CN114427956B - 基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统及方法，该方法包括：S1、将扫频激光分成两路，对其中一路做延时处理，另一路作为本征信号；S2、对经延时处理后的该路扫频激光与该本征信号进行拍频，获得拍频信号；S3、将拍频信号转换为电信号；S4、对电信号进行解调，获得扫频激光的相位；S5、根据扫频激光的相位，以电信号形式重构原始的扫频激光信号；S6、对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，获得扫频激光的本征线宽。本发明可以提高扫频激光本征线宽测量准确度。

Description

基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统及方法

技术领域

本发明属于激光线宽测量领域，具体涉及一种基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统及方法。

背景技术

激光线宽是激光器的频谱特征，它是指当激光的功率函数从峰值降低到一半时所产生的频宽，也就是它的半峰全宽。理想的激光器的线宽为0，但是由于自发辐射以及量子噪声的存在，导致激光线宽展宽。同时，激光线宽的测量是表征激光器性能的重要手段，在实际应用中，人们往往用激光线宽衡量激光器性能。在光纤通信领域中，扫频激光器线宽的性能对通信的质量、距离和速率都会产生直接的影响。

传统的线宽测量方法是首先通过解析得到其激光相位，恢复原始激光信号，然后对恢复的原始激光信号作傅里叶变换，进而得到原始激光信号的频谱并计算频谱宽度得到激光线宽，但是扫频激光器在扫频过程中激光的频率是线型变化的，其傅里叶变换得到的是一个宽带的能量发散的频谱，计算得到的线宽明显大于激光器的线宽，因而采用传统的线宽测量方法对扫频激光的本征线宽进行测量时，测量准确度较低。

发明内容

本发明提供一种基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统及方法，以解决采用传统的激光线宽测量方法对扫频激光的本征线宽进行测量时，测量准确度较低的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统，包括第一耦合器、延时光纤、第二耦合器、光电探测器、采集卡和处理器，所述第一耦合器的输入端用于输入扫频激光，第一输出端通过所述延时光纤连接所述第二耦合器的第一输入端，第二输出端连接所述第二耦合器的第二输入端；所述第二耦合器的输出端连接所述光电探测器的探测端，所述光电探测器的输出端通过该采集卡连接所述处理器；

所述第一耦合器将所述扫频激光分成两路，一路传输给所述延时光纤，该路扫频激光经所述延时光纤延时处理后传输给所述第二耦合器，另一路作为本征信号，直接传输给所述第二耦合器；

所述第二耦合器对经延时处理后的扫频激光与该本征信号进行拍频，获得拍频信号；所述光电探测器将所述拍频信号转换为电信号；所述采集卡对所述电信号进行采集并传输给所述处理器；

所述处理器对所述电信号进行解调，获得所述扫频激光的相位，根据所述扫频激光的相位，以电信号形式重构原始的扫频激光信号，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，获得所述扫频激光的本征线宽。

在一种可选的实现方式中，所述处理器在对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换之前，还根据所述扫频激光的相位，计算出扫频速率；并且在对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换时，根据所述扫频速率，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换。

在另一种可选的实现方式中，所述处理器在对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换后，获得所述扫频激光在扫频过程中的本征频谱，根据所述本征频谱获得所述扫频激光在扫频过程中的本征线宽。

在另一种可选的实现方式中，相比于对重构的扫频激光信号进行傅里叶变换，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换后，获得的本征频谱的能量更为集中。

在另一种可选的实现方式中，在扫频过程中，所述扫频激光的频率是线型变化的，所述扫频激光为线型调频信号。

在另一种可选的实现方式中，所述第一耦合器的输入端与激光器连接。

根据本发明实施例的第二方面，还提供一种基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量方法，包括以下步骤：

S1、将扫频激光分成两路，对其中一路做延时处理，另一路作为本征信号；

S2、对经延时处理后的该路扫频激光与该本征信号进行拍频，获得拍频信号；

S3、将所述拍频信号转换为电信号；

S4、对所述电信号进行解调，获得所述扫频激光的相位；

S5、根据所述扫频激光的相位，以电信号形式重构原始的扫频激光信号；

S6、对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，获得所述扫频激光的本征线宽。

在一种可选的实现方式中，在所述步骤S6之前还包括：根据所述扫频激光的相位，计算出扫频速率；

所述步骤S6中对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换时，根据所述扫频速率，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换。

