CN115165106A - 超快光谱强度和相位信息测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超快光谱强度和相位信息测量方法及装置，方法为：待测信号通过色散作用将其频谱成分信息映射到不同的时间位置；将超短光脉冲经色散展宽得到其时域光谱，形成啁啾扫频源；将二者在相干接收系统中实现相干探测及光电信号转化，后经数据处理加载虚拟时域透镜，恢复待测信号的时域聚焦光谱强度和相位信息；装置包括第一、第二色散补偿光纤，第一光纤锁模激光器，光学带通滤波器、光信号放大器，第一、第二偏振控制器，相干接收机和实时示波器。本发明能在探测光谱带宽大于20nm的同时实现光谱的强度和相位信息实时恢复，测量帧速率可达20MHz，在高速动态光谱强度和相位信息监测及瞬态光谱强度和相位信息实时捕捉应用场景中有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及光信号的光谱分析技术领域，特别涉及光谱强度和相位信息的超快测量。
背景技术
光谱是很多物理现象和光通信中携带重要信息的载体，因此光谱测量是光学中最基本的测量手段之一。随着光通信信号传输速率达到了Tb/s的量级，同时脉冲激光器的持续时间达到了飞秒甚至是阿秒量级，这对于其光谱测量技术的速率及测量带宽都提出了新的要求。此外高级通信调制格式信号的实时监测、任意波形表征及非重复性动态场景捕获，将光信号测量分析的复杂性推到了新的高度，这不仅需要对信号的光谱强度实现获取，同时还需要实时表征信号的相位信息。传统的基于Czerny-Turner单色仪的衍射光栅型光谱仪可以做到超大测量带宽，但是由于受限于机械旋转速率，其难以实现超快的测量速率，同时无法获取信号的相位信息。超快光谱测量技术是针对光谱快速变化的应用，可以应用在快速扫频光源、激光腔稳态过程、快速物理化学过程、快速光通信分析中。目前，很多基于全光信号处理的光谱测量技术相继被提出，其中较为典型的光谱测量技术有三类。第一类是基于时域干涉实现的双光梳光谱仪，其工作原理为：两个重复频率具有微小差异的光频梳，在干涉拍频之后，就可以把光学频率信息降频到射频域。将其中一个光频梳经过待测样品，这样可以对待测样在射频域对光谱进行分析(Schiller,S.Spectrometry with frequencycombs.Optics letters,2002,vol.27,no.9,766-768)。其分辨率取决于光频梳梳齿的间隔，通常在MHz量级。同时双光频梳光谱仪一般只能对吸收谱进行分析，不能分析发射谱，同时测量帧率取决于双光频梳的差频，通常在kHz量级，使得其适用于高精度光谱分析场景中，但无法适用于快速变化光谱的测量场景中。第二类是基于色散时域拉伸的时域光谱分析技术，该方案主要是利用锁模激光器输出的超短脉冲作为光源，使用大时域色散将超短脉冲的光谱拉伸映射到时域上，类似于空间光学中的夫琅禾费衍射，在时域得到待测样品的光谱信息。同时该方案引入拉曼放大技术，补偿大时域色散引入的损耗，优化灵敏度和光谱分辨率，此时系统帧率实现为MHz量级，有效提高了光谱信息的测量速率(Chou,J.,Solli,D.R.,and Jalali,B.Real-time spectroscopy with subgigahertz resolutionusing amplified dispersive Fourier transformation.Applied Physics Letters,2008，vol.92,no.11,111102.)。但是该方案仅获得了待测信号的光谱强度信息，没有准确获取待测信号相位信息，使得其不适用于矢量分析场景中。同时该方案只能研究脉冲光的光谱信息，极大限制其应用领域。第三类是基于时域聚焦的超快光谱分析技术，这类方案类比于空间的2f系统。基于参量混合型时域透镜构建时域傅里叶变换系统，可以实现光谱信息到时域信息的映射，其具体实现方法是脉冲光经过色散光纤之后形成线性扫频光源，此扫频光源作为泵浦光与待测信号在非线性介质中发生四波混频，产生的闲频光就会同时携带待测信号的信息和泵浦光引入的二次相位，也就实现了时域透镜的功能，经后置色散模块聚焦之后，完成时间波长序列的重构，实现了待测信号光谱信息的实时测量(Zhang,C.,Wei,X.,and Wong,K.K.Performance of parametric spectro-temporal analyzer(PASTA).Optics Express,2013，vol.21,no.26,32111-32122.)