本發(fā)明涉及光電探測技術領域，特別涉及大帶寬光信號射頻譜實時測量的方法及系統(tǒng)。

背景技術：

射頻譜是指電磁場的強度包絡的傅里葉譜，光也是一種電磁波，可以當作一種載波，具有帶寬大、抗電磁干擾等優(yōu)點。隨著光通信技術和微波光子學技術等技術迅速發(fā)展，光載波的射頻譜測量已被廣泛地運用在了光通信的信號質量監(jiān)測、無線電通信、雷達系統(tǒng)、電子集成芯片等科學研究中。這些科研研究中，通常是將待探測的信息通過一定方式加載在光載波信號的大帶寬的射頻譜上，因此光載波信號的大帶寬射頻譜的精確測量是這些應用的基礎。目前，有很多測量精度高的方案都可在一定程度上實現(xiàn)光載波的信號的大帶寬射頻譜測量，主要分為兩類方案。第一類是基于電學領域的電子測量技術方案，其中比較典型的方案是掃頻調諧式和快速傅里葉變化式。掃頻調諧式和快速傅里葉變化式這兩種方法都是通過將光載波信號通過光電探測器轉換為電信號后通過電域上成熟的電學處理技術來測量其射頻譜信息。這類方案基于較為成熟的電子技術，其測量分辨率較高。但其可測量的射頻譜寬受限于光電探測器帶寬的限制，一般在100ghz以下。此外受限于電子信號處理速率，其實時測量速率有限。因此這類方案不適用于待測信號射頻譜較寬(>100ghz)的場合，也不適用于需要實時測量射頻譜的超快動態(tài)變化的場合。第二類是基于非線性效應的全光域的射頻譜測量方案。其通過交叉相位調制等非線性效應，將待測光載波信號的射頻譜轉換到探測光的光譜上，然后通過光譜儀來直接讀取其射頻譜信息。這種方法因為利用超快的非線性效應，避免了光電探測器的轉換帶寬限制，能測量較大帶寬的射頻譜，目前已有報道可測量高達2.5thz的帶寬。但由于采用光譜儀直接讀取射頻譜信息，其分辨率受限于光譜儀分辨率，常見的衍射光柵光譜儀分辨率為0.02nm，其對應的射頻譜分辨率為2.5ghz。此外受限于光譜儀的掃描速率，其射頻譜探測的速率較慢，在mhz量級以下，故其不適用于需要實時測量射頻譜的超快動態(tài)變化的場合。通過對現(xiàn)有技術的分析，可以發(fā)現(xiàn)當前技術能較好適用于光載波信號的大帶寬射頻譜變化較慢的領域，但不能適用于光載波信號的大帶寬射頻譜的較快動態(tài)變化的領域。

因此，需要研究一種大帶寬光信號射頻譜實時測量的方法及系統(tǒng)，它不僅要完成大帶寬射頻譜的測量，而且要能實時測量該射頻譜超快動態(tài)變化，以克服現(xiàn)有技術在這種場合下能力極為有限的缺陷。此外該系統(tǒng)還需結構簡單，適用范圍較廣等優(yōu)點。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提出能實現(xiàn)大帶寬光信號射頻譜實時測量的方法及系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術在該應用領域內能力極為有限的缺陷。

為解決上述技術問題，本發(fā)明首先提出了一種大帶寬光信號射頻譜實時測量的方法，包括以下步驟：

超短脈沖進行時域色散展開，形成掃頻光源，控制掃頻光源的偏振態(tài)，使其與輸入的待測的大帶寬信號光的偏振態(tài)一致；

待測的信號光與掃頻光源耦合后進行交叉相位調制效應后輸出，將輸出光濾取出交叉相位調制導致的掃頻光附近單邊帶拓展的光譜；

濾取出的掃頻光附近單邊帶拓展的光譜進行色散壓縮后，其色散量與色散展開時的色散量大小相等，性質相反時，色散壓縮后輸出的時域信號波形與輸入的待測大帶寬信號光的射頻譜成一定的比例；

所述時域信號經光電探測器探測，將光信號轉變?yōu)殡娦盘柡筮M入實時示波器中實時采樣得到幅度信息，其輸出的幅度信息和待測大帶寬的信號的射頻譜是成比例的。

本發(fā)明同時提供一種大帶寬光信號射頻譜實時測量的系統(tǒng)，包括超短脈沖源，第一大色散單元，偏振控制器，光耦合器，非線性器件，光濾波器，第二大色散單元，光電探測器，實時示波器；

