CN1667982A - 用于光输入信号的超外差检测的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于超外差检测的系统和方法。该系统包括第一转换单元，用于对光输入信号执行第一外差操作以生成电中频信号。第二转换单元被电耦合或光耦合到第一转换单元。第二转换单元执行第二外差操作以生成适合信号处理的电输出信号。

Description

用于光输入信号的超外差检测的方法和系统

技术领域

根据本发明的各种实施例一般地涉及光学测量和测量系统的领域。具体地，根据本发明的各种实施例涉及用于光输入信号超外差检测的系统和方法。

背景技术

对光纤网络带宽增加的需求已经驱使网络设计向间隔更近的光学波长信道和更高的传输比特速率发展。这些光波系统的光谱特性是传输性能的指标。对于间隔很近的密集波分复用(DWDM)系统，常规基于衍射光栅和基于自相关的光谱分析仪(OSA)的有限分辨率降低了测量DWDM信道之间光谱特征的能力。

作为常规OSA的替代，光外差检测系统可用来监视DWDM系统。在光外差检测系统中，两个激光器以一定的光频工作，这两个光频的差处于用来检测所生成的外差拍频(beat)信号的微波光谱分析仪的频率范围内。其中一个激光器通常被称为本地振荡器(LO)。

图1是对现有技术的光外差检测系统100的描绘。光外差检测系统100包括输入信号102、输入波导104、本振信号106、本地振荡器波导108、光耦合器110、输出波导118、光电检测器112和信号处理器116。光外差检测系统的工作原理是光外差检测领域公知的，涉及对当输入信号与本振信号合并且混频时所生成的外差项的监视。

但是，在系统100中，从光电检测器112所得的外差拍频信号通常受带宽限制，而不能提供高的光谱分辨率。结果，由于光输入信号和本振信号的相对定相中的随机差，不同的响应是可能的。因此，外差光谱分析仪的幅度精度会由于相位噪声而降级。而且，强度噪声是影响现有技术的外差光谱分析仪的一大问题。在某些情况下，强度噪声导致测量结果不精确或不可用。结果，外差光谱分析仪的幅度精度会由于强度噪声而降级。

发明内容

本发明公开了用于光信号超外差检测的系统和方法。该系统包括光学分析仪，其对输入信号执行两次外差转换以生成受强度噪声影响更小并适合处理的输出电信号。

在第一转换中，通过第一外差操作，光输入信号被转换为中频(IF)信号。选择更高频率的IF信号导致了强度噪声的影响减小。结果，在第一外差操作中IF信号的使用增加了外差镜像信号的频率间隔，同时降低了强度噪声。以这种方式，其中一个镜像信号被隔离出来进行测量，而不会受另一镜像信号的任何干扰，从而导致当测量光学特性时分辨率上升。而且，在第二转换中，当通过第二外差操作，高频IF信号被下变频为电输出信号时，通过带通滤波器实现进一步的镜像减少。所得到的电输出信号适于处理。

根据本发明的实施例能够在所形成的镜像信号之间实现比现有技术的检测方案中更宽的频率间隔，以允许测量一个镜像信号，而不会受另一镜像信号的干扰，并且无需使用复杂的平衡检测(balanced detection)方案。此外，由于这种更宽的频率间隔，对其中一个镜像信号进行进一步的光学带通滤波是可能的。根据本发明的实施例当测量光输入信号的光学特性时，实现了更好的分辨率和更高的幅度精度。

附图说明

图1是对现有技术的包括单个光电检测器的光外差检测系统的描绘。

图2是根据本发明执行双转换以测量光输入信号的超外差光学分析仪的方框图。

图3是表示根据本发明的超外差检测光输入信号的方法的流程图。

图4是根据本发明在光域和电域中执行双转换的超外差光学分析仪的方框图。

图5是表示根据本发明通过在电域和光域中执行双转换而超外差检测光输入信号的方法的流程图。

图6是根据本发明实施例的能够滤除强度噪声的超外差光学分析仪的方框图。

图7是根据本发明的能够滤除镜像信号的超外差光学分析仪的方框图。

图8A是根据本发明仅在光域中执行双转换的超外差光学分析仪的方框图。

图8B是根据本发明仅在光域中执行双转换的超外差光学分析仪的方框图。

图9是表示根据本发明通过仅在光域中执行双转换而超外差检测光输入信号的方法的流程图。

图10A是根据本发明利用两个光检测器具有平衡检测的超外差光谱分析仪的方框图。

图10B是根据本发明利用两个光接收器具有平衡检测的超外差光谱分析仪的方框图。

图11是根据本发明一个实施例的强度噪声和外差拍频信号的镜像的谱图。

具体实施方式

在下面对根据本发明的实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节，以提供对根据本发明的实施例的全面理解。但是，要认识到没有这些具体细节，根据本发明的实施例仍可以实施。在其他情况下，公知方法、过程、元件和电路都没有详细描述，以免不必要地混淆根据本发明的实施例的方面。

因此，根据本发明的实施例提供了一种执行双转换的超外差光学分析仪。也就是说，根据本发明的实施例提供了一种超外差光学分析仪，其能够在所生成的镜像信号之间实现比现有技术的检测方案更宽的频率或波长分离(例如，几百个皮米)。这是通过以中频工作而实现的，在该中频处强度噪声的影响减小，以使强度噪声的功率谱较低，其对外差拍频信号的影响最小。这样在仅使用单个光接收器时，提供了更高的信噪比，从而避免在某些情况下需要使用复杂的平衡检测方案，来减去强度噪声。而且，在输入信号是来自单个激光器的情况下，镜像信号之间更宽的频率间隔允许测量一个镜像信号，而不会有来自另一个镜像信号的干扰。这样，根据本发明的实施例提供了超外差光学分析仪，当测量光输入信号的光学特性时，与常规检测系统相比较，该超外差光学分析仪能实现更好的强度噪声消除、更好的分辨率和提高的幅度精度，以下将对此进行具体解释。