。与传统的电光调制器型时域透镜和交叉相位调制型时域透镜相比，参量混合型时域透镜更容易实现较大时间带宽积和较容易实现对啁啾量的调节，而且稳定性更高。其测量帧率可以达到100MHz，但是工作波长受限于四波混频参量过程，观测光谱范围为10nm以下，系统也只能实现单一强度变化信息的表征，无法获取待测信号相位信息。通过对现有技术的分析，可以发现当前的光谱测量系统难以在保证高测量帧率的前提下，同时实现大光谱带宽信号的强度和相位信息同时获取。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出能在保证超快测量帧率的同时实现实时的大带宽光谱强度和相位信息测量的方法和装置，实现对于高速动态变化光谱信息的实时强度和相位信息测量分析。
为解决上述技术问题，本发明首先提出一种测量帧率高并且可以实时测量信号光谱强度和相位信息的测量方法，包括以下步骤：
A、待测信号经过色散大小为Φ1的色散作用，将其信号的不同频谱成分映射到不同的时间位置；
B、将超短光脉冲经色散大小为Φ2的色散作用充分展宽得到其时域光谱，形成啁啾扫频源，作为相干探测的本振光；
C、将经过色散的待测信号与经过色散时域拉伸的本振光进行相干探测，将相干得到的光信号转化为电信号，所述电信号经数据采集、数字信号处理，恢复待测信号的光谱强度和相位信息；
其中步骤C具体包括如下步骤：
C1、由相干探测输出同相和正交的两路信号可以得到强度和相位信息；
C2、在数字信号处理中，对时间窗口内的全场信号加载时间上的二次相位
实现“虚拟”时域透镜功能，Φf为所述“虚拟”时域透镜的“焦距”；
C3、经过施加“虚拟”时域透镜后的信号，即可恢复待测信号的时域光谱信息。
其中，步骤A中的色散量Φ1应与步骤B中的色散量Φ2相等，即Φ2＝Φ1。
其中，步骤A中对应的色散量大小Φ1与步骤C2中的“焦距”Φf需精确匹配，即Φ1＝Φf。
其中，所述步骤C中的相干探测利用了相位分集技术，同时获取同相和正交的两路干涉信号，通过分析同相和正交的两路干涉信号恢复其全光场信息。
本发明同时提出了一种超快光谱强度和相位信息测量装置，包括第一光纤锁模激光器，光学带通滤波器，光信号放大器、第一、第二色散补偿光纤，第一、第二偏振控制器，相干接收机，实时示波器；
所述第一光纤锁模激光器用于产生脉宽小于1ps，脉冲重复频率为MHz量级的超短脉冲序列；
所述第一色散补偿光纤，用于待测信号进行色散作用以实现不同频率成分到不同时间位置的映射；
所述第二色散补偿光纤，用于第一光纤锁模激光器进行色散拉伸作用以实现啁啾的扫频光源；
所述光学带通滤波器，用于控制第一光纤锁模激光器的光谱范围，也即系统的测量光谱范围。
所述光信号放大器，用于将经过第二色散补偿光纤输出的光信号放大，补偿色散模块及系统链路带来的光功率损耗；
所述第一、第二偏振控制器，分别用于控制输入到相干接收机的信号光和本振光的偏振状态；
所述相干接收机，用于信号光与本振光实现相干探测，并将光信号转换成为电信号输出；
所述的实时示波器，用于对相干接收机输出的电信号进行采集和模数转换，并实时显示。
其中，所述第一色散补偿光纤和第二色散补偿光纤的色散量大小相等，即Φ1＝Φ2。
其中，所述相干接收机为一般商用相干接收机，所述实时示波器为实时连续采集模式。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用光学脉冲序列时域拉伸实现的啁啾扫频光源作为相干探测本振光，系统实时测量帧率与啁啾扫频源周期一致，一般为MHz量级，有效实现了待测信号的超快光谱测量分析。
(2)本发明通过啁啾扫频源与经过色散作用的待测信号的相干探测过程，同时获取了待测信号光谱的强度和相位信息。将光谱强度和相位信息进行傅里叶逆变换处理，待测信号时域的全光场信息也得到了获取。因此，本发明不仅可以获得的是待测信号的光谱强度和相位信息，同样可以获取待测信号时域全场信息。
(3)本发明通过“虚拟”时域透镜的技术，避免了在系统硬件装置中使用基于非线性参量过程及相位调制器等实现时域透镜的方式，使得系统复杂度及成本大大降低，相移量控制精准。
(4)本发明采用啁啾扫频光源作为相干探测本振光，将待测信号频率都转化到了基频附近，提高了系统测量带宽，可以实现大于20nm的光谱测量带宽。
