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CN114993471A - 一种基于外差混频的高精度光谱测量方法和装置 - Google Patents

一种基于外差混频的高精度光谱测量方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于外差混频的高精度光谱测量方法和装置，包括两个支路，即上支路和下支路；所述的上支路包括待测信号光源，连接到光隔离器，所述的光隔离器的输出端连接有单模光纤；所述的下支路包括：可调谐激光器，连接到第一光耦合器，所述第一光耦合器包括两个输出端口，第一输出端口连接到电光调制器，所述电光调制器还连接有一RF信号源，电光调制器输出连接到掺铒光纤放大器；掺铒光纤放大器的输出连接到光环行器，所述光环形器连接到单模光纤和第二光耦合器；第一光耦合器的第二输出端口输出连接到第二光耦合器，第二光耦合器连接到光电探测器，再经示波器采集上述电信号，对采集信号进行处理然后绘制出待测信号光的光谱图。

Description

一种基于外差混频的高精度光谱测量方法和装置
技术领域
本发明涉及光谱测量领域，尤其涉及一种基于外差混频的高精度光谱测量方法和装置。
背景技术
随着高速光纤通信系统、光器件技术以及光纤传感技术的迅速发展，人们开始追求特定光谱范围内极为精细的光谱测量与分析。为了实现高精度光谱分析，出现了基于光纤中SBS效应的光谱测量技术。基于SBS效应的高精度光谱测量技术利用了受激布里渊增益谱超窄线宽(十几兆到几十兆赫兹)的特点，对待测信号出于受激布里渊增益谱宽内的光谱成分进行放大，而位于受激布里渊增益谱宽外的光谱成分不起作用，所以我们可以把受激布里渊增益谱等效为一个带宽极窄的滤波器，因此可以实现超高分辨率的波长提取。利用可调谐激光器作为泵浦源，通过波长连续扫描的方式，可以获得待测信号的光谱。
在实际应用中，基于SBS效应的高精度光谱测量技术相较于其他光谱测量技术有很多优点，但是基于该技术的现行方案总是存在着各种各样的误差，其中包括可调谐激光器波长扫描是否均匀、是否进行波长校准和环境因素(温度、应力等)对光纤的影响。为了降低环境因素(温度、应力等)对光谱测量过程的影响，提出与外差混频相结合的基于SBS效应的高精度光谱测量方案。
现有技术的公开文献“基于分布反馈激光器布里渊散射的高精度光谱测量”中介绍了一种使用连续可调谐分布反馈激光器作为泵浦光与待测信号光在单模光纤中发生受激布里渊放大作用，由此实现对待测信号的高精度光谱测量与分析。其中分布反馈激光器的波长扫描功能通过设计激光器内的高精度温度调谐来实现。此方法通过两个3dB耦合器和光纤跳线构成非对称MZI结构检测激光器波长扫描速度是否均匀，但对降低误差并没有提出更好的方法。并且，该方案的可测光谱范围受限于温度对激光器波长的线性调谐范围，实现了对激光器波长高精度地线性调谐，但波长调谐的范围较小，这也就意味采用该方案只能实现一个很小的波长范围内的光谱测量。
发明内容
针对现有基于SBS效应的光谱测量技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种降低光谱测量系统误差，实现较大频段范围的光谱测量方法和装置，旨在降低现有技术测量光谱过程中的测量误差以及作为泵浦源的波长精度要求。本发明通过散射信号与泵浦信号的混频，测得实时的布里渊频移量，在后续的光谱数据处理过程中，将此布里渊频移量移除，即可移除当环境因素对光纤造成影响时，布里渊频移量变动引起的光谱测量过程的误差。作为一种高精度光谱测量方案，本方案具有较高的光谱分辨率、较小的测量误差及应对复杂环境的稳定性。本发明在光谱测量系统中利用光纤中的受激布里渊散射(SBS，Stimulated Brillouin Scattering)效应，在斯托克斯光对待测信号光谱进行抽取时，通过外差混频的方式获取准确的布里渊频移量，降低了光谱测量误差，提高了光谱测量系统的稳定性。
本发明的技术方案为：一种基于外差混频的高精度光谱测量装置，包括两个支路，即上支路和下支路；
所述的上支路包括待测信号光源，连接到光隔离器，所述的光隔离器的输出端连接有单模光纤；