下面的讨论始于对根据本发明实施例的超外差光学分析仪的元件结构的描述。每一次描述结构之后，将描述它们的具体操作。至于超外差光学分析仪，在根据本发明的实施例中，其结构包括前置滤波器、滤波器、外差混频器、检测器、接收器和信号处理器。此外，在根据本发明的实施例中，超外差光学分析仪的元件所执行的操作包括前置滤波、滤波、外差混频、检测、接收和信号处理。在根据本发明的某些实施例中，超外差光学分析仪执行光谱分析仪的功能。

在根据本发明的某些实施例中，当测量输入信号的光学特性时，超外差光学分析仪执行双转换。超外差光学分析仪的基本元件包括执行第一外差操作的第一转换单元和执行第二外差操作的第二转换单元。所得的电输出信号适于进行信号处理。这种实施例还将结合图2和图3作进一步的描述。

在根据本发明的其他实施例中，超外差光学分析仪在光域和电域中执行双转换。具体地，通过将LO和输入信号中的分别小于和大于LO频率、并且与LO频率相差IF的光谱分量混频来执行第一外差操作，从而由外差拍频信号形成两个镜像。对于包含单光频和扫频LO的输入光信号，这对应于产生单输入频率的两个分开的镜像。IF信号的频率被选择成降低强度噪声的影响。在IF信号的更高频率下，镜像显示出更宽的频率间隔，并且提供了镜像之间不会干扰的测量。结果，当测量输入信号的光学特性时，分辨率增加得以实现。根据本发明的这种实施例还将结合图4、图5、图6和图7作进一步的描述。

在又一实施例中，超外差光学分析仪主要在光域中执行双转换。超外差光学分析仪能够滤除两个可能镜像中的一个镜像，这两个镜像是通过光学滤波，由在光学中频(IF)下经过第一外差操作的外差拍频信号形成的。根据本发明的这种实施例还将结合图8A和图8B作进一步的描述。

在其他实施例中，超外差光学分析仪在光域中执行第一转换，在电域中执行第二转换。超外差光学分析仪能够滤除两个可能镜像中的一个镜像，这两个镜像是通过光学滤波，由经过第一外差操作的外差拍频信号形成的。在电域中的第二转换中，滤除其中一个镜像是通过带通滤波器和镜像减少(IR)混频器共同努力完成的。具体地，当结合带通滤波器和执行第二转换的微波镜像滤除(IR)混频器的镜像减少效应时，进一步减少这对外差镜像的其中之一是可能的。结果，当测量输入信号的光学特性时，幅度精度增加得以实现，如以下将解释的。根据本发明的这种实施例还将结合图10A和图10B作进一步的描述。

              执行双转换的超外差光学分析仪

现在参照图2和图3，下面的讨论始于对根据本发明实施例的执行双转换的超外差光学分析仪的元件结构的描述。随后，将公开对超外差光学分析仪的具体操作的描述。

              执行双转换的超外差光学分析仪的结构

在图2中，示出了表示根据本发明实施例的执行双转换的超外差光学分析仪200的方框图。图2提供了超外差光学分析仪200的基本元件。超外差光学分析仪200包括第一转换单元210和第二转换单元220。第一转换单元在光域或电域中执行第一外差操作，以将光输入信号230转换为中频(IF)信号。

而且，第一转换单元210光学上或电学上耦合到第二转换单元220。第二转换单元220执行第二外差操作，以将电IF信号转换为电输出信号240。第二转换单元220能够将电输出信号240下变频到适合信号处理的、足够低的频率。也就是说，电输出信号的频率是无需进一步转换即可进行分析的频率。

这样，超外差光学分析仪200的基本元件能够提高分辨率和幅度精度，而不用实施消除常规检测系统中存在的强度噪声的复合平衡检测方案。

          执行双转换的超外差光学分析仪的操作特性

参照图3，描述了流程图300，其表示根据图2的本发明实施例用于对光信号执行外差检测的方法。换句话说，流程图300中所描述的方法描述了图2超外差光学分析仪200的操作特性。

流程图300中的方法开始于310，对光输入信号执行第一转换，以生成IF信号。由外差拍频信号所生成的IF信号包括当本振信号的频率比光输入信号的频率大于或小于所选择的IF时所形成的两个镜像。在所选择的IF下的操作通过去除更早提到的、对光输入信号和本振信号之间随机相位的相关性，而提供了更好的、得以改善的幅度精度。对这种相位相关灵敏度的抑制被称之为相位分集(phase diversity)。利用低频IF或高频IF，可以解决相位分集的问题。低频IF不一定提供对强度噪声的减小，但是低频IF或高频IF改善了幅度精度。但是，强度噪声对低频IF仍具有不利影响。

为解决强度噪声的不利影响，IF频率被选择成使所生成的IF信号移到强度噪声的更低强度分量，以对强度噪声不敏感。通过在所选择的IF频率下工作，强度噪声的负面效应被减小，结果，更高的信噪比得以实现。照这样，在根据本发明某些实施例中所采用的IF信号的所选择频率下，不必应用平衡检测方案来消除强度噪声。

作为另一个好处，在单个光输入信号的情况下，通过在所选择的IF频率下工作，由IF信号中外差拍频信号生成的镜像在光频上以足够改善输入信号测量的差异被分离。具体地，在根据本发明的一个实施例中，镜像信号之间的分离允许测量其中一个镜像信号，而不会有任何来自另一个镜像信号的干扰。此外，例如前置选择器的滤波技术可用来滤除不需要的镜像。

在流程图300的320，该方法继续对由第一转换生成的IF信号执行第二转换，以生成电学频率更低的电输出信号。在一种情况下，电输出信号被下变频到适合信号处理的合适频率。