(5)本发明的啁啾扫频光源的重复频率可以根据不同测量场景需求进行调节，对于高速动态变化的待测信号，增加扫频源的重复频率可以实现更高帧率的测量，捕获高速变化的待测信号的强度和相位信息。因此，本发明在高速信号的实时强度和相位信息测量场景中有重要意义。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明；但本发明的超快光谱强度和相位信息测量方法及装置不局限于实施例。
图1为本发明具体实施的超快光谱强度和相位信息测量方法及装置的结构示意图。
图2给出了不同待测信号经过系统测量恢复的光谱强度和相位信息仿真测量结果，坐标轴由时间-波长关系映射得到。其中，图2(a)给出了通过本发明装置测得的待测信号1的光谱强度的仿真结果。图2(b)给出了通过本发明装置测得的待测信号2的光谱强度的仿真结果。图2(c)给出了通过本发明装置测得的待测信号3的光谱强度的仿真结果。图2(d)给出了通过本发明装置测得的待测信号1的相位信息的仿真结果，信号中心波长为1540nm。图2(e)给出了通过本发明装置测得的待测信号2的相位信息的仿真结果，信号中心波长为1550nm。图2(f)给出了通过本发明装置测得的待测信号3的相位信息的仿真结果，信号中心波长为1560nm。
具体实施方式
本发明的超快光谱强度和相位信息测量方法采用如图1所示的超快光谱强度和相位信息测量装置来具体实施，该装置包括第一色散补偿光纤1、第一偏振控制器2，第一光纤锁模激光器3，第二色散补偿光纤4，光信号放大器5，光学带通滤波6，第二偏振控制器7，相干接收机8，示波器9。
本发明具体实施的超快光谱强度和相位信息测量方法具体包括如下步骤：
1)第一光纤锁模激光器的输出为高斯型超短脉冲，脉宽为1ps左右、脉冲重复频率为20MHz，单个脉冲时域波形表示为E1(t)。其时域光信号具体表达如下：
式中，I1为第一光纤锁模激光器输出超短脉冲信号的强度，tPW为第一光纤锁模激光器超短脉冲的脉冲宽度，ωLO为其频谱中心频率,
为其初始相位，t0为窗口的中心参考时刻。上述高斯型超短脉冲的重复频域为MHz量级。
2)由光纤中光脉冲线性传输方程可以得到第一光纤锁模激光器经过第二色散补偿光纤后表达式。简化分析模型，不考虑色散中的高阶色散影响，并避免非线性效应。色散满足远场色散条件，输出本振光时域信号电场可以近似表示为：
其中，U1(ω)为E1(t)的频域表达式,Φ2为第二色散补偿光纤的群速度色散大小。
3)待测信号经过第一色散补偿光纤,待测信号时域波形表示为Es(t)，光谱表示为Us(ω)，由光纤中光信号的线性传输方程可以得到输出时域信号的具体表示为：
其中，Uout(ω)为输出光信号的频域表示，Φ1为第一色散补偿光纤的群速度色散大小。
4)经过色散的待测信号Eout(t)与扫频源ELO(t)分别作为信号光和本振光输入相干光接收机中。经过相位分集技术，再经过两路平衡探测器输出得到干涉信号的同相和正交两路信号，其可以表示为：
5)通过实时示波器模数转换、数据采集，再通过数字信号处理得到的同相和正交的两路信号，获取强度和相位信息。同时我们将获得的全场信息实施“虚拟时域透镜”过程，对全场信号加载二次相位
恢复待测信号的光谱强度及相位信息。为了简化计算，我们在这里不考虑高阶色散及非线性的影响，同时Φf、Φ2与Φ1相等。恢复待测信号光谱全场信号的表达式为：
为了简化计算，考虑信号的时间窗口特性，上式可以简化近似为：
其中，T为信号在时域的时间窗口大小。
6)对式(5)进行傅里叶逆变换，同时当本振光脉冲脉宽无穷窄时待测信号时域全光场信号可以近似表示为：
上式可以看到，待测信号的光谱强度和相位信息都实现了实时恢复，同时其对应时域波形信号也可以实时获取。本系统不仅获取待测信号强度信号，还同时获取了相位信息，实现了实时的光谱强度和相位信息分析，对于快速变化的大带宽信号，系统同样可以以MHz量级帧率来捕获其变化的信息，下面将以应用实例予以说明。
实施例
为了验证本方案具备光谱强度和相位信息实时测量分析能力，本方案通过仿真模型验证，待测信号为由超短脉冲光源经过不同长度的色散光纤和不同中心波长滤波器形成的啁啾信号。其中滤波器带宽都为2nm，滤波中心波长分别为：1540nm、1550nm及1560nm。待测信号1：超短脉冲光源经过中心波长为1540nm，滤波带宽为2nm滤波器，不经过色散光纤，直接输入到测试系统恢复其光谱全场信息。待测信号2：超短脉冲光源经过中心波长为1550nm，滤波带宽为2nm滤波器的，再经过长度约为500m的色散光纤，色散量为(8.98ps/nm)。待测信号3：超短脉冲光源经过中心波长为1560nm，滤波带宽为2nm滤波器，再经过长度约为1000m色散光纤，色散量为(17.9ps/nm)。