在另一种可选的实现方式中，所述步骤S6具体包括：对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，获得所述扫频激光在扫频过程中的本征频谱，根据所述本征频谱获得所述扫频激光在扫频过程中的本征线宽。

在另一种可选的实现方式中，相比于对重构的扫频激光信号进行傅里叶变换，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换后，获得的本征频谱的能量更为集中。

本发明的有益效果是：

本发明对扫频激光中的一路做延时处理，然后对延时处理后的扫频激光与本征扫频激光进行拍频，可以将扫频激光中的相位抖动转换为强度抖动，如此通过光电探测器就能直接检测到拍频信号的光强，根据该拍频信号的光强便能解调出扫频激光的相位，扫频激光相位获取方法简单；此外，在获得扫频激光的相位后，首先以电信号形式重构原始的扫频激光信号，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，相比于对重构的扫频激光信号进行傅里叶变换，本发明基于分数傅里叶变换对扫频激光本征线宽进行测量，可以提高扫频激光本征线宽测量的准确度，这对扫频激光器的性能好坏检测有着重大意义。

附图说明

图1是本发明基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统的一个实施例结构方框图；

图2是分数傅里叶变换后的扫频激光频谱图；

图3是本发明基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统的另一实施例结构方框图；

图4是本发明基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统的一个实施例结构方框图。该基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统可以可以包括第一耦合器、延时光纤、第二耦合器、光电探测器、采集卡和处理器，所述第一耦合器的输入端用于输入扫频激光，第一输出端通过所述延时光纤连接所述第二耦合器的第一输入端，第二输出端连接所述第二耦合器的第二输入端；所述第二耦合器的输出端连接所述光电探测器的探测端，所述光电探测器的输出端通过该采集卡连接所述处理器。所述第一耦合器将所述扫频激光分成两路，一路传输给所述延时光纤，该路扫频激光经所述延时光纤延时处理后传输给所述第二耦合器，另一路作为本征信号，直接传输给所述第二耦合器；所述第二耦合器对经延时处理后的扫频激光与该本征信号进行拍频，获得拍频信号；所述光电探测器将所述拍频信号转换为电信号；所述采集卡对所述电信号进行采集并传输给所述处理器；所述处理器对所述电信号进行解调，获得所述扫频激光的相位，根据所述扫频激光的相位，以电信号形式重构原始的扫频激光信号，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，获得所述扫频激光的本征线宽。

本实施例中，所述处理器在对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换之前，还根据所述扫频激光的相位，计算出扫频速率；并且在对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换时，根据所述扫频速率，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换。所述处理器在对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换后，获得所述扫频激光在扫频过程中的本征频谱，根据所述本征频谱获得所述扫频激光在扫频过程中的本征线宽。其中，第一耦合器和第二耦合器可以为分光比为50：50的1x2光纤耦合器，延时光纤可以为单模光纤。所述第一耦合器的输入端可以与激光器连接。在扫频过程中，所述扫频激光的频率是线型变化的，所述扫频激光为线型调频信号。相比于对重构的扫频激光信号进行傅里叶变换，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换后，获得的本征频谱的能量更为集中。

结合图2所示，其为分数傅里叶变换后的扫频激光频谱图。图2中α为分数傅里叶变换的变换角度，与分数傅里叶变换阶次p的关系为：α＝2π·p，且与扫频激光对应扫频速率k的关系为：α＝-arccot(k)。对激光信号做分数傅里叶变换相当于在时频面旋转一个角度α做变换，传统的傅里叶变换相当于在时频面旋转90°，即坐标系纵轴做变换。传统的傅里叶变换对于扫频激光信号不能得到能量集中的激光频谱，然而在分数傅里叶变换下能得到能量集中的激光频谱，且在分数域下其半能量宽度为Δu，换算到激光线宽则为：Linewidth＝Δu·csc(α)/2π，其中csc(α)为余割函数。