图3中流程图300所公开的方法对光输入信号执行双转换，并且照这样，在用于测量输入信号的光学特性的超外差光学分析仪中实施。结果，该方法提供了分辨率提高、强度噪声效应减小且不必实施复杂的检测方案(例如利用平衡检测来消除强度噪声)的超外差光学检测。具体地，在根据本发明的某些实施例中不必使用平衡检测方案，这是因为通过生成合适IF频率下的IF信号，更高的信噪比得以实现。此外，流程图300中的方法能够生成不必经过进一步转换就能被处理的电输出信号。

        在光域和电域中执行双转换的超外差光学分析仪

现在参照图4、图5、图6和图7，下面的讨论始于对根据本发明实施例在光域和电域中执行双转换的超外差光学分析仪的元件结构的描述。随后，将公开对超外差光学分析仪的具体操作的描述。

     在光域和电域中执行双转换的超外差光学分析仪的结构

在图4中，示出了表示根据本发明一个实施例在光域和电域中执行双转换的超外差光学分析仪400的方框图。超外差光学分析仪400包括图2的第一转换单元210和第二转换单元220，并且还包括其他特征，例如频率偏移滤波器450和信号处理器470。

具体地，超外差光学分析仪400包括图2的第一转换单元210和第二转换单元220。第一转换单元执行第一外差操作，以将输入信号230转换为电中频(IF)信号。超外差光学分析仪400在电域中生成IF信号。

而且，超外差光学分析仪400包括将光输入信号230作为输入的光频率偏移滤波器450。频率偏移滤波器450是可选的，并且根据测量要求被实现。频率偏移滤波器450减小了光输入信号230的强度噪声，并且部分滤除了其中一个镜像响应。这是通过将光带通滤波器的中心频率相对于LO频率进行偏移而完成的。频率偏移滤波器450生成经滤波的光输入信号455。以下会更全面地讨论频率偏移滤波器450的功能特性。

继续参照图4，超外差光学分析仪400包括光耦合到频率偏移滤波器450的图2的第一转换单元210。更具体地，如图4中所示的第一转换单元210包括耦合器420，其将经滤波的光输入信号455与来自光本地振荡器410的光本振信号415合并。

第一转换单元210还包括光检测器421，用于执行生成外差拍频信号的第一外差操作。该检测器是平方律检测器，起混频器的作用，因此，由图中的“X”来标记。这样，光检测器421通过非线性函数将经滤波的光输入信号455转换为电信号。平方律检测将光强转换为电流。也就是说，电流与输入光波的电场的平方成比例。

IF放大器422和IF滤波器423接收电外差拍频信号，以生成电IF信号425。也就是说，任何落在IF放大器422和IF滤波器423通带内的信号将被放大并传递前进。这样，光检测器421将合并的光输入信号和光LO信号转换为电外差拍频信号，该外差拍频信号被放大和滤波，以提供电IF信号425。对于单频的光输入信号230(例如，单个激光源)，随着光LO信号415被扫频，电外差拍频信号改变频率。因此，电外差拍频信号在IF滤波器423的频率范围上扫频，并生成两个镜像，它们对应着位于比光输入信号230高出和低出IF频率处的LO频率。

IF频率被选择成在受强度噪声影响最小的频率下传递电IF信号425。也就是说，强度噪声的更弱分量出现在电IF信号425的频率下，并使强度噪声的影响达到最小。结果，对用于消除强度噪声的平衡检测的要求降低或没有，这是因为在合适IF频率下工作的超外差光学分析仪400中，强度噪声对电IF信号425具有最小的影响。

在图4中，第二转换单元220执行第二外差操作，以将电IF频率信号425转换为能够处理的电输出信号440。更具体地，图4的超外差光学分析仪400将电IF频率信号425下变频为适合处理的频率(在电输出信号440中)。如图4所示，第二转换单元220包括将电IF频率信号425和由电本地振荡器430提供的电本振信号435混频的混频器480。混频器480生成电输出信号440。

继续参照图4，信号处理器470电耦合到第二转换单元220，用于处理电输出信号440。根据本发明的实施例，超外差光学分析仪400能够测量光输入信号230的场频谱特性。这在电域中是可能的，因为电流与合并的输入光信号和光LO信号的强度成比例。因为合并信号的强度包含电场的乘积，并且LO的电场恒定，所以电流实际上与光输入信号的电场成比例。对于根据本发明的其他实施例，超外差光学分析仪400能够测量与输入信号相关的参数。这些参数包括但不限于下面的参数：偏振相关增益(PDG)、偏振相关损耗(PDL)、偏振模色散(PMD)等。

对于根据本发明的实施例，信号处理器470能够处理由混频器480生成的模拟形式的电输出信号440。在根据本发明的其他实施例中，信号处理器470包括数字信号处理器，并为由混频器480生成的模拟形式的电输出信号440提供模数转换。

这样，超外差光学分析仪400通过应用光频率偏移滤波器，能够提供更好的幅度精度和更好的噪声减小，而不必实施常规系统中用到的平衡检测方案，并且分辨率比常规系统中的也得以改善。

   在光域和电域中执行双转换的超外差光学分析仪的操作特性

现在参照图5，描述了流程图500，其表示在根据本发明另一实施例中通过在光域和电域中执行双转换来进行的外差检测光信号的方法。流程图500中所描述的方法描述了图4超外差光学分析仪400的操作特性。

该方法开始于510，用频率偏移滤波器对光输入信号进行滤波。频率偏移滤波器能够减小强度噪声和由外差拍频信号形成的镜像。追踪本振信号、且保持在与本地振荡器频率近似恒定地正偏移或负偏移IF处的滤光器，仅允许本地振荡器与所测得信号的正(或负)频率相互作用。正频率被定义为大于本振信号频率的那些频率。结果，与所测得光信号的负频率(小于本地振荡器的频率)相关的负镜像被抑制或减少。

