CN113324652A - 一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置与方法。该装置包括主控模块，可调谐激光器模块，用于产生特定波长的光信号；分路模块，连接可调谐激光器模块，用于将可调谐激光器模块输出的输出光等分为两路光；第一光波移频模块，连接分路模块，用于对分路模块输出的第一路光信号进行载波抑制单边带调制，产生第一精细调谐移频光；第二光波移频模块，连接分路模块，用于对分路模块输出的第二路光信号进行载波抑制单边带调制，产生第二精细调谐移频光；耦合模块，连接第一光波移频模块和第二光波移频模块，用于将第一精细调谐移频光和第二精细调谐移频光合为一束精细扫频信号光，作为布里渊光谱仪工作时的泵浦信号光。

Description

一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置与方法

技术领域

本发明属于光谱检测领域，具体涉及一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置与方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

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光谱参数测量，可以得到传输信号的信号质量、OSNR、比特误码率等信息，是诊断和监视传输信号的一种有效手段。

目前，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，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，实际应用时难以实现很高的分辨能力。

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，即待测信号与特定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，因此通过泵浦信号的波长推扫，就可实现对待测信号对应频率范围的光谱成分测量。

可见，用做布里渊光谱仪泵浦信号的波长调谐分辨率，直接决定了可用的光谱采样分辨率，进而决定了布里渊光谱仪的光谱分辨率等核心指标。布里渊光谱仪的泵浦信号通常采用可调谐激光器产生。由于目前商用可调谐激光器，如Keysight公司的81606A，只能在1550nm处实现12.5MHz(0.1pm)的波长分辨率。可见，泵浦信号的波长分辨率，已经成为制约布里渊光谱仪进一步提升光谱分辨率等性能指标的重要因素。现有的直接采用商用可调谐激光器作为泵浦源的方案，已经难以满足应用需求。此外，由于布里渊光谱仪采用的工作原理可知，当待测信号光谱与泵浦信号光的频差为负时，产生增益谱；当待测信号光谱与泵浦信号光的频差为正时，产生损耗谱，这就会在测量光谱中引入光谱鬼线等缺陷，产生精密光谱测量错误，影响测量精度。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置与方法，本发明采用可调谐激光粗调谐和载波抑制单边带调制光波移频方法，实现了精细扫频信号产生，并实现了受激布里渊损耗谱引起的光谱鬼线等测量缺陷的抑制。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

第一个方面，本发明提供了一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置。

一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，包括主控模块，以及分别与主控模块连接的可调谐激光器模块、分路模块、第一光波移频模块、第二光波移频模块以及耦合模块；

可调谐激光器模块，用于产生特定波长的光信号；

分路模块，连接可调谐激光器模块，用于将可调谐激光器模块输出的输出光等分为两路光；

第一光波移频模块，连接分路模块，用于对分路模块输出的第一路光信号进行载波抑制单边带调制，产生第一精细调谐移频光；

第二光波移频模块，连接分路模块，用于对分路模块输出的第二路光信号进行载波抑制单边带调制，产生第二精细调谐移频光；

耦合模块，连接第一光波移频模块和第二光波移频模块，用于将第一精细调谐移频光和第二精细调谐移频光合为一束精细扫频信号光，作为布里渊光谱仪工作时的泵浦信号光。

进一步的，所述分路模块包括第一光隔离器和光分路器，所述第一光隔离器分别与可调谐激光器模块和光分路器连接。

进一步的，所述第一光波移频模块，包括：第一射频驱动单元，用于产生低相位噪声射频驱动信号；第一电光调制器，连接第一射频驱动单元、分路模块和第一自动偏压控制单元；第一自动偏压控制单元，用于控制第一电光调制器的工作点，产生满足第一电光调制器工作需求的偏置电压；第一可调光衰减器，连接第一电光调制器；第一光放大器，连接耦合模块；所述第一可调光衰减器和第一光放大器用于调控第一光波移频模块输出移频光的功率水平。

进一步的，所述第二光波移频模块，包括：第二射频驱动单元，用于产生低相位噪声射频驱动信号；第二电光调制器，连接第二射频驱动单元、分路模块和第二自动偏压控制单元；第二自动偏压控制单元，用于控制第二电光调制器的工作点，产生满足第二电光调制器工作需求的射频驱动信号；第二可调光衰减器，连接第一电光调制器；第二光放大器，连接耦合模块；所述第二可调光衰减器和第二光放大器用于调控第二光波移频模块输出移频光的功率水平。

