CN114018406B - 相干光谱测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相干光谱测量系统，包括：第一激光模块，适用于产生周期性光脉冲序列；第二激光模块，适用于输出光信号；时域拉伸模块，与所述第一激光模块的输出端连接，适用于对所述周期性光脉冲序列进行时域拉伸处理，输出周期性啁啾光脉冲；光混频模块，与所述第二激光模块的输出端和所述时域拉伸模块的输出端分别连接，适用于对所述周期性啁啾光脉冲与所述光信号进行耦合以及对所述光信号进行相位分集处理，输出具有相位差的耦合相位分集光信号；光电探测模块，适用于对所述耦合相位分集光信号进行外差光电转换，得到微波信号；信号处理模块，适用于将所述微波信号转化为数字信号并输出信号测量结果。本发明还提供一种相干光谱测量方法。

Description

相干光谱测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及微波光子学和相干光通信领域技术领域，尤其涉及一种相关光谱测量系统及测量方法。

背景技术

对激光光谱的高速测量是学术界与工业界的重要议题。传统的商用光谱仪与波长计具有测量分辨率高，测量范围大的优点，但是它们的测量速率极低，为Hz量级，难以满足对瞬发非重复性罕见光信号的测量，也难以满足超快光传感测量时要求光谱测量速率达到kHz甚至MHz量级的应用需求，而且传统的商用光谱仪不能实现对光相位的实时测量。相干光通信领域中常用的拍频法分析光谱虽然能实现高速高分辨率的光谱分析，但其测量范围受限于光电探测器带宽，难以满足实际的光谱测量需求。近些年来，基于波长-时间映射技术的光谱分析仪被广泛研究，该法能实现高分辨率、较大测量范围以及超高速率的光脉冲光谱分析，但此法不适用于连续光。目前，有一种基于波长-时间映射与光拍频的超快连续光波长测量方法，但是此法仅能实现波长测量。

发明内容

为克服上述至少一种技术问题，本发明的实施例提供了一种相干光谱测量系统及测量方法，基于波长-时间映射、相位分集处理以及数字信号处理，实现同时对光信号的波长、振幅、相位进行高速、大带宽、高精度测量。

本发明实施例提供了一种相干光谱测量系统，包括：第一激光模块，适用于产生周期性光脉冲序列；第二激光模块，适用于输出光信号；时域拉伸模块，与所述第一激光模块的输出端连接，适用于对所述周期性光脉冲序列进行时域拉伸处理，输出周期性啁啾光脉冲；光混频模块，与所述第二激光模块的输出端和所述时域拉伸模块的输出端分别连接，适用于对所述周期性啁啾光脉冲与所述光信号进行耦合以及对所述光信号进行相位分集处理，输出具有相位差的耦合相位分集光信号；光电探测模块，适用于对所述耦合相位分集光信号进行外差光电转换，得到微波信号；信号处理模块，适用于将所述微波信号转化为数字信号并输出信号测量结果。

在一种可能实施的方式中，所述光混频模块包括：第一输入端口、第二输入端口、第一内部光耦合器、第二内部光耦合器、第一输出光耦合器、第二输出光耦合器；其中，所述第一输入端口与所述时域拉伸模块的输出端连接；所述第二输入端口与所述第二激光模块的输出端连接；其中，所述光电探测模块包括第一平衡光电探测器与第二平衡光电探测器；所述第一平衡光电探测器与所述第一输出光耦合器的两个输出端连接；所述第二平衡光电探测器与所述第二输出光耦合器的两个输出端连接。

在一种可能实施的方式中，所述信号处理模块包括：第一模数转换模块，与所述第一平衡光电探测器的输出端连接；第二模数转换模块，与所述第一平衡光电探测器的输出端连接；数字信号处理模块，与所述第一模数转换模块的输出端和所述第二模数转换模块的输出端连接。