在520，该方法合并光输入信号和光扫频本振信号以在电域中生成IF信号。所得电IF信号包括外差镜像，其中每个都包含与光输入信号的光学特性相关的完整信息。在根据本发明的另一实施例中，由于所选择的IF频率，例如更高的IF频率，电IF信号中的镜像在光频中被充分分开。结果，光偏移滤波器能够消除其中一个镜像。

作为另一好处，通过在所选择的IF频率下工作，强度噪声的负面效应被减小，结果，更高的信噪比得以实现。图11是表示具有特征sin(f)/f功率谱密度函数的强度噪声信号1110的谱图1100。外差拍频信号的镜像1120和1125出现在高出本振信号IF频率处和低出本振信号IF频率处。如图中所示的，适当选择的IF频率减小了强度噪声信号1110的光谱分量。此外，使用前置选择器可以进一步抑制强度噪声信号1110，因为通过前置选择器观察到更小宽度的潜伏多信道谱图。也就是说，在前置选择器通带以外的激光源强度噪声不可见。这样，在根据本发明实施例中所用的IF信号的IF频率下，平衡检测方案对于减小强度噪声来说是不必要的。

在图5的530，该方法将经滤波的电IF信号和固定的电本振信号合并以生成适合处理的电输出信号。具体地，在530，该方法将电IF信号下变频到适合处理的频率。例如，所得频率低于数字采样系统的Nyquist频率。输出电信号被处理，用于测量光输入信号的场频谱(fieldspectrum)。这在电域中是可能的，因为电流与光输入信号的电场成比例。而且，输出电信号被处理，用于测量光输入信号的光学特性，例如如前所述的光输入信号的参数。

            超外差光学分析仪中强度噪声的减小

再回头参照图4，频率偏移滤波器450能够减小光输入信号230的强度噪声。而且，频率偏移滤波器450部分消弱了从接收器421所生成的外差拍频信号中所存在的镜像的信号强度。频率偏移滤波器(或者前置选择器)的正偏移使本地振荡器与比本地振荡器频率高出IF频率的光信号频率的相互作用达到最大。同时，低于本地振荡器频率的光频被消弱。这样，负镜像被减少或抑制。

至于强度噪声，有些输入信号具有可向外延伸到高频率的强度噪声。例如，强度噪声带宽可向外延伸到40GHz，并且在这之外与大多数接收器的实际电检测带宽重叠。传统平衡接收器和光前置选择器滤波器可用来减小强度噪声。通常，仅由平衡接收器所提供的噪声减小无法提供对强度噪声的完全抑制。

另一方面，频率偏移滤波器450能够更完全地抑制强度噪声。如图4中所示，频率偏移滤波器450被放置在输入信号的路径中。照这样，光输入信号230被频率偏移滤波器450滤波，以生成经滤波的光输入信号455。经滤波的光输入信号455被输入到第一转换单元210内。

根据本发明的另一实施例，光耦合器单元420可包含偏振无关分束器或偏振分束器，其被放置在光检测器421前面，充当经滤波的光输入信号455与光本振信号415的混频器。例如，某些与所测量输入信号的偏振状态无关的光谱分析仪体系结构可在光接收器内包含偏振分束器(例如，偏振分集接收器)。

频率偏移滤波器450减小了多信道系统的检测带中的所有噪声，并减小或抑制了外差拍频信号中不需要镜像的强度。照这样，频率偏移滤波器450能够减小强度噪声和由输入光信号的比本振信号频率高出IF或低出IF的光谱分量所形成的镜像。

更具体地，频率偏移滤波器450的偏移频率被设定为在第一转换单元210内发现的光检测接收器的IF频率。例如，当IF频率为30GHz时，偏移频率被设定为30GHz以减少其中一个外差镜像信号。这是因为当满足以下条件：ν_LO＝ν_S+/-f_IF时，在IF频率下会形成两个外差镜像信号。在这种情况下，ν_LO是本振信号410的频率，ν_S是所测得的光输入信号230的频率，f_IF是IF信号的频率。

频率偏移滤波器450能够减小被检测的强度噪声。例如，光场频谱可由宽度Δν_u的长方形光场频谱图表示。这种频谱是来自光放大器的放大自发辐射(ASE)噪声的近似模型，且近似于调制激光器的频谱。由这种频谱生成的相对强度噪声(RIN)由如下方程式1给出：

$\mathrm{RIN}\left(f\right)\≅\frac{1}{\mathrm{\Δ}{v}_u}^\left(\frac{f}{\mathrm{\Δ}{v}_u}\right)---\left(1\right)$

其中^是在0下等于1，在+/-Δν_u下线性趋近0的三角函数。

此外，强度噪声频谱通过平均光功率的平方与由式1定义的RIN成比例。这样，强度噪声频谱由方程式2描述：

$S_i\left(f\right)=\frac{{<p>}^2}{\mathrm{\&Delta;}{v}_u}^\left(\frac{f}{\mathrm{\&Delta;}{v}_u}\right)---\left(2\right)$

通常，强度噪声频谱(S_i(f))在滤波之前的强度决定了强度噪声对检测电外差拍频信号的影响。具体地，在某些情况下，强度噪声频谱实际与IF滤波重叠。照这样，导致检测到强度噪声，这会造成仪器的动态范围降级。

另一方面，在根据本发明实施例中频率偏移滤波器的应用能够减小强度噪声的强度。如方程式(1)所示，强度噪声频谱由在f＝Δν_u下趋近0的三角函数来描述。在IF滤波器的频率f_IF下测量外差拍音。因此，IF频率越高，所观测到的强度噪声越小。当f_IF＞Δν_u，且IF滤波器带宽较窄时，强度噪声被完全抑制。当然，这要求频率偏移滤波器的频率比本地振荡器的超前或滞后IF频率。接着，当测量输入光信号的光谱时，相对强度噪声不会与IF滤波重叠。在具有光学带宽Δν_f(其中Δν_f＜Δν_u)的频率偏移滤波器450的前置选择器功能作用之后，以下用方程式3描述新的RIN。方程式(3)假设前置选择器滤波的形状是长方形，从而经滤波的频谱也是长方形的。照这样，在根据本发明的实施例中，频率偏移滤波器能够更全面地抑制对于相同IF的相对强度噪声的强度，这有利地增加了仪器测量的动态范围。