进一步的，所述耦合模块包括包括光耦合器和第二光隔离器，所述光耦合器分别连接第一光波移频模块、第二光波移频模块和第二光隔离器。

进一步的，所述第一光波移频模块和第二光波移频模块输出移频光的频率差为布里渊频移。

进一步的，第一光波移频模块和第二光波移频模块输出移频光的功率比为k，一般取值1～6，具体由实验调试和仪器性能参数给出。

进一步的，所述第一精细调谐移频光用于作为布里渊光谱仪的主泵浦信号光，用于布里渊光谱仪工作时的光谱成分放大。

进一步的，所述第二精细调谐移频光用于作为布里渊光谱仪的补偿泵浦信号光，用于抑制受激布里渊损耗谱引起的光谱鬼线等测量缺陷。

第二个方面，本发明提供了一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生方法。

一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生方法，采用上述第一个方面所述的布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，包括：

获取特定波长的光信号，经分路模块输出进入第一光波频移模块的第一路光信号和进入第二光波频移模块的第二路光信号；

第一光波频移模块和第二光波频移模块产生频率差为布里渊频移、功率比为k、波长调谐分辨率优于1MHz的两路精细调谐移频光，然后经耦合模块合为一束用于布里渊光谱仪工作时的泵浦信号光。

上述一个技术方案或多个技术方案与现有技术相比，有益效果为：

1、本发明采用可调谐激光粗调谐和载波抑制单边带调制光波移频相结合的方法，能够满足布里渊光谱仪对于泵浦信号的要求，消除了进一步提升光谱分辨率等指标时，面临的泵浦信号波长调谐分辨率的限制。

2、得益于本发明提出的布里渊光谱仪精细扫频信号产生方法，可保证布里渊光谱仪实现优于0.1pm的光谱分辨率。

3、本发明提出的布里渊光谱仪精细扫频信号产生方法，可产生优于40nm的宽波长调谐范围、优于1MHz波长调谐分辨率的精细扫频信号光。

4、本发明提出的布里渊光谱仪精细扫频信号产生方法，产生的精细扫频信号，不但包含布里渊光谱仪工作所需的主泵浦信号，还包含一个频率差为布里渊频移、功率比为k的补偿泵浦信号，实现了受激布里渊损耗谱引起的光谱鬼线等测量缺陷的抑制，可将光谱测量时的无缺陷动态范围，由常规单一泵浦信号时的40dB提升至60dB以上。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置的结构图；

其中：1-可调谐激光器模块；2-分路模块；201-第一光隔离器、202-1×2光分路器；3-第一光波移频模块；301-第一射频驱动单元；302-第一电光调制器；303-第一自动偏压控制单元；304-第一可调光衰减器；305-第一光放大器；4-第二光波移频模块；401-第二射频驱动单元；402-第二电光调制器；403-第二自动偏压控制单元；404-第二可调光衰减器；405-第二光放大器；5-耦合模块；501-1×2光耦合器；502-第二光隔离器；6-主控模块。

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，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。

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。

实施例一

本实施例提供了一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置。

一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，包括主控模块，以及分别与主控模块连接的可调谐激光器模块、分路模块、第一光波移频模块、第二光波移频模块以及耦合模块；

可调谐激光器模块，用于产生特定波长的光信号；

分路模块，连接可调谐激光器模块，用于将可调谐激光器模块输出的输出光等分为两路光；

第一光波移频模块，连接分路模块，用于对分路模块输出的第一路光信号进行载波抑制单边带调制，产生第一精细调谐移频光；

第二光波移频模块，连接分路模块，用于对分路模块输出的第二路光信号进行载波抑制单边带调制，产生第二精细调谐移频光；

耦合模块，连接第一光波移频模块和第二光波移频模块，用于将第一精细调谐移频光和第二精细调谐移频光合为一束精细扫频信号光，作为布里渊光谱仪工作时的泵浦信号光。

具体的，如图1所示的一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，包括可调谐激光器模块1、分路模块2、第一光波移频模块3、第二光波移频模块4、耦合模块、主控模块。

1.可调谐激光器模块1，被配置为产生波长可调谐的光信号，能够产生粗波长步进的输出光。在本实施例中，可调谐激光器的波长调谐分辨率需求放宽到100pm，可不必采用诸如Keysight公司的81606A这类高波长调谐分辨率的大尺寸台式可调谐激光器。

2.分路模块2，包含第一光隔离器201、1×2光分路器202，被配置为将可调谐激光器模块输出光等分为两路光输出。

3.第一光波移频模块3，包含第一射频驱动单元301、第一电光调制器302、第一自动偏压控制单元303、第一可调光衰减器304、第一光放大器305，需要考虑以下因素：

(1)第一射频驱动单元301，采用基于YIG调谐振荡器和分数分频锁相的超宽带频率、小步进频率合成器，能够产生0.5GHz～18GHz、频率步进间隔达到kHz量级的低相噪射频驱动信号，完全满足第一电光调制器302工作对于射频驱动信号的需求。并通过配置第一射频驱动单元301和第二射频驱动单元401的工作参数，使得第一光波移频模块3与第二光波移频模块4输出移频光的频率差为布里渊频移。而第一光波移频模块3与第二光波移频模块4输出移频光的频率差由所用工作介质确定的。比如对于G652.D光纤，布里渊频移为11GHz。

