CN111412986A - 一种光信号波形检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种光信号波形检测装置及方法，其中，该装置包括：级联光电调制器，用于基于光学傅里叶变换原理，将待检测光信号的时域波形测量转换为频域光谱进行检测，得到光谱包络信息；计算单元，用于得到光谱包络信息后，通过频域到时域间的包络尺度变换关系，计算得到待检光信号的时域波形。
Description
技术领域
本申请实施例涉及但不限于电子技术，尤其涉及一种光信号波形检测装置及方法。
背景技术
相关技术中的光信号波形检测方法主要包括光学成像法和基于非线性光纤光学法两大类。光学成像法中，通过级联多种光学器件实现光信号波形检测。由于透镜等光学器件为分立器件，测量时需要将各器件级联并进行复杂的光路校准及保持。基于非线性光纤光学法中，采用辅助光源产生参考光信号，再与待测光信号一同注入光纤，基于光纤的非线性效应进行光信号波形检测。该方案中，需要额外提供高质量辅助光脉冲，提升系统成本；温度、震动、弯曲等环境变化，将影响光纤的非线性效应，从而降低测量系统的稳定性。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例为解决相关技术中存在的至少一个问题而提供一种光信号波形检测装置及方法。
本申请实施例的技术方案是这样实现的：
本申请实施例提供一种光信号波形检测装置，所述装置包括：
级联光电调制器，用于基于光学傅里叶变换原理，将待检测光信号的时域波形测量转换为频域光谱进行检测，得到光谱包络信息；
计算单元，用于得到光谱包络信息后，通过频域到时域间的包络尺度变换关系，计算得到待检光信号的时域波形。
本申请实施例提供一种光信号波形检测方法，所述方法包括：
基于光学傅里叶变换原理，将待检测光信号的时域波形测量转换为频域光谱进行检测，得到光谱包络信息；
得到光谱包络信息后，通过频域到时域间的包络尺度变换关系，计算得到待检光信号的时域波形。
本申请实施例中，该装置包括：级联光电调制器，用于基于光学傅里叶变换原理，将待检测光信号的时域波形测量转换为频域光谱进行检测，得到光谱包络信息；计算单元，用于得到光谱包络信息后，通过频域到时域间的包络尺度变换关系，计算得到待检光信号的时域波形；如此，本申请提供的技术方案无需高精度分立光学器件以及复杂光路，无需复杂的光路校准及保持过程，即可完成光信号波形检测。
附图说明
图1为本申请实施例光信号波形检测装置的组成结构示意图；
图2为本申请实施例光信号波形检测装置的组成结构示意图；
图3为图2中经相位调制单元、色散介质、强度调制单元后待检测光信号加载的相位信息图；
图4本申请实施例中实验中待检测光信号的时域波形图；
图5本申请实施例中实验中经相位调制单元、色散介质、强度调制单元后，待检测光信号对应的光谱图；
图6为本申请实施例光信号波形检测方法的实现流程示意图。
具体实施方式
光信号波形测量是衡量光信号质量的重要途径。伴随光网络容量日益增长，光信号重复频率逐步提高，从2.5GHz(吉赫兹)、10GHz到现在主流的25GHz。光信号重复频率的提升，需要相应频率响应的检测装置。目前，对高重复频率光信号的波形测量，通常采用高精度的专业仪表。而面向未来软件定义网络(Software Defined Network，SDN)化光网络和智能运维，需要实时的监测光信号各维度的性能。独立的高精度检测仪表成本高、体积大，迫切需要将其功能集成于设备系统，在保证一定精度的前提下，向集成化、小型化演进。
相关技术中的光信号波形检测方法主要包括光学成像法和基于非线性光纤光学法两大类。其中，光学成像法中将待检测光信号直接射入到一系列组合好的透镜等光学器件中，将入射光信号分为透射光和反射光，通过检测脉冲中的多种特征值，完成波形检测。光学成像法中，通过级联多种光学器件实现光信号波形检测。由于透镜等光学器件为分立器件，测量时需要将各器件级联并进行复杂的光路校准及保持。
基于非线性光纤光学法则将待检测光信号与一个参考脉冲同时输入到波形检测装置中，利用参考脉冲信号与待检测光信号间的相关性实现对光信号波形的检测，主要有双积分光谱剪切干涉分析法、双频率梳互相关技术和频率分辨光学开关法。基于非线性光纤光学法中，采用辅助光源产生参考光信号，再与待测光信号一同注入光纤，基于光纤的非线性效应进行光信号波形检测。该方案中，需要额外提供高质量辅助光脉冲，提升系统成本；温度、震动、弯曲等环境变化，将影响光纤的非线性效应，从而降低测量系统的稳定性。
