保留的一侧边带置于受激布里渊散射效应的增益谱内进行进一步放大，将要去除的另一侧边带置于受激布里渊散射效应的衰减谱内进行进一步抑制；最后，以边带整形后的光单边带调制信号作为光本振信号，使用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法对待测光信号的光谱进行测量。
优选地，所述基于受激布里渊散射的边带整形具体如下：将第二微波扫频信号调制于所述窄线宽光载波分出的一束光载波上，生成载波抑制的光双边带信号，并以其作为泵浦光源，在介质中激发出受激布里渊散射效应，所述第二微波扫频信号与第一微波扫频信号之间的频率差为一定值，等于所述介质的布里渊频移；令所述载波抑制的光单边带调制信号经由所述介质进行传输，即得边带整形后的光单边带调制信号。
进一步优选地，所述介质为光纤。
优选地，所述载波抑制的光单边带调制信号中的单边带为1阶边带或2阶边带。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
基于受激布里渊散射边带整形的光谱测量装置，包括：
光单边带调制器，用于将第一微波扫频信号调制于窄线宽光载波，生成载波抑制的光单边带调制信号；
边带整形模块，用于对所述载波抑制的光单边带调制信号进行基于受激布里渊散射的边带整形，将要保留的一侧边带置于受激布里渊散射效应的增益谱内进行进一步放大，将要去除的另一侧边带置于受激布里渊散射效应的衰减谱内进行进一步抑制；
光谱测量模块，用于以边带整形后的光单边带调制信号作为光本振信号，使用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法对待测光信号的光谱进行测量。
优选地，所述边带整形模块包括：
微波扫频源，用于生成第二微波扫频信号，所述第二微波扫频信号与第一微波扫频信号之间的频率差为一定值；
光双边带调制模块，用于对将第二微波扫频信号调制于所述窄线宽光载波分出的一束光载波上，生成载波抑制的光双边带信号；
受激布里渊散射效应模块，用于以所述载波抑制的光双边带信号作为泵浦光源，在介质中激发出受激布里渊散射效应，并令所述载波抑制的光单边带调制信号经由所述介质进行传输，即得边带整形后的光单边带调制信号；所述介质的布里渊频移等于第二微波扫频信号与第一微波扫频信号之间的频率差。
进一步地，所述介质为光纤。
进一步地，所述受激布里渊散射效应模块还包括光环行器和光隔离器；所述光隔离器接于所述介质一端与光单边带调制器之间，以保证光信号由光单边带调制器向介质的单向传输；所述光环行器的第一、第二端口分别连接所述光双边带调制模块的输出端、所述介质另一端，光环行器的第三端口连接所述光谱测量模块的光本振信号输入端口。
优选地，所述载波抑制的光单边带调制信号中的单边带为1阶边带或2阶边带。
优选地，所述光单边带调制器由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接收第一微波扫频信号，90°微波定向耦合器的两输出端分别与双平行马赫-曾德尔双臂调制器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接收所述窄线宽光载波。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明在现有基于扫频光源和相干光电探测的光谱测量方法基础上，利用SBS的窄带增益效果放大扫频边带，同时利用其衰减效果抑制残留边带，提高边带抑制比，实现了大动态范围的光谱测量。
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SBS边带整形的原理示意图；其中(a)为光单边带调制器的输出信号(抑制偶数阶边带)，(b)为SBS整形后的边带；
图3为本发明光谱测量装置一个优选实施例的结构原理示意图；
图4为图3所示装置中A～E各点的频谱示意图；
图5为优选实施例中光单边带调制器的原理框图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是在现有基于扫频光源和相干光电探测的光谱测量方法基础上，对其中的光本振信号进行基于受激布里渊散射的边带整形，利用SBS的窄带增益效果放大扫频边带，同时利用其衰减效果抑制残留边带，从而提高边带抑制比，以实现大动态范围的光谱测量。
SBS效应是介质(例如光纤)中的泵浦光、斯托克斯光和声波相互作用的结果。光纤中入射光功率一旦达到布里渊阈值就会产生非线性效应，在泵浦光两侧形成窄带增益和窄带衰减，表现为放大的斯托克斯光和衰减的反斯托克斯光。图2显示了SBS边带整形的原理示意图，其中，(a)是调制器工作在抑制偶数阶边带的模式下输出的信号，由于光载波和±2阶边带均被抑制，±3阶及以上边带可以忽略，仅需考虑±1阶边带。如果将-1阶边带置于SBS的增益谱内，+1阶边带置于衰减谱内，两者共同作用，边带抑制比至少可增加30dB，如图2(b)所示。
具体而言，本发明基于受激布里渊散射边带整形的光谱测量方法具体如下：首先，将第一微波扫频信号调制于窄线宽光载波，生成载波抑制的光单边带调制信号；然后，对所述载波抑制的光单边带调制信号进行基于受激布里渊散射的边带整形，将要保留的一侧边带置于受激布里渊散射效应的增益谱内进行进一步放大，将要去除的另一侧边带置于受激布里渊散射效应的衰减谱内进行进一步抑制；最后，以边带整形后的光单边带调制信号作为光本振信号，使用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法对待测光信号的光谱进行测量。
本发明基于受激布里渊散射边带整形的光谱测量装置，包括：