(2)第一电光调制器302优选采用IQ型电光调制器。

(3)第一自动偏压控制单元303，采用基于透射率反馈的数字PID控制和自动增益控制，实现第一电光调制器302工作点的高精度控制，能够满足第一电光调制器302工作对于偏置电压的需求。

(4)第一可调光衰减器304和第一光放大器305，用于调控第一光波移频模块输出移频光的功率水平。并通过配置第一可调光衰减器304和第一光放大器305、第二可调光衰减器404和第二光放大器405的工作参数，使得第一光波移频模块3和第二光波移频模块4输出移频光的功率比为k，通过设置各自模块中的可调光衰减器和光放大器的工作参数实现。

4.第二光波移频模块4，包含第二射频驱动单元401、第二电光调制器402、第二自动偏压控制单元403、第二可调光衰减器404、第二光放大器405，需要考虑以下因素：

(1)第二射频驱动单元401，采用基于YIG调谐振荡器和分数分频锁相的超宽带频率、小步进频率合成器，能够产生0.5GHz～18GHz、频率步进间隔达到kHz量级的低相噪射频驱动信号，完全满足第二电光调制器402工作对于射频驱动信号的需求。并通过配置第二射频驱动单元401和第一射频驱动单元301的工作参数，使得第一光波移频模块3和第二光波移频模块4输出移频光的频率差为布里渊频移。而第一光波移频模块3与第二光波移频模块4输出移频光的频率差由所用工作介质确定的。比如对于G652.D光纤，布里渊频移为11GHz。

(2)第二电光调制器402优选采用IQ型电光调制器。

(3)第二自动偏压控制单元403，采用基于透射率反馈的数字PID控制和自动增益控制，实现第二电光调制器402工作点的高精度控制，能够满足第二电光调制器402工作对于偏置电压的需求；

(4)第二可调光衰减器404和第二光放大器405，用于调控第二光波移频模块输出移频光的功率水平。并通过配置第二可调光衰减器404和第二光放大器405、第一可调光衰减器304和第一光放大器305的工作参数，使得第一光波移频模块3和第二光波移频模块4输出移频光的功率比为k，通过设置各自模块中的可调光衰减器和光放大器的工作参数实现。

5.耦合模块5，包含1×2光耦合器501、第二光隔离器502，被配置为将第一光波移频模块3和第二光波移频模块4的输出光合为一束精细扫频信号光，用作布里渊光谱仪工作时的泵浦信号光。

6.主控模块6，包含嵌入式系统，被配置为用于精细扫频过程的控制与工作参数设置。

本实施例提出的布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置的工作流程如下：在主控模块6的控制下，可调谐激光器模块1产生的粗波长步进的光信号，经分路模块2产生两路光，分别进入第一光波移频模块3和第二光波移频模块4，经载波抑制单边带调制实现光波移频，从而产生了精细波长调谐步进的移频光；其中，第一光波移频模块3产生的移频光作为主泵浦信号光，用于布里渊光谱仪工作时的光谱成分放大，第二光波移频模块4输出的移频光作为补偿泵浦信号光，以消除受激布里渊损耗谱引起的光谱鬼线等缺陷；第一光波移频模块3和第二光波移频模块4产生的频率差为布里渊频移的两路移频光输出，经耦合模块5耦合为一束光后产生的包含两个频率成分、宽波长调谐范围、波长调谐分辨率优于1MHz的精细扫频信号光，用作布里渊光谱仪工作时的泵浦信号光。

本实施例提出的一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，采用可调谐激光器的粗波长调谐，结合载波抑制单边带调制光波移频的精细波长调谐，产生了优于40nm宽波长调谐范围、包含两个频率成分、波长调谐分辨率优于1MHz的精细扫频信号光，满足布里渊光谱仪实现精密光谱参数测量的需求，并实现了对于受激布里渊损耗谱引起的光谱鬼线等测量缺陷的抑制，获取了超高光谱分辨率、极大无缺陷动态范围的光纤信号精密光谱参数。

实施例二

本实施例提供了一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生方法。

一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生方法，采用上述实施例一所述的布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，包括：

获取特定波长的光信号，经分路模块输出进入第一光波频移模块的第一路光信号和进入第二光波频移模块的第二路光信号；

第一光波频移模块和第二光波频移模块产生频率差为布里渊频移、功率比为k、波长调谐分辨率优于1MHz的两路精细调谐移频光，然后经耦合模块合为一束用于布里渊光谱仪工作时的泵浦信号光。