在一种可能实施的方式中，所述第一输出光耦合器的两个输出端分别用于对所述光信号施加0与π的相移。

在一种可能实施的方式中，所述第二输出光耦合器的两个输出端分别用于对所述光信号施加π/2与3π/2的相移。

在一种可能实施的方式中，所述数字信号处理模块适用于对数字线性调频信号进行欧拉转换，输出互相关复脉冲压缩信号。

在一种可能实施的方式中，所述光信号包括：波长、振幅、相位信息已知的参考激光；或波长、振幅、相位信息未知的待测激光。

在一种可能实施的方式中，所述待测激光的波长、振幅、相位信息利用所述参考激光的波长、振幅、相位信息进行标定。

在一种可能实施的方式中，第一激光模块为光频梳脉冲激光源，所述周期性光脉冲序列为频域上具有固体频率间隔的光频梳。

本发明实施例还提供一种相干光谱测量方法，包括：将周期性光脉冲序列进行时域拉伸处理后输出周期性啁啾光脉冲；将所述周期性啁啾光脉冲与光信号进行耦合以及对所述光信号进行相位分集处理，得到具有相位差的耦合相位分集光信号；将所述耦合相位分集光信号进行外差光电转换，得到微波信号；将所述微波信号数字化并进行数字信号处理，最终输出信号测量结果。

本发明的一种相干光谱测量系统，基于波长-时间映射、相位分集处理以及数字信号处理，实现同时对光信号的波长、振幅、相位进行高速、大带宽、高分辨率的相干光谱测量。

附图说明

图1为本发明实施例的相干光谱测量系统的示意图；

图2为本发明实施例对一组连续激光波长的测量结果示意图；

图3为本发明实施例与商用光谱仪对一组连续激光振幅的测量结果对比示意图；

图4为本发明实施例对一相位调制光边带高速相位的测量结果示意图；

图5为微波信号的短时傅里叶变化结果示意图；

图6为本发明实施例对被图5所示的微波信号驱动的MZI载波抑制双边带调制光信号波长的测量结果示意图；

图7为本发明实施例对被图5所示的微波信号驱动的MZI载波抑制双边带调制光信号的+1阶边带振幅的测量结果示意图；

图8为从图6测量结果中提取出来的3组瞬时光谱测量结果；以及

图9为本发明实施例的相干光谱测量方法流程图。

【附图中符号说明】

1-第一激光模块；

2-第二激光模块；

3-时域拉伸模块；

4-光混频模块；

41-第一输入端口；

42-第二输入端口；

43-第一内部光耦合器；

44-第一输出光耦合器；

45-第二内部光耦合器；

46-第二输出光耦合器；

5-光电探测模块；

51-第一平衡光电探测器；

52-第二平衡光电探测器；

6-信号处理模块；

61-第一模数转换模块；

62-第二模数转换模块；

63-数字信号处理模块。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的一种相干光谱测量系统，包括：第一激光模块，适用于产生周期性光脉冲序列；第二激光模块，适用于输出光信号；时域拉伸模块，与第一激光模块的输出端连接，适用于对周期性光脉冲序列进行时域拉伸处理，输出周期性啁啾光脉冲；光混频模块，与第二激光模块的输出端和时域拉伸模块的输出端分别连接，适用于对周期性啁啾光脉冲与光信号进行耦合以及对光信号进行相位分集处理，输出具有相位差的耦合相位分集光信号；光电探测模块，适用于对耦合相位分集光信号进行外差光电转换，得到微波信号；信号处理模块，适用于将微波信号转化为数字信号并输出信号测量结果。

图1为本发明实施例的相干光谱测量系统的示意图。

如图1所示，为本发明实施例的相干光谱测量系统，包括：第一激光模块1，适用于产生周期性光脉冲序列；第二激光模块2，适用于输出光信号；时域拉伸模块3，与第一激光模块1的输出端连接，适用于对周期性光脉冲序列进行时域拉伸处理，输出周期性啁啾光脉冲；光混频模块4，与第二激光模块2的输出端和时域拉伸模块3的输出端分别连接，适用于对周期性啁啾光脉冲与光信号进行耦合以及对光信号进行相位分集处理，输出具有相位差的耦合相位分集光信号；光电探测模块5，适用于对耦合相位分集光信号进行外差光电转换，得到微波信号；信号处理模块6，适用于将微波信号转化为数字信号并输出信号测量结果。

在本发明的一个实施例中，第一激光模块1的输出端与时域拉伸模块3的输入端连接，第一激光模块1输出周期性光脉冲序列经过时域拉伸模块3后实现波长-时间映射，时域拉伸模块3输出波长与时间呈线性关系的周期性啁啾光脉冲，周期性啁啾光脉冲提供了测量时波转换尺度，周期性光脉冲序列的光谱宽度决定了本测量系统的测量量程。