光单边带调制器，用于将第一微波扫频信号调制于窄线宽光载波，生成载波抑制的光单边带调制信号；
边带整形模块，用于对所述载波抑制的光单边带调制信号进行基于受激布里渊散射的边带整形，将要保留的一侧边带置于受激布里渊散射效应的增益谱内进行进一步放大，将要去除的另一侧边带置于受激布里渊散射效应的衰减谱内进行进一步抑制；
光谱测量模块，用于以边带整形后的光单边带调制信号作为光本振信号，使用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法对待测光信号的光谱进行测量。
所述光单边带调制器可采用现有的各种载波抑制单边带调制方法，优选采用以下方法：利用90°微波定向耦合器将第一微波扫频信号分为两路功率相等的正交信号，然后利用双平行马赫-曾德尔双臂调制器将这两路正交信号调制于窄线宽光载波上，并通过调整所述双平行马赫-曾德尔双臂调制器的偏置电压使得其所输出信号为载波抑制的光单边带信号。
优选地，所述边带整形模块包括：
微波扫频源，用于生成第二微波扫频信号，所述第二微波扫频信号与第一微波扫频信号之间的频率差为一定值；
光双边带调制模块，用于对将第二微波扫频信号调制于所述窄线宽光载波分出的一束光载波上，生成载波抑制的光双边带信号；
受激布里渊散射效应模块，用于以所述载波抑制的光双边带信号作为泵浦光源，在介质中激发出受激布里渊散射效应，并令所述载波抑制的光单边带调制信号经由所述介质进行传输，即得边带整形后的光单边带调制信号；所述介质的布里渊频移等于第二微波扫频信号与第一微波扫频信号之间的频率差。
所述介质可采用各种可出现SBS效应的介质，优选为光纤。
为了进行光信号的隔离和走向控制，进一步地，所述受激布里渊散射效应模块还包括光环行器和光隔离器；所述光隔离器接于所述介质一端与光单边带调制器之间，以保证光信号由光单边带调制器向介质的单向传输；所述光环行器的第一、第二端口分别连接所述光双边带调制模块的输出端、所述介质另一端，光环行器的第三端口连接所述光谱测量模块的光本振信号输入端口。
所述载波抑制的光单边带调制信号中的单边带可以为1阶边带或2阶边带。
为了便于公众理解，下面以一个优选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结构如图3所示，其中的本振光生成单元(图中虚线框所示部分)用于生成载波抑制的光单边带信号，其包括：窄线宽激光器、光耦合器、两个微波扫频源、光隔离器、光环形器、光纤、单边带调制器和双边带调制器。窄线宽激光器的输出通过光耦合器分成两路，分别作为单边带调制器和双边带调制器的光载波；单边带调制器将微波扫频源1输出的微波本振信号调制于窄线宽光源输出的光载波上，生成载波抑制的光单边带信号；双边带调制器将微波扫频源2输出的微波信号调制于光载波上，产生抑制载波的双边带信号，两个边带分别作为SBS效应的泵浦光源，在光纤中激发出SBS效应，将单边带调制器产生的-1阶边带置于泵浦光产生的SBS的增益谱(放大的斯托克斯光)内进一步放大，同时将残留的+1阶边带置于泵浦光产生的衰减谱(衰减的反斯托克斯光)内进一步抑制；通过计算机控制两个微波源的输出频率始终保持相差光纤的布里渊频移，得到经过频谱整形的微波扫频光本振。使用经过频谱整形的微波扫频光本振，即可使用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法对待测光信号的光谱进行测量。所述基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法为现有技术，具体如下：利用90°光混频器将待测光信号和光本振信号混频，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。关于基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法的更详细的内容，可以参考背景技术中所给出的文献，此处不再赘述。
在图3中，A为抑制载波的光单边带调制输出信号；B为抑制载波的双边带调制器输出信号；C为经过SBS效应整形后的抑制载波的光单边带调制信号(本振光信号)；D为本振光信号和待测光信号在90°光混频器中混频的示意图；E为处理得到的待测光信号频谱。信号A～E的频谱如图4所示。
本实施例中所采用的光单边带调制器的基本结构如图5所示，其由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微波扫频源1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窄线宽光源的输出端相连。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。
下面对该光谱测量装置的工作原理进行简要介绍：
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＝Vo exp(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：
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-ωe的光单边带调制信号。将该光边带作为本振信号，则本振信号可以表示为：
其中ALO和ωLO分别是本振信号的幅度和角频率(假设相位为0)。