基于以上，本申请实施例提出一种可集成的高重复频率光信号波形测量装置。该装置基于光学傅里叶变换原理，通过级联光电调制器和色散介质，对待测光信号加载二次相位调制，将时域波形测量转换为频域光谱测量，再根据二者间的傅里叶变换关系，实现光信号波形检测。该装置中的光电调制器、色散介质等主要单元均具备集成化的潜力，且光电调制单元的频率响应范围与目前OTU板卡中调制器的频率响应范围一致，可实现对重复频率为25GHz、甚至50GHz的光信号的测量。
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步详细阐述。
本申请实施例提供一种光信号波形检测装置，图1为本申请实施例其光信号波形检测装置的组成结构示意图，如图1所示，所述装置100包括：
级联光电调制器101，用于基于光学傅里叶变换原理，将待检测光信号的时域波形测量转换为频域光谱进行检测，得到光谱包络信息；
计算单元102，用于得到光谱包络信息后，通过频域到时域间的包络尺度变换关系，计算得到待检光信号的时域波形。
在一些实施例中，所述级联光电调制器，用于基于光学傅里叶变换原理，对待测光信号加载二次相位调制，将时域波形测量转换为频域光谱进行检测，得到调制信号的光谱包络信息。
在一些实施例中，所述级联光电调制器包括：
相位调制单元，用于加载正弦型微波信号，使得待检测光信号进行正弦型相位调制，得到调制信号；
光谱包络检测单元，用于检测调制信号的光谱包络信息。
在一些实施例中，如果所述相位调制单元，得到调制信号的光谱包络与时域波形之间存在严重的尺度变换失配时，所述级联光电调制器还包括：
色散介质，用于通过群速度色散效应，将失配部分挤压到待检测光信号时间周期的边缘部分。
在一些实施例中，所述级联光电调制器还包括：
强度调制单元，用于通过强度调制，抑制其时间周期边缘的失配部分；
移相器，用于调节相位调制单元和强度调制单元之间的相对相位，使得强度调制单元的开关窗口位于待检测光信号的中心位置。
在一些实施例中，所述级联光电调制器还包括：
正弦微波产生单元，用于产生正余弦型的微波信号；
功分器，用于将微波信号分为两路，分别作为相位调制单元和强度调制单元的驱动信号；
对应地，所述相位调制单元，用于加载所述驱动信号；所述强度调制单元，用于通过驱动信号进行强度调制。
在一些实施例中，所述级联光电调制器中的以下组合可以被集成：
组合一：相位调制单元、光谱包络检测单元；
组合二：相位调制单元、光谱包络检测单元、色散介质；
组合三：相位调制单元、光谱包络检测单元、色散介质、强度调制单元、移相器；
组合四：相位调制单元、光谱包络检测单元、色散介质、强度调制单元、移相器、正弦微波产生单元、功分器。
本申请实施例中，该装置包括：级联光电调制器，用于基于光学傅里叶变换原理，将待检测光信号的时域波形测量转换为频域光谱进行检测，得到光谱包络信息；计算单元，用于得到光谱包络信息后，通过频域到时域间的包络尺度变换关系，计算得到待检光信号的时域波形；如此，本申请提供的技术方案无需高精度分立光学器件以及复杂光路，无需复杂的光路校准及保持过程，即可完成光信号波形检测。
本申请实施例提出一种可集成的高重复频率光信号波形测量装置，其工作原理及实施例如下：
一、方案原理
本发明提出的光信号波形测量实现方法基于傅里叶光学，将时域信号处理通过傅里叶变换转换为频域信号再进行处理。由傅里叶变换性质可知，时域信号加载二次相位后其频域包络U2(w)与原时域信号Uo(t)波形相同，具备幅度上的尺度变换。
即，时域信号Uo(t)波形可通过加载二次相位后对应的频域光谱包络表示。因此，通过对待检测光信号进行二次型相位调制，可以在频域获得与时域相同的包络。二次型相位调制，需要调制器加载二次型微波驱动信号。而目前，微波驱动信号通常为正余弦型，无法满足二次型相位调制要求，造成频域包络与时域波形的明显差异。
经由正余弦型微波信号驱动的相位调制单元后，对待检测光信号进行正余弦型相位调制，加载正余弦型相位。此时，在相位调制单元后插入色散介质，由非线性啁啾在二阶色散介质中的线性化原理可知，在色散介质中传输时，高(或低)频瞬时频率分量和低(或高)频瞬时频率分量的传输速度不同、在时域上逐渐远离，正(或负)啁啾区域被拉伸、负(或正)啁啾区域被挤压，有效改善啁啾的线性度，使得待检测光信号的中心位置近似为二次型相位。随即采用强度调制单元，设置合适的开关窗口，从而抑制窗口外加载相位的非二次型部分。再对其频域光谱进行测量，通过相应的尺度变换即可得到待检测光信号的时域波形。
二、组成结构
本申请实施例提出的光信号波形测量装置的组成结构如图2所示，该装置包括：
正弦微波产生单元21，用于产生正余弦型的微波信号；
功分器22，用于将正弦型微波信号分为2路，分别作为相位调制单元和强度调制单元的驱动信号；