在本发明的一个实施例中，第一激光模块1为光频梳脉冲激光源，周期性光脉冲序列为频域上具有固体频率间隔的光频梳。

在本发明的一个实施例中，时域拉伸模块3为色散补偿光纤，也可为其他能够实现对周期性光脉冲序列进行时域拉伸的模块。

在本发明的一个实施例中，第二激光模块2输出的光信号包括：波长、振幅、相位信息已知的参考激光或波长、振幅、相位信息未知的待测激光。待测激光的波长、振幅、相位信息利用参考激光的波长、振幅、相位信息进行标定。对待测激光的波长、振幅、相位信息的测量是以参考激光的波长、振幅、相位信息为标定，测量待测激光与参考激光的波长、振幅、相位信息的相比值。

在本发明的一个实施例中，第二激光模块2为窄线宽激光器，窄线宽激光器输出的窄线宽单波长激光作为参考激光。

在本发明的一个实施例中，光混频模块4包括：第一输入端口41、第二输入端口42、第一内部光耦合器43、第二内部光耦合器45、第一输出光耦合器44、第二输出光耦合器46。第一输入端口41与时域拉伸模块3的输出端连接，第二输入端口42与第二激光模块2的输出端连接。光混频模块4对周期性啁啾光脉冲与光信号进行耦合，并对光信号进行相位分集处理。

在本发明的一个实施例中，第一输出光耦合器44的两个输出端分别用于对光信号施加0与π的相移。

在本发明的一个实施例中，第二输出光耦合器46的两个输出端分别用于对光信号施加π/2与3π/2的相移。

在本发明的一个实施例中，光电探测模块5包括第一平衡光电探测器51与第二平衡光电探测器52。第一平衡光电探测器51与第一输出光耦合器44的两个输出端连接，第一平衡光电探测器51对第一输出光耦合器44的两个输出端输出的耦合相位分集光信号进行外差光电转换，得到第一微波信号。第一微波信号带宽为第一平衡光电探测器51的带宽。第二平衡光电探测器52与第二输出光耦合器46的两个输出端连接，第二平衡光电探测器52对第二输出光耦合器46的两个输出端输出的耦合相位分集光信号进行外差光电转换，得到第二微波信号。第二微波信号带宽为第二平衡光电探测器52的带宽。第二激光模块2输出的光信号信息编码在第一微波信号以及第二微波信号中。

在本发明的一个实施例中，第一微波信号以及第二微波信号为一组正交的周期性线性调频微波信号。

在本发明的一个实施例中，信号处理模块6包括：第一模数转换模块61、第二模数转换模块62以及数字信号处理模块63。第一模数转换模块61的输入端与第一平衡光电探测器51输出端连接，第一模数转换模块61的输出端与数字信号处理模块63输入端连接。第一模数转换模块61对第一微波信号进行模数转换处理，得到第一数字微波信号。第二模数转换模块62的输入端与第二平衡光电探测器52输出端连接，第二模数转换模块62的输出端也与数字信号处理模块63输入端连接。第二模数转换模块62对第二微波信号进行模数转换处理，得到第二数字微波信号。第一数字微波信号以及第二数字微波信号同时输出到数字信号处理模块63。数字信号处理模块63对第一数字微波信号以及第二数字微波信号进行欧拉转换，输出互相关复脉冲压缩信号，光信号的测量结果编码在互相关复脉冲压缩信号峰值上。

在本发明的一个实施例中，第一数字微波信号以及第二数字微波信号为一组正交的准周期性线性调频信号。

在本发明的一个实施例中，光信号为单波长连续激光作为参考激光，第一数字微波信号以及第二数字微波信号在数字信号处理模块63中通过欧拉公式转换成参考复线性调频信号。参考复线性调频信号带宽为光电探测模块5带宽，线性调频率为时域拉伸模块3色散系数的导数，周期为第一激光模块1周期。