$\mathrm{RIN}\left(f\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;v}}_f}^\left(\frac{f}{\mathrm{\&Delta;}{v}_f}\right)---\left(3\right)$

为进一步理解强度噪声减小的机理，考虑调制信号的频谱。假设频率偏移滤波器中的前置选择器能够通过造成强度噪声的光场频谱的一部分。那么，强度噪声的频谱程度(extent)等于包括处在光前置选择器通带范围内的光谱的可能拍频对的最大程度。

例如，假设IF频率等于0，前置选择器具有20GHz的方形通带。由方程式(3)所描述的强度噪声频谱峰位于0处，并且随频率升高而线性减小。由于IF被设定为0，强度噪声频谱与外差拍频频谱重叠。但是，所有大于20GHz的强度噪声都被前置选择器的滤除能力减小。如果IF频率大于前置选择器通带宽度Δν_f，那么由于在f＝Δν_f下其三角频谱趋近0，强度噪声将被大大减小。照这样，一般而言，对于固定偏移滤波宽度，IF频率越高，对强度噪声信号的滤除越好。

通过对最大外差拍频信号和所测得噪声求比，可估算动态范围的限度。该比由方程式4表示，如下：

在方程4中，LO和信号的频谱宽度被假设落在检测带宽B_E内。而且，S_I(f)是在电带宽B_e上对基带频率f积分的所测得的光输入信号强度噪声密度，S_shot是电散粒噪声电流密度，S_th是接收器电热噪声电流密度，S_LO是光LO额外强度噪声， 是简单光电检测的响应度。

这样，忽略滤光器损耗和其他噪声源，例如散粒噪声、热噪声和本地振荡器强度噪声，在如下的方程式5中描述了由光前置选择器滤波所形成的动态范围的提高：

在方程式5中，下标“f”表示经光前置选择器滤波器滤波，而下标“u”指没有光滤波的情况。

照这样，忽略其他噪声源，例如散粒噪声，在如下的方程式6中描述了在IF频率f＝f_IF下的动态范围的提高：

$\mathrm{\&Delta;DR}\left(f_{\mathrm{IF}}\right)\&ap;\frac{\frac{{<P_u>}^2}{\mathrm{\&Delta;}{v}_u}^\left(\frac{f_{\mathrm{IF}}}{\mathrm{\&Delta;}{v}_u}\right)}{\frac{{<P_f>}^2}{\mathrm{\&Delta;}{v}_f}^\left(\frac{f_{\mathrm{IF}}}{\mathrm{\&Delta;}{v}_f}\right)}\&ap;\frac{\frac{{<S_E\mathrm{\&Delta;}{v}_u>}^2}{\mathrm{\&Delta;}{v}_u}^\left(\frac{f_{\mathrm{IF}}}{\mathrm{\&Delta;}{v}_u}\right)}{\frac{{<S_E\mathrm{\&Delta;}{v}_f>}^2}{\mathrm{\&Delta;}{v}_f}^\left(\frac{f_{\mathrm{IF}}}{\mathrm{\&Delta;}{v}_f}\right)}\&ap;\frac{\mathrm{\&Delta;}{v}_u}{\mathrm{\&Delta;}{v}_f}\&times;\frac{^\left(\frac{f_{\mathrm{IF}}}{\mathrm{\&Delta;}{v}_u}\right)}{^\left(\frac{f_{\mathrm{IF}}}{\mathrm{\&Delta;}{v}_f}\right)}---\left(6\right)$

在方程式6中，S_E是具有比前置选择器滤光器更宽的长方形频谱、假设均一的噪声场的光谱密度。

如从方程式6中可见的，动态范围的提高具有两个因子。第一因子是未经滤波的频谱宽度与前置选择器宽度的比，为简化解释起见假定光谱和前置选择器是长方形的。第二因子是由于在IF下噪声频谱程度的衰减。第二提高因子得益于频率偏移滤波器(例如，频率偏移滤波器450)。

理想地，较窄的前置选择器函数Δν_f大大提高了动态范围，因为对于f_IF/Δν_f≥1，函数^(f_IF/Δν_f)趋近O。那么，理论上，方程式(6)所描述的动态范围趋近无穷大。实际上，本地振荡器也产生相关的强度噪声。这种本地振荡器强度噪声是通过平衡检测减小的，但是，平衡处理并不彻底。而且，这种分析中未考虑的散粒噪声会决定基本起限。

总之，超外差光学分析仪400中的频率偏移滤波器450能够减小输入信号中的强度噪声。

                超外差光学分析仪中镜像信号的减少

现在参照图6，根据本发明另一实施例示出了超外差光学分析仪600的方框图，该分析仪能够对光输入信号执行双转换，并滤除镜像信号。超外差光学分析仪600包括第一转换单元210、微波混频器660、电本地振荡器670和信号处理器680。微波混频器660和电本地振荡器670执行与图4的第二转换单元220相同的功能。类似地，信号处理器680执行与图4和图8A的信号处理器470相同的功能。

图6的第一转换单元210包括耦合或合并装置630(例如，光耦合器)，用于将输入信号610与光本振信号620相合并。经合并的光信号由平方律光检测器640检测并混频，以生成电IF信号。放大器650放大电IF信号，作为微波混频器660的输入。