所述的下支路包括：可调谐激光器，连接到第一光耦合器，所述第一光耦合器包括两个输出端口，第一输出端口连接到电光调制器，所述电光调制器还连接有一RF信号源，电光调制器输出连接到掺铒光纤放大器；
掺铒光纤放大器的输出连接到光环行器，所述光环形器包括三个端口；掺铒光纤放大器的输出与第一端口相连；单模光纤的输出与光环形器的第二端口相连；
光环形器的第三端口连接到第二光耦合器；
第一光耦合器的第二输出端口输出的已知波长的光信号也进入第二光耦合器，两路光信号在第二光耦合器混频，
第二光耦合器连接到光电探测器，混频后的光信号由光电探测器转换为电信号；
所述光电探测器连接到示波器再经示波器采集上述电信号，对采集信号进行滤波放大以及傅里叶变换等操作，然后绘制出待测信号光的光谱图。
本发明主要利用泵浦光在光纤中的受激布里渊效应产生的窄带SBS信号对待测信号的光谱进行抽取、放大，再对泵浦光波长进行调节，则泵浦光产生的SBS信号的波长也会随之发生变化，进而实现SBS信号对待测信号光谱的遍历，即可完成整个待测信号光谱的测量。
有益效果
1、本发明没有采用波长扫描的方法实现对待测信号的抽取放大，所以不存在波长扫描速度不均匀带来的测量误差。
2、本发明的技术方案具有较低的测量误差、较高的稳定性，从而能够适应复杂多变的测量环境。并且，由双边带抑制载波调制的边带作为泵浦光源，此方法既实现了泵浦光源波长精度的要求，又由于对作为光载波的激光器的波长精度要求不高，从而降低了整个光谱测量方案的成本。
3、本发明为了降低温度、应力等环境因素对光谱测量过程的影响，通过下支路，起始就把光源分为两路，其中的上支路作为泵浦光与待测信号在光纤中反应；下支路作为本振光，提供波长信息的参考，通过后接耦合器与上支路的泵浦光在光纤中反应后产生的散射光拍频，再由光电探测器对拍频信号进行检测，如此即可获得精确的布里渊频移量，无需担心温度、应力等对布里渊频移量的影响，从而可以得到更加准确的波长信息。
4、本装置具有分辨率高、动态范围大、成本低以及误差小的优点。
综上所述，本发明的技术方案为降低基于SBS效应的光谱测量技术的误差提供了一种新的角度，并且降低了光谱测量方案的成本，在光谱测量领域有着重要的应用前景。
附图说明
图1本发明的装置结构示意图；
图2泵浦光源的作用原理示意图；
图3布里渊频移量受温度影响的变化曲线；
图4布里渊频移量受应力影响的变化曲线。
图5散射信号放大待测信号示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种基于外差混频的高精度光谱测量装置，能够降低光谱测量误差，整体的光谱测量装置结构如图1所示，光谱测量装置包括两个支路，即上支路和下支路；
所述的上支路包括待测信号光源(SUT，Signal Under Test)，连接到光隔离器(ISO，Optical Isolator)，所述的光隔离器的输出端连接有单模光纤(SMF，Single ModeFiber)；
所述的下支路包括：可调谐激光器(TLS，Tunable Laser Source)，连接到第一光耦合器(CO，Couple)，所述第一光耦合器包括两个输出端口，第一输出端口连接到电光调制器(EOM，Electro-Optic Modulator)，所述电光调制器还连接有一RF信号源，所述RF信号源发射为射频信号发生器(AWG，Arbitrary Waveform Generator)，8～14GHz的RF信号经过电光调制器(EOM，Electro-Optic Modulator)加载到可调谐激光器发出的光载波上，通过调节电光调制器EOM的偏置电压，实现抑制载波的双边带调制。以其上边带为泵浦光，后接掺铒光纤放大器(EDFA，Erbium Doped Fiber Amplifer)提高泵浦光功率；
掺铒光纤放大器的输出连接到光环行器(Circulator)，所述光环形器包括三个端口；掺铒光纤放大器的输出与第一端口1相连；单模光纤的输出与光环形器的第二端口2相连，