在本发明的一个实施例中，光信号为连续激光作为待测激光，第一数字微波信号以及第二数字微波信号在数字信号处理模块63中通过欧拉公式转换成测量复线性调频信号。测量复线性调频信号带宽为光电探测模块5带宽，线性调频率为时域拉伸模块3色散系数的导数，周期为第一激光模块周期。测量复线性调频信号与参考复线性调频信号在数字信号处理模块63中进行互相关处理，由数字信号处理模块63输出互相关复脉冲压缩信号。互相关复脉冲压缩信号峰值在每个第一激光模块1周期的时间位置通过波长-时间映射，就能得到待测激光对应第一激光模块1周期时刻的波长，互相关复脉冲压缩信号峰值的振幅值为待测激光对应第一激光模块1周期时刻的振幅值，互相关复脉冲压缩信号峰值的辐角为待测激光对应第一激光模块1周期时刻的相位值。

图2为本发明实施例对一组连续激光波长的测量结果示意图。

如图2所示，本发明实施例对一组连续激光的波长测量结果为一组互相关复脉冲压缩信号，互相关复脉冲压缩信号峰值对应波长即为连续激光波长。测量结果与商用光谱仪(ADVANTEST Q8384)的测量结果之间的平均误差为20pm，表明本发明实施例的相干光谱测量系统具备高精度的特性。其中单个脉冲时宽为21pm，说明本发明实施例的相干光谱测量系统分辨率为21pm。

图3为本发明实施例与商用光谱仪对一组连续激光振幅的测量结果对比示意图。

如图3所示，本发明实施例的相干光谱测量系统与商用光谱仪(ADVANTEST Q8384)对一组连续激光的振幅测量结果对比，二者之间的最大测量误差为0.5dB，验证了本发明对激光振幅的测量能力。图3中圆圈x坐标为商用光谱仪(ADVANTEST Q8384)对一组连续激光振幅的测量值，圆圈y坐标为本发明实施例对同一组连续激光振幅的测量值。图3中虚线为直线y＝x。图3中，圆圈与虚线的差值表明本发明实施例与商用光谱仪对该组连续激光振幅的测量结果最大偏差为0.5dB。

图4为本发明实施例对一相位调制光边带高速相位的测量结果示意图。

如图4所示，本发明实施例的相干光谱测量系统对一相位调制光边带的相位测量结果，测量速率为51MHz，本发明实施例的测量结果与图4中虚线所示理论预设值一致，验证了本发明对激光相位的高速测量能力。

图5为微波信号的短时傅里叶变化结果示意图。

如图5所示，为一微波信号的短时傅里叶变化结果，该微波信号作为MZI调制器的驱动信号，通过MZI载波抑制调制的方式产生一个波长振幅随时间快速变化的激光信号。具体方法为对一个波长1550nm的单波长光信号通过MZI实现载波抑制双边带调制，使其1阶边带为具有图5所示时频关系的光边带。

图6为本发明实施例对被图5所示的微波信号驱动的MZI载波抑制双边带调制光信号波长的测量结果示意图。

如图6所示，为本发明实施例的相干光谱测量系统对被图5所示的微波信号驱动的MZI载波抑制双边带调制光信号的波长测量结果，测量速率为51MHz。测量结果与理论预期一致，验证了本发明对波长的高速测量特性。

图7为本发明实施例对被图5所示的微波信号驱动的MZI载波抑制双边带调制光信号的+1阶边带振幅的测量结果示意图。

如图7所示，为本发明实施例的相干光谱测量系统对被图5所示的微波信号驱动的MZI载波抑制双边带调制光信号的+1阶边带的振幅测量，测量速率为51MHz，测量结果与虚线所示的理论预设值一致，验证了本发明对振幅的高速测量特性。