超外差光学分析仪600能够分离镜像。外差处理将输入光信号的真实单个频谱特征转换为两个重新构建的频谱特征。这样，外差处理将一个真实特征转换为两个特征。为了重新构建真实频谱，其中一个重新构建的特征需要滤除掉。被滤除的经常被称为镜像。在滤除镜像之后，真实的频谱被重新构建。结果，频谱由产生两个镜像的外差拍频信号重新构建。

本发明的实施例对IF频率为0的常规外差处理的外差转换进行了改善。虽然IF频率为0的常规外差处理不会具有镜像，但它可能存在由缺少相位分集引起的幅度精度问题。但是，实现非零IF的本发明实施例却总是能提高幅度精度。虽然在应用非零IF时出现了镜像，但前置选择器可用来消除镜像问题，并同时减小强度噪声。对于低频IF，在光频中镜像紧靠在一起，更难以滤除；但是，所得相位分集却提高了幅度精度。

另一方面，在根据本发明的某些实施例中，超外差光学分析仪600利用高频光接收器(高IF)。在这些实施例中，超外差光学分析仪600能够检测在非常高拍频频率下的外差信号。结果，当将输入信号和本振信号混频时所生成的镜像之间的分离由比具有低IF和低频接收器的光谱分析仪中更大的频率间距来定义。这导致更容易检测到其中一个镜像信号，而不会有来自另一个镜像信号的干扰。对于高频IF，观测到了所有的性能改善：幅度精度更好，强度噪声的减小更高，并且镜像滤除更好。

例如，根据本发明实施例的超外差光学分析仪600能够在镜像信号之间产生较宽的分离。例如，具有非零IF的超外差光学分析仪600能够以成百上千皮米的间距(例如，对于38.8GHz的IF，为620皮米)来分离镜像。由于这些镜像分开得较远，它们不会互相干扰。但是，甚至对于低频IF(例如，15MHz)，相位分集和提高的幅度精度也是可实现的。

现在参照图7，示出了超外差光学分析仪700的方框图，该分析仪能够对光输入信号(λ_S或ν_S)执行双转换，并滤除镜像。超外差光学分析仪700提供了对图4的第二转换单元220的进一步说明。超外差光学分析仪700包括第一转换单元210、第二转换单元220和信号处理器740。图7中第一转换单元210的功能类似于图6的第一转换单元210执行的功能，如前面全面描述的。类似地，信号处理器740执行与图4的信号处理器470相同的功能。

图7的第二转换单元220包括带通滤波器710、镜像减少混频器(IR混频器)720和电本地振荡器730。如图7中所示的，在根据本发明的另一实施例中，来自第一转换单元的IF频率信号例如具有在36至40GHz之间的频率。所期望的是在第一转换单元210中将光接收器的高IF频率输出下变频为例如小于100MHz用于信号处理。但是，如果将微波平衡混频器用于此目的，以类似于上面为光混频而描述的镜像形成的方式，由电外差拍频信号重新构建出两个镜像。电镜像在电外差处理中形成，并对应于离开带通滤波器710的信号的电频，该电频小于或大于电本地振荡器730的频率。

为消除其中一个电镜像，使用了微波镜像滤除(IR)混频器720。这种类型的IR混频器是微波领域公知的。IR混频器720将来自第一转换单元210的IF信号与来自电本地振荡器730的本振信号相合并并混频。IR混频器720将通过带通滤波器710的信号下变频为低频波(例如，100MHz)用于处理，但是，其中一个镜像被滤除。IR混频器720仅能提供有限的镜像滤除，通常只到45dB。

为进一步减少不希望的电镜像，根据本发明的实施例同时利用IR混频器720和带通滤波器710。结果，由于添加了带通滤波器710，超外差系统700对不希望的电镜像实现了大于65dB的减少或滤除。带通滤波器的操作类似于光前置选择器。滤波器中心频率从电本地振荡器730的频率偏移，以不均匀地使小于和大于本地振荡器频率的频率衰减。这样，减少了镜像问题。

为实现如图7的第二转换单元220实施的镜像滤除，IR混频器720、带通滤波器710和信号处理器740的数字接收器的中心频率的设计必须一起考虑。信号处理器740中数字接收器的中心频率被设为足够高，以使由第二转换单元220所生成的电镜像频率之间的分离达到最大。

而且，为实现良好的镜像滤除，带通滤波器710具有尽可能高的滤除带衰减也较重要。

总之，超外差光学分析仪700通过加宽镜像信号之间的频率间隔，并通过频率偏移滤波器的实现，能够减少不希望的镜像。这种技术应用到光转换单元和电转换单元。

          在光域中执行双转换的超外差光学分析仪

现在参照图8A和图9，下面的讨论始于对根据本发明实施例主要在光域中执行双转换的超外差光学分析仪的元件结构的描述。随后，将公开对超外差光学分析仪的具体操作的描述。

      在光域中执行双转换的超外差光学分析仪的基本元件

在图8A中，示出了表示根据本发明一个实施例主要在光域中执行双转换的超外差光学分析仪800A的方框图。超外差光学分析仪800A提供了对图2的第一转换单元210和第二转换单元220的进一步说明，并且还包括其他特征，例如滤光器830和信号处理器470。

具体地，超外差光学分析仪800A包括图2的第一转换单元210和第二转换单元220。第一转换单元210将光输入信号230作为输入。图8A的第一转换单元210执行第一外差操作，以将输入光信号230转换为IF光信号825。这样，超外差光学分析仪800A在光域中生成IF信号825。

如图8A中所示的第一转换单元210包括混频器820，其将光输入信号230与来自光本地振荡器810的光本振信号815合并。混频器820生成光IF频率信号825。

在图8A中，在根据本发明的一个实施例中，可选的频率偏移滤波器(未示出)对光输入信号230进行滤波，以减少不希望的镜像响应。

在图8A中，超外差光学分析仪800A包括光耦合到第一转换单元210的滤光器830。滤光器830是可选的，根据测量需要被实施。滤光器830滤除来自光IF频率信号825中一对镜像的第一镜像信号。而且，滤光器830可以减小强度噪声。滤光器830生成经滤波的光IF频率信号835。