经环形器第一端口1进、第二端口2出，泵浦光与相向传播的待测信号在光纤中发生SBS效应，被放大后的待测信号经第二端口2进、第三端口3出，第三端口3输出的被放大后的待测信号进入第二光耦合器，同时，第一光耦合器的第二输出端口输出的已知波长的光信号也进入第二光耦合器，两路光信号在第二光耦合器混频，
第二光耦合器连接到光电探测器(PD，Photodetector)，混频后的光信号由光电探测器转换为电信号；
所述光电探测器连接到示波器(Oscilloscope)再经示波器采集上述电信号，对采集信号进行滤波放大以及傅里叶变换等操作，然后绘制出待测信号光的光谱图。
根据本发明的实施例，所述的下支路中可调谐激光器后接3dB的第一光耦合器，将光束分为功率比1:1的两路光，一路接电光调制器，将RF信号以双边带抑制载波的方式调制到可调谐激光器发出的载波上，如图2中左侧示意图，以其中的上边带作为泵浦光进入光环行器的第一端口1，与待测信号发生SBS效应；另一支路作为本振信号与后续发生SBS效应后的散射信号拍频，经光电探测器检测得到包含待测信号频谱信息的拍频信号。
上支路待测信号经过光隔离器进入单模光纤，与下支路相向入射光纤的泵浦光在光纤中发生SBS效应，并被散射信号抽取得到待测信号的频谱信息如图5所示，从光环形器的第二端口2进入，由光环形器的第三端口3输出。
传统基于光纤中受激布里渊效应的光谱测量装置依赖光纤中的受激布里渊效应产生的后向散射信号对待测信号进行抽取、放大，最终实现对待测信号光谱的高精度测量。与此同时，光纤中的受激布里渊效应也会受到环境因素的影响，如温度、应力等都会在光谱测量过程中对后向散射信号的频率移动量(即布里渊频移量)造成影响，最终测得的光谱中的波长信息需要由布里渊频移量推出，所以温度、应力等的变化都会增加这种类型光谱测量结果的误差和测量装置的不稳定性。温度对布里渊频移量的影响如图3所示，应力对布里渊频移量的影响如图4所示。
本发明为了降低温度、应力等环境因素对光谱测量过程的影响，通过图1中下支路，起始就把光源分为两路，其中的上支路作为泵浦光与待测信号在光纤中反应；下支路作为本振光，提供波长信息的参考，通过后接耦合器与上支路的泵浦光在光纤中反应后产生的散射光拍频，再由光电探测器对拍频信号进行检测，如此即可获得精确的布里渊频移量，无需担心温度、应力等对布里渊频移量的影响，从而可以得到更加准确的波长信息。本装置具有分辨率高、动态范围大、成本低以及误差小的优点。
根据本发明的实施例，一种基于外差混频的高精度光谱测量方法，基于光纤中受激布里渊效应进行光谱测量，参见图1，包括如下步骤：
步骤1、调节可调谐激光器TLS，使其波长大致接近于待测信号，假设待测信号波长为193.1THz，单模光纤中固有的布里渊频移量为11GHz，设置下支路泵浦光源波长扫描C波段；当散射信号以一定的波长扫描速率扫过待测信号时，可以在数据采集端观察到待测信号的中心波长附近得到增强。在本次假设的条件下，可以得出泵浦光源波长大约在193.111THz处，即可设置泵浦光源波长为193.111THz，再通过设置射频信号进一步对待测信号作精细测量。
步骤2、调节可调谐激光器TLS发出的光经过耦合器光束分为两路，一路经过EOM调制射频信号RF使上边带与待测信号的频率差满足布里渊频移，这一路信号就作为泵浦信号；另一路作为本振光，提供可调谐激光器的波长信息。
步骤3、此时在单模光纤中，SBS信号开始对待测信号进行抽取、放大，如图5所示，放大后的携带待测信号信息的SBS信号经光环行器第二端口2进入，由光环行器第三端口3输出；
步骤4、之后由光环行器3口输出的信号与本振光经过第二耦合器得到带有待测信号光谱信息的拍频信号，并且通过此拍频信号可以获得受各种环境因素影响后的布里渊频移量，最后由傅里叶变换对拍频信号进行处理，就可以计算出此处抽取、放大的待测信号的波长信息。在这个测量的过程中，因为可以直接得到受环境因素影响后的布里渊频移量，所以采用本发明的光谱测量方法就不会存在此处的误差，也因此提高了测量装置的稳定性。
步骤5、然后，只需按照一定的步长调节射频信号，实现移动上边带的目的，直至遍历整个待测信号的光谱，将每次抽取、放大后由光电探测器检测得到的带有待测信号光谱信息的拍频电信号记录下来。