具体的，该方法，包括如下步骤：

步骤1：可调谐激光器模块输出1550nm的光信号；

步骤2：可调谐激光器模块输出的1550nm信号光，经分路模块等分为两路光输出；

步骤3：分路模块输出的两路光，分别进入第一光波移频模块和第二光波移频模块，产生波长调谐范围达到0.1nm、频率差为布里渊频移、功率比为k、波长调谐分辨率优于1MHz的两路精细调谐移频光；

步骤4：第一光波移频模块和第二光波移频模块输出的两路精细调谐移频光，经光耦合模块合为一束光输出；

步骤5：可调谐激光器模块输出1550.1nm的光信号，重复步骤1～4，从而产生了1525nm～1565nm波段、包含两个频率成分、波长调谐分辨率优于1MHz的精细扫频信号光，用作布里渊光谱仪工作时的泵浦信号光，并实现了对于受激布里渊损耗谱引起的光谱鬼线等测量缺陷的抑制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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)

1.一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，其特征在于，包括主控模块，以及分别与主控模块连接的可调谐激光器模块、分路模块、第一光波移频模块、第二光波移频模块以及耦合模块；

可调谐激光器模块，用于产生特定波长的光信号；

分路模块，连接可调谐激光器模块，用于将可调谐激光器模块输出的输出光等分为两路光；

第一光波移频模块，连接分路模块，用于对分路模块输出的第一路光信号进行载波抑制单边带调制，产生第一精细调谐移频光；

第二光波移频模块，连接分路模块，用于对分路模块输出的第二路光信号进行载波抑制单边带调制，产生第二精细调谐移频光；

耦合模块，连接第一光波移频模块和第二光波移频模块，用于将第一精细调谐移频光和第二精细调谐移频光合为一束精细扫频信号光，作为布里渊光谱仪工作时的泵浦信号光。

2.根据权利要求1所述的布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，其特征在于，所述分路模块包括第一光隔离器和光分路器，所述第一光隔离器分别与可调谐激光器模块和光分路器连接。

3.根据权利要求1所述的布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，其特征在于，所述第一光波移频模块，包括：

第一射频驱动单元，用于产生低相位噪声射频驱动信号；

第一电光调制器，连接第一射频驱动单元、分路模块和第一自动偏压控制单元；

第一自动偏压控制单元，用于控制第一电光调制器的工作点，产生满足第一电光调制器工作需求的偏置电压；

第一可调光衰减器，连接第一电光调制器；

第一光放大器，连接耦合模块；

所述第一可调光衰减器和第一光放大器用于调控第一光波移频模块输出移频光的功率水平。

4.根据权利要求1所述的布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，其特征在于，所述第二光波移频模块，包括：

第二射频驱动单元，用于产生低相位噪声射频驱动信号；

第二电光调制器，连接第二射频驱动单元、分路模块和第二自动偏压控制单元；

第二自动偏压控制单元，用于控制第二电光调制器的工作点，产生满足第二电光调制器工作需求的射频驱动信号；

第二可调光衰减器，连接第一电光调制器；

第二光放大器，连接耦合模块；

所述第二可调光衰减器和第二光放大器用于调控第二光波移频模块输出移频光的功率水平。

5.根据权利要求1所述的布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，其特征在于，所述耦合模块包括包括光耦合器和第二光隔离器，所述光耦合器分别连接第一光波移频模块、第二光波移频模块和第二光隔离器。

6.根据权利要求1所述的布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，其特征在于，所述第一光波移频模块和第二光波移频模块输出移频光的频率差为布里渊频移。

7.根据权利要求1所述的布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，其特征在于，第一光波移频模块和第二光波移频模块输出移频光的功率比为k，一般取值1～6，具体由实验调试和仪器性能参数给出。

8.根据权利要求1所述的布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，其特征在于，所述第一精细调谐移频光用于作为布里渊光谱仪的主泵浦信号光，用于布里渊光谱仪工作时的光谱成分放大。

9.根据权利要求1所述的布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，其特征在于，所述第二精细调谐移频光用于作为布里渊光谱仪的补偿泵浦信号光，用于抑制受激布里渊损耗谱引起的光谱鬼线等测量缺陷。

10.一种布里渊光谱仪的精细扫频信号产生方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的布里渊光谱仪的精细扫频信号产生装置，包括：

获取特定波长的光信号，经分路模块输出进入第一光波频移模块的第一路光信号和进入第二光波频移模块的第二路光信号；

第一光波频移模块和第二光波频移模块产生频率差为布里渊频移、功率比为k、波长调谐分辨率优于1MHz的两路精细调谐移频光，然后经耦合模块合为一束用于布里渊光谱仪工作时的泵浦信号光。

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