在图8A中，超外差光学分析仪800A包括光耦合到滤光器830的图2的第二转换单元220。第二转换单元220执行第二外差操作，以将光IF频率信号转换为能够被处理的电输出信号440。更具体地，超外差光学分析仪800A将光IF信号转换为用于处理的电信号440。

如图8A所示的第二转换单元220包括转换器840。在根据本发明的另一个实施例中，转换器840包括光电检测器，其光学上被设置用于接收经滤波的光IF频率信号835，并响应经滤波的光信号835而生成电信号。

转换器840生成图8A和图2的电输出信号440。转换器840通过非线性函数将经滤波的光IF频率信号835转换为电输出信号440。如前所述，非线性出现是因为在光电检测器，通过平方操作i＝EE^*，光场E被转换为电流i，其中E^*代表E的复共轭。

在图8A中，信号处理器470电耦合到第二转换单元220，用于处理电输出信号440。信号处理器470的特性已经在前面参照图4进行了全面的描述。这样，超外差光学分析仪800A能够测量光输入信号230的光场频谱特性以及与光输入信号230相关的参数。

图8B是用于超外差检测的系统800B的方框图。图8B中的系统是图8A中系统的实际实施。系统800B包括第一转换单元850、第二转换单元860和滤光器870。

第一转换单元850被配置来接收光输入信号E_s880。在第一转换单元850中，光信号E_s880与光本振信号E_LO851在位于第一转换单元850内的耦合器852处合并。利用偏振对齐或分集，以确保光本振信号E_LO851与光输入信号E_s880的相互作用。

如在图8B中所示的，从耦合器852输出的合并光信号在模块855中经历光学非线性化。在根据本发明的实施例中，包含在模块855中的光学非线性化可以发生在晶体或光纤内。在参数处理中，传输介质(例如，晶体或光纤)内的属性(例如感应偏振)与入射场是非线性的。这导致输入光信号E_s880与光本振信号851之间的混频。在根据本发明的一个实施例中，光学非线性例如是由单模光纤857的长绞线(strand)引起的。在图8中，光学非线性是由于光纤857内的交叉相位调制。

此外，滤光器870被耦合到第一转换单元850。滤光器870例如由光纤布拉格光栅单元872和光环行器874组成。光纤布拉格光栅单元872和光环行器874用来形成光带通滤波器。光环行器874是本领域公知的。

超外差光学分析仪800B通过滤除镜像而提供了噪声减小，以及分辨率和幅度精度的增加。

    在光域中执行双转换的超外差光学分析仪的操作特性

现在参照图9，描述了流程图900，其表示用于根据本发明另一实施例在光域中执行双转换的超外差检测光信号的方法。该方法开始于910，可选地用频率偏移滤波器对光输入信号进行滤波。频率偏移滤波器能够减少镜像。

在920，该方法将光输入信号与光扫频本振信号合并。光IF信号是在光域中应用光混频器之后生成的。所得的光IF信号包括外差拍频信号中的镜像，其中每一个都包含与光输入信号的光学特性相关的完整信息。在根据本发明的另一实施例中，对于滤光器而言，光镜像间隔足够大以消除其中一个镜像信号。

在930，该方法对光IF信号进行滤波来从一对镜像中滤除第一镜像，以产生经滤波的光IF信号。所保留的镜像包含与光输入信号的光学特性相关的所有信息。由于高频光IF信号在光频上将镜像分离足够的间距用于滤波，所以滤除其中一个镜像是可能的。

在940，该方法转换经滤波的光IF信号以生成电输出信号。

在950，该方法检测电输出信号以将该输出信号转换为能够被处理的电输出信号。电输出信号被处理以测量光输入信号的光场频谱。而且，电输出信号被处理以测量光输入信号的光学特性，例如光输入信号的参数。

这样，超外差光学分析仪800A通过在光IF频率下工作而减少镜像，从而具有足够的分辨率。而且，当测量输入信号的光学特性时，超外差光学分析仪800A提供了噪声减小，足够的的分辨率和幅度精度。

     包含附加检测方案的执行双转换的超外差光学分析仪

虽然公开了根据本发明的实施例，包括图2、图4和图8A的双转换超外差光学分析仪，但是根据本发明的其他实施例也适于使用相干检测领域的技术人员所知的其它技术。

例如，在根据本发明的实施例中，图10A和图10B分别是具有用于减小强度噪声的平衡检测方案的镜像滤除超外差光学分析仪系统1000和1050的方框图。图10A的超外差系统1000用两个光检测器1010和1015进行平衡检测，以增加对强度噪声的抑制。图10B的超外差系统1050用两个光接收器进行平衡检测。根据本发明的另一实施例，在系统1000和1050中所描述的平衡检测方案中，如参考图7所述的镜像滤除方案被用来滤除电外差拍频信号中的镜像。

更具体地，在图10B中，由处理器进行减法(或平衡)，而不是如图10A所示的直接减去光电检测器的电流。这样，处理器可补偿这两个信号信道之间的任何不平衡。这种不平衡可能在光路径(例如，与波长和偏振相关的光纤耦合器)中产生，或在电路径(例如，光电检测器的不同响应度和频率特性)中产生。