图8为从图6测量结果中提取出来的3组瞬时光谱测量结果；

如图8所示，为从图6测量结果中提取出来的3组瞬时光谱测量结果，体现了本发明超高速光谱测量的特性。

需要说明的是，在实际应用过程中，相干光谱测量系统的需要满足以下四个条件：

1)第一模数转换模块及第二模数转换模块对光电探测模块输出信号的采样率应满足采样定理，即大于两倍光电探测模块的带宽。

2)参考激光波长在第一激光模块1输出光光谱范围内。

3)第一激光模块1输出光光谱范围位于光混频模块4的工作频谱范围以内。

4)第一平衡光电探测器51与第二平衡光电探测器52的光电转换效率应尽可能地接近或相同。

图9为本发明实施例的相干光谱测量方法流程图。

如图9所示，本发明还提供了一种相干光谱测量方法，包括：

S1，将周期性光脉冲序列进行时域拉伸处理后输出周期性啁啾光脉冲。

S2，将周期性啁啾光脉冲与光信号进行耦合以及对光信号进行相位分集处理，得到耦合相位分集光信号。

S3，将耦合相位分集光信号进行外差光电转换，得到微波信号。

S4，将微波信号数字化并进行数字信号处理，最终输出信号测量结果。

本发明的一种相干光谱测量系统及测量方法，通过处理波长-时间映射后的周期性啁啾光脉冲与相位分集连续的相干拍频项，实现对待测激光波长、振幅以及相位实现兼具大的测量带宽以及高分辨率的超高速测量。本发明实现了大带宽，高速率，高精度的光信号波长、振幅以及相位测量，测量范围可调谐为10-100nm量级，测量速率可为10MHz-1GHz量级，测量精度通过数字信号处理模块中中互相关算法提高，可调谐为10pm量级。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种相干光谱测量系统，包括：

第一激光模块（1），适用于产生周期性光脉冲序列；

第二激光模块（2），适用于输出光信号；

时域拉伸模块（3），与所述第一激光模块（1）的输出端连接，适用于对所述周期性光脉冲序列进行时域拉伸处理，输出周期性啁啾光脉冲；

光混频模块（4），与所述第二激光模块（2）的输出端和所述时域拉伸模块（3）的输出端分别连接，适用于对所述周期性啁啾光脉冲与所述光信号进行耦合以及对所述光信号进行相位分集处理，输出具有相位差的耦合相位分集光信号；

光电探测模块（5），适用于对所述耦合相位分集光信号进行外差光电转换，得到微波信号；以及

信号处理模块（6），适用于将所述微波信号转化为数字信号并输出信号测量结果；

其中，所述光混频模块（4）包括：第一输入端口（41）、第二输入端口（42）、第一内部光耦合器（43）、第二内部光耦合器（45）、第一输出光耦合器（44）、第二输出光耦合器（46）；

其中，所述第一输入端口（41）与所述时域拉伸模块（3）的输出端连接；所述第二输入端口（42）与所述第二激光模块（2）的输出端连接；

所述光电探测模块（5）包括第一平衡光电探测器（51）与第二平衡光电探测器（52）；

所述第一平衡光电探测器（51）与所述第一输出光耦合器（44）的两个输出端连接；所述第二平衡光电探测器（52）与所述第二输出光耦合器（46）的两个输出端连接。

2.根据权利要求1所述的相干光谱测量系统，其中，所述信号处理模块（6）包括：

第一模数转换模块（61），与所述第一平衡光电探测器（51）的输出端连接；

第二模数转换模块（62），与所述第二平衡光电探测器（52）的输出端连接；以及

数字信号处理模块（63），与所述第一模数转换模块（61）的输出端和所述第二模数转换模块（62）的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的相干光谱测量系统，其中，所述第一输出光耦合器（44）的两个输出端分别用于对所述光信号施加0与π的相移。

4.根据权利要求1所述的相干光谱测量系统，其中，所述第二输出光耦合器（46）的两个输出端分别用于对所述光信号施加π/2与3π/2的相移。

5.根据权利要求2所述的相干光谱测量系统，其中，所述数字信号处理模块（63）适用于对数字线性调频信号进行欧拉转换，输出互相关复脉冲压缩信号。

6.根据权利要求1所述的相干光谱测量系统，其中，所述光信号包括：

波长、振幅、相位信息已知的参考激光；或

波长、振幅、相位信息未知的待测激光。

7.根据权利要求6所述的相干光谱测量系统，其中，所述待测激光的波长、振幅、相位信息利用所述参考激光的波长、振幅、相位信息进行标定。

8.根据权利要求1所述的相干光谱测量系统，其中，第一激光模块（1）为光频梳脉冲激光源，所述周期性光脉冲序列为频域上具有固体频率间隔的光频梳。

9.一种相干光谱测量方法，利用如权利要求1-8任一项所述的相干光谱测量系统，测量方法包括：

将周期性光脉冲序列进行时域拉伸处理后输出周期性啁啾光脉冲；

将所述周期性啁啾光脉冲与光信号进行耦合以及对所述光信号进行相位分集处理，得到具有相位差的耦合相位分集光信号；

将所述耦合相位分集光信号进行外差光电转换，得到微波信号；

将所述微波信号数字化并进行数字信号处理，最终输出信号测量结果。