实际操作中，光单边带调制信号中还存在ωLO’＝ω0+ωe的残留边带信号，影响测量系统的动态范围。本实施例中使用单臂马赫-增德尔调制器作为双边带调制器，将其偏置在最小工作点，即载波抑制状态，得到双边带调制信号，A-和A+分别是左右两边带的幅度，υB是介质(实例中所用光纤)的布里渊频移。将泵浦光从环行器的1端口输入，单边带调制器的输出与隔离器的输入端相连，隔离器的输出端与光纤的一端相连，光纤的另一端与环行器的2端口相连，泵浦光在光纤中激发SBS效应，泵浦光的左边带将ωLO放大，右边带将ωLO’衰减，得到整形后的单边带调制信号，作为本振光输入90°光混频器的LO端。
本发明的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(一般采用线宽为300Hz的窄线宽激光器，因此，该测量装置的分辨率约为300Hz)；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。
使用该装置测量光信号的频谱时，最好预先进行测量装置的校准，具体可采用以下校准方法：移除测量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，将一已知的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光信号频谱，通过与已知光信号的实际频谱进行比较，可得到系统的频谱响应，用以校正测量结果；在实际测量时，采用校准所得的系统的频谱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的光谱。
Claims (10)
1.基于受激布里渊散射边带整形的光谱测量方法，其特征在于，首先，将第一微波扫频信号调制于窄线宽光载波，生成载波抑制的光单边带调制信号；然后，对所述载波抑制的光单边带调制信号进行基于受激布里渊散射的边带整形，将要保留的一侧边带置于受激布里渊散射效应的增益谱内进行进一步放大，将要去除的另一侧边带置于受激布里渊散射效应的衰减谱内进行进一步抑制；最后，以边带整形后的光单边带调制信号作为光本振信号，使用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法对待测光信号的光谱进行测量。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述基于受激布里渊散射的边带整形具体如下：将第二微波扫频信号调制于所述窄线宽光载波分出的一束光载波上，生成载波抑制的光双边带信号，并以其作为泵浦光源，在介质中激发出受激布里渊散射效应，所述第二微波扫频信号与第一微波扫频信号之间的频率差为一定值，等于所述介质的布里渊频移；令所述载波抑制的光单边带调制信号经由所述介质进行传输，即得边带整形后的光单边带调制信号。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述介质为光纤。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述载波抑制的光单边带调制信号中的单边带为1阶边带或2阶边带。
5.基于受激布里渊散射边带整形的光谱测量装置，其特征在于，包括：
光单边带调制器，用于将第一微波扫频信号调制于窄线宽光载波，生成载波抑制的光单边带调制信号；
边带整形模块，用于对所述载波抑制的光单边带调制信号进行基于受激布里渊散射的边带整形，将要保留的一侧边带置于受激布里渊散射效应的增益谱内进行进一步放大，将要去除的另一侧边带置于受激布里渊散射效应的衰减谱内进行进一步抑制；
光谱测量模块，用于以边带整形后的光单边带调制信号作为光本振信号，使用基于微波扫频源和相干光电探测的光谱测量方法对待测光信号的光谱进行测量。
6.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述边带整形模块包括：
微波扫频源，用于生成第二微波扫频信号，所述第二微波扫频信号与第一微波扫频信号之间的频率差为一定值；
光双边带调制模块，用于对将第二微波扫频信号调制于所述窄线宽光载波分出的一束光载波上，生成载波抑制的光双边带信号；
受激布里渊散射效应模块，用于以所述载波抑制的光双边带信号作为泵浦光源，在介质中激发出受激布里渊散射效应，并令所述载波抑制的光单边带调制信号经由所述介质进行传输，即得边带整形后的光单边带调制信号；所述介质的布里渊频移等于第二微波扫频信号与第一微波扫频信号之间的频率差。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述介质为光纤。
8.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述受激布里渊散射效应模块还包括光环行器和光隔离器；所述光隔离器接于所述介质一端与光单边带调制器之间，以保证光信号由光单边带调制器向介质的单向传输；所述光环行器的第一、第二端口分别连接所述光双边带调制模块的输出端、所述介质另一端，光环行器的第三端口连接所述光谱测量模块的光本振信号输入端口。
9.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述载波抑制的光单边带调制信号中的单边带为1阶边带或2阶边带。
10.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述光单边带调制器由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接收第一微波扫频信号，90°微波定向耦合器的两输出端分别与双平行马赫-曾德尔双臂调制器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接收所述窄线宽光载波。
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