相位调制单元23，用于加载正弦型微波信号，使得待检测光信号进行正弦型相位调制，得到调制信号，但同时调制信号的光谱包络和时域波形之间存在严重的尺度变换失配；
色散介质24，用于通过群速度色散效应，将失配部分挤压到待检测光信号时间周期的边缘部分；
强度调制单元25，用于通过强度调制，抑制其时间周期边缘的失配部分；
移相器26，用于调节相位调制单元和强度调制单元之间的相对相位，使得强度调制的开关窗口位于待检测光信号的中心位置；
光谱包络检测单元27，用于检测调制信号的光谱包络信息；
计算单元28，用于得到光谱包络信息后，通过频域到时域间的包络尺度变换关系，即可计算得到待检光信号的时域波形。
三、实施例
本实施例中，正弦微波信号的重复频率为25GHz，相位调制单元的相位调制系数为1.56π，色散介质的累积色散量为5.67ps/nm，强度调制单元偏置在线性点。其中，相位调制单元、强度调制单元采用光电调制器。
经相位调制单元、色散介质、强度调制单元后，待检测光信号加载的相位信息，如图3所示：红色虚线为标准二次型曲线，黑色实线为该实施例加载的相位信息，2条曲线在88％的周期内完全重合，可以实现该占空比内的高重复频率光信号的精确波形测量。
图4为实验中待检测光信号的时域波形图，其半高全宽为13.2皮秒(ps)。
图5为经相位调制单元、色散介质、强度调制单元后，待检测光信号对应的光谱图，其中，圆弧形的实线为待检测光信号的时域波形包络，从中可以看出，光谱包络与输入端时域波形高度重合。经计算，归一化误差仅为8％。
本申请实施例中，通过频域测量，实现高重复频率光信号的波形测量。
与相关技术相比，本申请实施例具有以下技术优点：本申请实施例提供的技术方案中，通过级联光电调制器和色散介质，简化系统架构和操作过程，可以实现可集成于设备系统的板卡级解决方案，支持高重复频率光信号波形相关特性的检测，适用于未来SDN化的光通信系统及智能运维。光电调制单元的频率响应范围与目前OTU板卡中调制器的频率响应范围一致，可实现对重复频率为25GHz、甚至50GHz的光信号的测量。
相比于光学成像法，本申请实施例提供的技术方案无需高精度分立光学器件以及复杂光路，无需复杂的光路校准及保持过程；相比于基于非线性光纤光学法，本申请实施例提供的技术方案无需辅助光脉冲和高非线性光纤介质，降低系统成本、提升系统稳定性。
基于前述的装置，本申请实施例提供一种光信号波形检测方法，图6为本申请实施例光信号波形检测方法的实现流程示意图，如图6所示，该方法包括：
步骤S601，基于光学傅里叶变换原理，将待检测光信号的时域波形测量转换为频域光谱进行检测，得到光谱包络信息；
步骤S602，得到光谱包络信息后，通过频域到时域间的包络尺度变换关系，计算得到待检光信号的时域波形。
在一些实施例中，步骤S601，包括：级联光电调制器，基于光学傅里叶变换原理，对待测光信号加载二次相位调制，将时域波形测量转换为频域光谱进行检测，得到调制信号的光谱包络信息；
步骤S602，包括：计算单元得到光谱包络信息后，通过频域到时域间的包络尺度变换关系，计算得到待检光信号的时域波形。
在一些实施例中，所述级联光电调制器包括：相位调制单元和光谱包络检测单元，对应地，所述方法还包括：
步骤11，相位调制单元加载正弦型微波信号，使得待检测光信号进行正弦型相位调制，得到调制信号；
步骤12，光谱包络检测单元检测调制信号的光谱包络信息。
在一些实施例中，如果所述相位调制单元，得到调制信号的光谱包络与时域波形之间存在严重的尺度变换失配时，所述级联光电调制器还包括色散介质：对应地，所述方法还包括：
步骤20，色散介质，通过群速度色散效应，将失配部分挤压到待检测光信号时间周期的边缘部分。
在一些实施例中，所述级联光电调制器还包括强度调制单元和移相器，对应地，所述方法还包括：
步骤31，强度调制单元通过强度调制，抑制其时间周期边缘的失配部分；
步骤32，移相器调节相位调制单元和强度调制单元之间的相对相位，使得强度调制单元的开关窗口位于待检测光信号的中心位置。
在一些实施例中，所述级联光电调制器还包括正弦微波产生单元、功分器，对应地，所述方法还包括：
步骤41，正弦微波产生单元产生正余弦型的微波信号；
步骤42，功分器将微波信号分为两路，分别作为相位调制单元和强度调制单元的驱动信号；
对应地，所述相位调制单元加载所述驱动信号；所述强度调制单元，用于通过驱动信号进行强度调制。
在一些实施例中，所述级联光电调制器中的以下组合可以被集成：
组合一：相位调制单元、光谱包络检测单元；
组合二：相位调制单元、光谱包络检测单元、色散介质；
组合三：相位调制单元、光谱包络检测单元、色散介质、强度调制单元、移相器；
组合四：相位调制单元、光谱包络检测单元、色散介质、强度调制单元、移相器、正弦微波产生单元、功分器。