以单频激光器为例，其激光信号是单频的正弦波信号，对激光信号使用傅里叶变换，得到的是一个能量集中的频谱，若是理想激光信号，则在频谱面为一条竖直的直线，但是扫频激光器在扫频过程中，激光频率随时间变化，其激光信号模型可等效为啁啾信号，亦称线型调频信号，该信号可等效为不同频率正弦波的叠加，因此使用傅里叶变换得到的频谱必定是一个展宽的频谱，这种计算方式得到的结果明显与实际不符。而分数傅里叶变换针对于这种线型调频信号，能够得到能量集中的频谱，进而能够计算其本征线宽。其中，在根据所述扫频激光的相位，以电信号形式重构原始的扫频激光信号时，可以首先根据所述扫频激光的相位，计算出扫频速率，然后根据该扫频速率即可重构出原始的扫频激光信号。

由上述实施例可见，本发明利用延时光纤对扫频激光中的一路做延时处理，然后对延时处理后的扫频激光与本征扫频激光进行拍频，可以将扫频激光中的相位抖动转换为强度抖动，如此通过光电探测器就能直接检测到拍频信号的光强，根据该拍频信号的光强便能解调出扫频激光的相位，扫频激光相位获取方法简单；此外，在获得扫频激光的相位后，处理器首先以电信号形式重构原始的扫频激光信号，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，相比于对重构的扫频激光信号进行傅里叶变换，本发明基于分数傅里叶变换对扫频激光本征线宽进行测量，可以提高扫频激光本征线宽测量的准确度，这对扫频激光器的性能好坏检测有着重大意义。

参见图3，为本发明基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统的另一实施例结构方框图。图2与图1所示实施例的区别在于，所述第一耦合器的第二输出端与第二耦合器的第二输入端之间还设有声光调制器，所述声光调制器用于对该本征信号的频率进行移动，所述第二耦合器对经延时处理后的扫频激光与移频后的本征信号进行拍频，获得移到高频处的拍频信号。例如，本征信号的原始频率是w0，声光调制器的频率移动量为△w，那么本征信号移频后的频率就为w0+△w，与另一路延时处理后的扫频激光进行拍频后，得到的拍频信号的频率就为(w0+△w)-w0＝△w，如此将拍频信号移到了高频处。本发明通过在第一耦合器与第二耦合器之间设置声光调制器，利用声光调制器对本征信号的频率进行移动，可以使拍频信号移到高频处，从而可以降低低频信号的干扰。

由上述实施例可见，本发明利用延时光纤对扫频激光中的一路做延时处理，然后对延时处理后的扫频激光与本征扫频激光进行拍频，可以将扫频激光中的相位抖动转换为强度抖动，如此通过光电探测器就能直接检测到拍频信号的光强，根据该拍频信号的光强便能解调出扫频激光的相位，扫频激光相位获取方法简单；此外，在获得扫频激光的相位后，处理器首先以电信号形式重构原始的扫频激光信号，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，相比于对重构的扫频激光信号进行傅里叶变换，本发明基于分数傅里叶变换对扫频激光本征线宽进行测量，可以提高扫频激光本征线宽测量的准确度，这对扫频激光器的性能好坏检测有着重大意义。

另外，如图4所示，本发明还提供一种基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量方法，包括以下步骤：

S1、将扫频激光分成两路，对其中一路做延时处理，另一路作为本征信号；

S2、对经延时处理后的该路扫频激光与该本征信号进行拍频，获得拍频信号；

S3、将所述拍频信号转换为电信号；

S4、对所述电信号进行解调，获得所述扫频激光的相位；

S5、根据所述扫频激光的相位，以电信号形式重构原始的扫频激光信号；

S6、对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，获得所述扫频激光的本征线宽。

本实施例中，在所述步骤S6之前还包括：根据所述扫频激光的相位，计算出扫频速率；所述步骤S6中对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换时，根据所述扫频速率，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换。所述步骤S6具体包括：对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，获得所述扫频激光在扫频过程中的本征频谱，根据所述本征频谱获得所述扫频激光在扫频过程中的本征线宽。相比于对重构的扫频激光信号进行傅里叶变换，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换后，获得的本征频谱的能量更为集中。