步骤6、最后，对这些数据进行拟合，即可恢复出待测信号的光谱，实现了对待测信号光谱的精密测量。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种基于外差混频的高精度光谱测量装置，其特征在于：包括两个支路，即上支路和下支路；
所述的上支路包括待测信号光源，连接到光隔离器，所述的光隔离器的输出端连接有单模光纤；
所述的下支路包括：可调谐激光器，连接到第一光耦合器，所述第一光耦合器包括两个输出端口，第一输出端口连接到电光调制器，所述电光调制器还连接有一RF信号源，电光调制器输出连接到掺铒光纤放大器；
掺铒光纤放大器的输出连接到光环行器，所述光环形器包括三个端口；掺铒光纤放大器的输出与第一端口相连；单模光纤的输出与光环形器的第二端口相连；
光环形器的第三端口连接到第二光耦合器；
第一光耦合器的第二输出端口输出的已知波长的光信号也进入第二光耦合器，两路光信号在第二光耦合器混频，
第二光耦合器连接到光电探测器，混频后的光信号由光电探测器转换为电信号；
所述光电探测器连接到示波器再经示波器采集上述电信号，对采集信号进行滤波放大以及傅里叶变换等操作，然后绘制出待测信号光的光谱图。
2.根据权利要求1所述的一种基于外差混频的高精度光谱测量装置，其特征在于，所述RF信号源为射频信号发生器，发射8～14GHz的RF信号，经过电光调制器加载到可调谐激光器发出的光载波上，通过调节电光调制器EOM的偏置电压，实现抑制载波的双边带调制；以其上边带为泵浦光，后接所述掺铒光纤放大器提高泵浦光功率。
3.根据权利要求1所述的一种基于外差混频的高精度光谱测量装置，其特征在于，
掺铒光纤放大器输出的信号经光环形器第一端口进、第二端口出，泵浦光与相向传播的待测信号在光纤中发生SBS效应，被放大后的待测信号经光环形器第二端口进、第三端口出，第三端口输出的被放大后的待测信号进入第二光耦合器。
4.根据权利要求1所述的一种基于外差混频的高精度光谱测量装置，其特征在于，
所述的下支路中可调谐激光器后接第一光耦合器，将光束分为功率比1:1的两路光，一路接电光调制器，将RF信号以双边带抑制载波的方式调制到可调谐激光器发出的载波上。
5.根据权利要求4所述的一种基于外差混频的高精度光谱测量装置，其特征在于，
其中的上边带作为泵浦光进入光环行器的第一端口，与待测信号发生SBS效应；另一支路作为本振信号与后续发生SBS效应后的散射信号拍频，经光电探测器检测得到包含待测信号频谱信息的拍频信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于外差混频的高精度光谱测量装置，其特征在于，
上支路待测信号经过光隔离器进入单模光纤，与下支路相向入射光纤的泵浦光在光纤中发生SBS效应，并被散射信号抽取得到待测信号的频谱信息，从光环形器的第二端口进，由光环形器的第三端口输出。
7.一种基于外差混频的高精度光谱测量方法，利用权利要求1-6之一的装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、调节可调谐激光器TLS，使其波长接近于待测信号，再通过设置射频信号进一步对待测信号作精细测量；
步骤2、调节可调谐激光器TLS发出的光经过耦合器光束分为两路，一路经过EOM调制射频信号RF使上边带与待测信号的频率差满足布里渊频移，这一路信号就作为泵浦信号；另一路作为本振光，提供可调谐激光器的波长信息；
步骤3、此时在单模光纤中，SBS信号开始对待测信号进行抽取、放大，放大后的携带待测信号信息的SBS信号经光环行器第二端口进入，由光环行器第三端口输出；
步骤4、之后由光环行器第三端口输出的信号与本振光经过第二耦合器得到带有待测信号光谱信息的拍频信号，并且通过此拍频信号获得受各种环境因素影响后的布里渊频移量，最后由傅里叶变换对拍频信号进行处理，计算出此处抽取、放大的待测信号的波长信息；
步骤5、按照预定的步长调节射频信号，移动上边带，直至遍历整个待测信号的光谱，将每次抽取、放大后由光电探测器检测得到的带有待测信号光谱信息的拍频电信号记录下来；
步骤6、最后，对这些数据进行拟合，恢复出待测信号的光谱。
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