本发明装置将待测信号光谱强度和相位信息同时获取下来，实现大带宽信号的实时光谱强度和相位信息测量及色散监测。
图2给出了不同待测信号经过系统测量恢复的光谱强度和相位信息仿真结果，坐标轴由时间-波长关系映射得到。图2(a)、2(d)分别给出了通过本发明装置测得的待测信号1的光谱强度和相位的仿真结果。图2(b)、2(e)分别给出了通过本发明装置测得的待测信号2的光谱强度和相位的仿真结果；图2(c)、2(f)给出了通过本发明装置测得的待测信号3的光谱强度和相位的仿真结果。从图中可以看出，本发明的一种超快光谱强度和相位信息测量方法及装置可以准确的对光信号进行在大于20nm带宽范围内进行超快光谱强度和相位信息测量，测量帧率达到了20MHz。
以上具体实施例仅用来进一步说明本发明的一种超快光谱强度和相位信息测量方法及装置，本发明并不局限于实施例。应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种超快光谱强度和相位信息测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、待测信号经过色散大小为Φ1的色散作用，将其信号的不同频谱成分映射到不同的时间位置；
B、将超短光脉冲经色散大小为Φ2的色散作用充分展宽得到其时域光谱，形成啁啾扫频源，作为相干探测的本振光；
C、将经过色散的待测信号与经过色散时域拉伸的本振光进行相干探测，将相干探测得到的光信号转化为电信号，所述电信号经数据采集、数字信号处理，恢复待测信号的光谱强度和相位信息；
其中步骤C具体包括如下步骤：
C1、由相干探测输出同相和正交的两路信号可以得到强度和相位信息；
C2、在数字信号处理中，对时间窗口内的全场信号加载时间上的二次相位
实现“虚拟”时域透镜功能，Φf为所述“虚拟”时域透镜的“焦距”；
C3、经过施加“虚拟”时域透镜后的信号，即可实现待测信号的时域聚焦光谱强度和相位信息。
2.根据权利要求1所述的超快光谱强度和相位信息测量方法，其特征在于：步骤A中的色散量Φ1应与步骤B中的色散量Φ2相等，即Φ2＝Φ1。
3.根据权利要求1所述的超快光谱强度和相位信息测量方法，其特征在于：步骤A中对应的色散量大小Φ1与步骤C2中的“焦距”Φf需精确匹配，即Φ1＝Φf。
4.根据权利要求1所述的超快光谱强度和相位信息测量方法，其特征在于：所述步骤C1具体为：利用基于相位分集的相干探测技术，同时获取同相和正交的两路干涉信号，通过分析同相和正交的两路干涉信号同时恢复其强度和相位信息。
5.一种超快光谱强度和相位信息测量装置，其特征在于：包括第一光纤锁模激光器，光学带通滤波器，光信号放大器、第一、第二色散补偿光纤，
第一、第二偏振控制器，相干接收机，实时示波器；
所述第一光纤锁模激光器用于产生脉宽小于1ps，脉冲重复频率为MHz量级的超短脉冲序列；
所述第一色散补偿光纤，用于待测信号进行色散作用以实现不同频率成分到不同时间位置的映射；
所述第二色散补偿光纤，用于第一光纤锁模激光器进行色散拉伸作用以实现啁啾的扫频光源；
所述光学带通滤波器，用于控制第一光纤锁模激光器的光谱范围，也即系统的测量光谱范围；
所述光信号放大器，用于将经过第二色散补偿光纤输出的光信号放大，补偿色散模块及系统链路带来的光功率损耗；
所述第一、第二偏振控制器，分别用于控制输入到相干接收机的信号光和本振光的偏振状态；
所述相干接收机，用于信号光与本振光实现相干探测，并将光信号转换成为电信号输出；
所述的实时示波器，用于对相干接收机输出的电信号进行采集和模数转换，并实时显示。
6.根据权利要求5所述的超快光谱强度和相位信息测量装置，其特征在于：所述第一色散补偿光纤和第二色散补偿光纤的色散量大小相等，即Φ1＝Φ2。
7.根据权利要求5所述的超快光谱强度和相位信息测量装置，其特征在于：所述相干接收机为一般商用相干接收机，所述实时示波器为实时连续采集模式。
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