由上述实施例可见，本发明对扫频激光中的一路做延时处理，然后对延时处理后的扫频激光与本征扫频激光进行拍频，可以将扫频激光中的相位抖动转换为强度抖动，如此通过光电探测器就能直接检测到拍频信号的光强，根据该拍频信号的光强便能解调出扫频激光的相位，扫频激光相位获取方法简单；此外，在获得扫频激光的相位后，首先以电信号形式重构原始的扫频激光信号，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，相比于对重构的扫频激光信号进行傅里叶变换，本发明基于分数傅里叶变换对扫频激光本征线宽进行测量，可以提高扫频激光本征线宽测量的准确度，这对扫频激光器的性能好坏检测有着重大意义。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。

Claims (6)

1.一种基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统，其特征在于，包括第一耦合器、延时光纤、第二耦合器、光电探测器、采集卡和处理器，所述第一耦合器的输入端用于输入扫频激光，第一输出端通过所述延时光纤连接所述第二耦合器的第一输入端，第二输出端连接所述第二耦合器的第二输入端；所述第二耦合器的输出端连接所述光电探测器的探测端，所述光电探测器的输出端通过该采集卡连接所述处理器；

所述第一耦合器将所述扫频激光分成两路，一路传输给所述延时光纤，该路扫频激光经所述延时光纤延时处理后传输给所述第二耦合器，另一路作为本征信号，直接传输给所述第二耦合器；

所述第二耦合器对经延时处理后的扫频激光与该本征信号进行拍频，获得拍频信号；所述光电探测器将所述拍频信号转换为电信号；所述采集卡对所述电信号进行采集并传输给所述处理器；

所述处理器对所述电信号进行解调，获得所述扫频激光的相位，根据所述扫频激光的相位，以电信号形式重构原始的扫频激光信号，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，获得所述扫频激光的本征线宽；

其中，所述处理器在对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换后，获得所述扫频激光在扫频过程中的本征频谱，根据所述本征频谱获得所述扫频激光在扫频过程中的本征线宽，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换后，获得的本征频谱的能量更为集中，扫频激光本征线宽测量准确度更高；

在分数傅里叶变换下能得到能量集中的激光频谱，且在分数域下其半能量宽度为Δu，换算到激光线宽则为：Linewidth＝Δu·csc(α)/2π，其中csc(α)为余割函数，α为分数傅里叶变换的变换角度，其与扫频激光对应扫频速率k的关系为：α＝-arccot(k)。

2.根据权利要求1所述的基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统，其特征在于，所述处理器在对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换之前，还根据所述扫频激光的相位，计算出扫频速率；并且在对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换时，根据所述扫频速率，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换。

3.根据权利要求1所述的基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统，其特征在于，在扫频过程中，所述扫频激光的频率是线型变化的，所述扫频激光为线型调频信号。

4.根据权利要求1所述的基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量系统，其特征在于，所述第一耦合器的输入端与激光器连接。

5.一种基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将扫频激光分成两路，对其中一路做延时处理，另一路作为本征信号；

S2、对经延时处理后的该路扫频激光与该本征信号进行拍频，获得拍频信号；

S3、将所述拍频信号转换为电信号；

S4、对所述电信号进行解调，获得所述扫频激光的相位；

S5、根据所述扫频激光的相位，以电信号形式重构原始的扫频激光信号；

S6、对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，获得所述扫频激光的本征线宽；

所述步骤S6具体包括：对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换，获得所述扫频激光在扫频过程中的本征频谱，根据所述本征频谱获得所述扫频激光在扫频过程中的本征线宽；对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换后，获得的本征频谱的能量更为集中，扫频激光本征线宽测量准确度更高；

在分数傅里叶变换下能得到能量集中的激光频谱，且在分数域下其半能量宽度为Δu，换算到激光线宽则为：Linewidth＝Δu·csc(α)/2π，其中csc(α)为余割函数，α为分数傅里叶变换的变换角度，其与扫频激光对应扫频速率k的关系为：α＝-arccot(k)。

6.根据权利要求5所述的基于分数傅里叶变换的扫频激光本征线宽测量方法，其特征在于，在所述步骤S6之前还包括：根据所述扫频激光的相位，计算出扫频速率；

所述步骤S6中对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换时，根据所述扫频速率，对重构的扫频激光信号进行分数傅里叶变换。

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