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
或者，本申请上述集成的单元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。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本申请的实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种光信号波形检测装置，其特征在于，所述装置包括：
级联光电调制器，用于基于光学傅里叶变换原理，将待检测光信号的时域波形测量转换为频域光谱进行检测，得到光谱包络信息；
计算单元，用于得到光谱包络信息后，通过频域到时域间的包络尺度变换关系，计算得到待检光信号的时域波形。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述级联光电调制器，用于基于光学傅里叶变换原理，对待测光信号加载二次相位调制，将时域波形测量转换为频域光谱进行检测，得到调制信号的光谱包络信息。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述级联光电调制器包括：
相位调制单元，用于加载正弦型微波信号，使得待检测光信号进行正弦型相位调制，得到调制信号；
光谱包络检测单元，用于检测调制信号的光谱包络信息。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，如果所述相位调制单元，得到调制信号的光谱包络与时域波形之间存在严重的尺度变换失配时，所述级联光电调制器还包括：
色散介质，用于通过群速度色散效应，将失配部分挤压到待检测光信号时间周期的边缘部分。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述级联光电调制器还包括：
强度调制单元，用于通过强度调制，抑制其时间周期边缘的失配部分；
移相器，用于调节相位调制单元和强度调制单元之间的相对相位，使得强度调制单元的开关窗口位于待检测光信号的中心位置。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述级联光电调制器还包括：
正弦微波产生单元，用于产生正余弦型的微波信号；
功分器，用于将微波信号分为两路，分别作为相位调制单元和强度调制单元的驱动信号；
对应地，所述相位调制单元，用于加载所述驱动信号；所述强度调制单元，用于通过驱动信号进行强度调制。
7.根据权利要求3至6任一项所述的装置，其特征在于，所述级联光电调制器中的以下组合可以被集成：
组合一：相位调制单元、光谱包络检测单元；
组合二：相位调制单元、光谱包络检测单元、色散介质；
组合三：相位调制单元、光谱包络检测单元、色散介质、强度调制单元、移相器；
组合四：相位调制单元、光谱包络检测单元、色散介质、强度调制单元、移相器、正弦微波产生单元、功分器。
8.一种光信号波形检测方法，其特征在于，所述方法包括：
基于光学傅里叶变换原理，将待检测光信号的时域波形测量转换为频域光谱进行检测，得到光谱包络信息；
得到光谱包络信息后，通过频域到时域间的包络尺度变换关系，计算得到待检光信号的时域波形。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，级联光电调制器，基于光学傅里叶变换原理，对待测光信号加载二次相位调制，将时域波形测量转换为频域光谱进行检测，得到调制信号的光谱包络信息；
计算单元得到光谱包络信息后，通过频域到时域间的包络尺度变换关系，计算得到待检光信号的时域波形。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述级联光电调制器包括：相位调制单元和光谱包络检测单元，对应地，所述方法还包括：
相位调制单元加载正弦型微波信号，使得待检测光信号进行正弦型相位调制，得到调制信号；
光谱包络检测单元检测调制信号的光谱包络信息。
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| CN114614907B (zh) * | 2020-12-08 | 2024-03-12 | 军事科学院系统工程研究院网络信息研究所 | 基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法 |
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