因此，根据本发明的实施例提供了利用双转换的超外差检测的方法和系统。在超外差检测系统中，执行第一转换以生成电IF信号，该信号能够在镜像频率之间有足够的频率间隔。也就是说，根据本发明的实施例实现了能够在所形成的镜像之间产生足够频率间隔的超外差光学分析仪。而且，根据本发明的实施例通过在非零IF频率下工作而达到了幅度精度的提高。如此做的情况下，根据本发明的实施例在仅使用单个光接收器的同时，获得了信噪比的提高，但是，在某些情况下，如果需要，平衡检测方案提供了消除强度噪声的额外途径。此外，由于电频率间隔，对其中一个电镜像信号的进一步带通滤波是可能的，从而在应用IR混频器的实施例中实现了镜像信号的65dB减少。第二转换被执行以生成适合信号处理的电输出信号。

虽然在流程图300、500和900中所示的方法实施例示出了步骤的具体顺序和数量，但根据本发明的实施例适合另外的实施例。例如，对于根据本发明的实施例，所述方法中提供的所有步骤并非都是需要的。而且，其他步骤可添加到在根据本发明的实施例中所提供的步骤。同样，步骤顺序可根据应用而更改。

这样已描述了超外差检测光输入信号的方法和系统。虽然借助具体实施例，已说明和描述了根据本发明的实施例，但应该理解到，对其可进行许多变化和更改，而不会脱离如所附权利要求及其等同替换中所限定的根据本发明实施例的精神和范围。而且，虽然已在具体实施例中描述了根据本发明的实施例，但应该认识到，根据本发明的实施例并不应该被视为受限于这种实施例，而应该被视为是受限于所附权利要求。

Claims (31)

1.一种用于超外差检测的系统，包括：

第一转换单元，用于对光输入信号执行第一外差操作以生成电中频信号；和

第二转换单元，其电耦合到所述第一转换单元，用于执行第二外差操作以生成适合信号处理的电输出信号。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一转换单元包括：

本地振荡器，用于产生扫频光本振信号；

耦合器，用于耦合所述光输入信号和所述扫频本振信号；和

光电检测器。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一转换单元包括：

中频放大器；和

中频滤波器。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述第二转换单元包括：

电本地振荡器，用于产生固定的电本振信号；和

混频器，其耦合到所述电本地振荡器，用于在将所述电中频信号和所述固定的电本振信号混频时执行第二外差操作，以生成适合信号处理的电输出信号。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述信号处理包括重新构建所述光输入信号的光频谱。

6.如权利要求1所述的系统，还包括：

处理器，用于处理所述电输出信号以测量所述光输入信号的光学参数。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述第一转换单元减小强度噪声的影响。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述第一转换单元分离所述电中频信号中的镜像，以提高所述光输入信号的幅度精度。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述第一转换单元产生非零的电中频信号。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述第二转换单元包括微波镜像滤除混频器。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述第二转换单元包括耦合到所述第一转换单元的带通滤波器，其中所述带通滤波器从所述第二转换单元中的电本地振荡器偏移，以进一步减少镜像。

12.如权利要求1所述的系统，其中所述第二转换单元将所述电中频信号下变频为所述电输出信号。

13.一种用于超外差检测的系统，包括：

第一转换单元，用于对光输入信号执行第一外差操作以生成光中频信号；和

第二转换单元，其光耦合到所述第一转换单元，用于执行第二外差操作以将所述光中频信号转换为适合信号处理的电输出信号。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述第一转换单元包括：

本地振荡器，用于产生扫频光本振信号；

耦合器，用于耦合所述光输入信号和所述扫频光本振信号；和

光电检测器。

15.如权利要求13所述的系统，其中所述第一转换单元包括：

光中频放大器；和

光中频滤波器。

16.如权利要求13所述的系统，其中所述第二转换单元包括：

平方律光电检测器，用于执行所述第二外差操作以生成所述电输出信号。

17.如权利要求13所述的系统，其中所述信号处理包括重新构建所述光输入信号的光频谱。

18.如权利要求13所述的系统，还包括：

处理器，用于处理所述电输出信号以测量所述光输入信号的光学参数。

19.如权利要求13所述的系统，其中所述第一转换单元减小强度噪声的影响。

20.如权利要求13所述的系统，还包括：

滤光器，其光耦合到所述第一转换单元，用于滤除所述光中频信号中的第一镜像，以生成滤波后的光中频信号。

21.一种超外差检测的方法，包括：

通过采用非零中频，对光输入信号执行第一转换以生成中频信号；以及

对所述中频信号执行第二转换以生成适合被处理的电输出信号。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述执行所述第一转换包括：

执行第一外差操作来合并所述光输入信号和光扫频本振信号，以在电域中生成所述中频信号；并且其中所述执行所述第二转换包括：

执行第二外差操作来合并所述电域中的所述中频信号和固定的电本振信号，以生成所述电输出信号。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述执行所述第二外差操作包括：

将所述电域中的所述中频信号下变频为所述电输出信号。

24.如权利要求21所述的方法，还包括：

对所述中频信号进行滤波，以从所述中频信号中的一对镜像滤除第一镜像。

25.如权利要求21所述的方法，还包括：

用放置在所述第一转换单元之前的、从所述第一转换单元中的光本地振荡器偏移的滤光器，从所述中频信号中的一对镜像滤除第一镜像和强度噪声。

26.如权利要求21所述的方法，还包括：

处理所述电输出信号以测量所述光输入信号的光场频谱。

27.如权利要求21所述的方法，还包括：

处理所述输出电信号以测量所述光输入信号的参数。

28.如权利要求21所述的方法，其中所述中频信号包括非零的电中频信号。

29.如权利要求21所述的方法，还包括：

用微波镜像滤除混频器执行所述第二转换。

30.如权利要求21所述的方法，还包括：

对所述中频信号进行滤波以减少镜像。

31.一种用于超外差检测的系统，包括：

第一转换单元，用于执行第一外差操作来合并光输入信号和扫频光本振信号，所述第一转换单元生成电中频信号；

第二转换单元，其电耦合到所述第一转换单元，用于当合并所述电中频信号和固定的电本振信号时，执行第二外差操作以生成电输出信号；和

平衡检测单元，用于消除强度噪声。

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