所述超短脈沖源，用于產生帶寬較大的超短脈沖；

所述第一大色散單元，用于將超短脈沖進行時域拉伸形成掃頻光源；

所述偏振控制器，用于控制掃頻光源的偏振態(tài)與輸入待測光的偏振態(tài)一致，使交叉相位調制效應最優(yōu)；

光耦合器，用于將待測的泵浦信號光和掃頻光源按一定功率比例耦合到一個支路中；

非線性器件，用于發(fā)生交叉相位調制效應；

光濾波器，將交叉相位調制產生的探測光光譜濾取出來；

所述第二大色散單元，其色散量與第一大色散單元的色散量的相等，性質相反，其輸出的光時域波形與待測信號的射頻譜成比例；

所述光電探測器，將探測的光信號轉換成模擬電信號；

所述實時示波器，用于對光探測器輸出電流進行采樣和量化后轉換為數(shù)字信號。

優(yōu)選的，所述第一大色散單元或第二大色散單元可選用光纖、布拉格啁啾光柵、多模光纖、波分復用器實現(xiàn)。

同樣優(yōu)選的，所述非線性器件單元可選用高非線性光纖、二氧化硅波導、硅基波導、氮化硅波導、硫化砷波導或高非線性的有機物集成器件實現(xiàn)。

同樣優(yōu)選的，非線性器件單元，第一、第二大色散單元均在芯片上集成實現(xiàn)。

同樣優(yōu)選的，所述光探測器為高速光探測器。

同樣優(yōu)選的，所述實時示波器為實時采樣模式。

本發(fā)明能完成光載波的信號的大帶寬射頻譜的超快動態(tài)變化這個應用領域內的實時測量，以緩解現(xiàn)有技術在這領域內能力極為有限的現(xiàn)狀。該發(fā)明直接時域上探測待測信號的射頻譜信息，將射頻譜測量過程轉換到時域波形的測量，具有測量帶寬大且能實時測量的優(yōu)點，其適用范圍廣，結構簡單的優(yōu)點。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的技術方案作進一步具體說明。

圖1為本發(fā)明具體實施的大帶寬光信號射頻譜實時測量系統(tǒng)結構示意圖。

圖2測試該系統(tǒng)的余弦信號的仿真時域波形圖。

圖3測試該系統(tǒng)的余弦信號的仿真射頻譜圖。

圖4為交叉相位調制后掃頻光附近的光譜和濾波后的光譜圖。

圖5為最后該系統(tǒng)經實時示波器后采樣得到的時域波形圖。

圖6(a)仿真得到的該系統(tǒng)帶寬。

圖6(b)實驗測得的該系統(tǒng)的帶寬。

圖7為實驗測得的測試該系統(tǒng)的射頻分辨率時得到的信號波形圖。

圖8為測試該系統(tǒng)的射頻功率工作范圍圖。

圖9為該系統(tǒng)測試大射頻頻率快速變化的場景。

具體實施方式

如圖1所示的大帶寬光信號射頻譜實時測量的方法及系統(tǒng)，包括：鎖模激光器單元1，第一大色散單元2，偏振控制器單元3，光耦合器單元4，非線性器件單元5，光濾波器單元6，第二大色散單元7，光電探測器單元8，實時示波器9。第一大色散單元或第二大色散單元可以選用光纖、布拉格啁啾光柵、多模波導、或波分復用器實現(xiàn)。

非線性器件單元5可選用高非線性光纖、二氧化硅波導、硅基波導、氮化硅波導、硫化砷波導或高非線性的有機物集成器件實現(xiàn)。非線性器件單元，第一、第二大色散單元均在芯片上集成實現(xiàn)。光電探測器為高速光探測器。實時示波器為實時采樣模式。

表1是該系統(tǒng)一種實施例的主要器件的主要實驗參數(shù)，該器件可以換成具有相同功能的其他材料器件。

表1

本發(fā)明具體實施的大帶寬光信號射頻譜實時測量的方法及系統(tǒng)，具體包括如下步驟：

1)超短脈沖源單元1輸出的超短脈沖經過第一大色散單元2進行時域色散展開，形成掃頻光源，偏振控制器單元3控制掃頻光源的偏振態(tài)，使其與輸入的待測信號光的偏振態(tài)一致；

2)待測的信號光與掃頻光源進入光耦合器單元4進行耦合后輸入到非線性器件單元5中進行交叉相位調制效應后輸出，將輸出掃頻光經過后置的光濾波器單元6濾取出交叉相位調制導致的掃頻光附近拓展的光譜；

3)濾取出的掃頻光輸入第二大色散單元7壓縮后，其色散量與第一大色散單元的色散量大小相等，性質相反時，經過第二大色散單元后輸出的時域波形形狀與待測輸入大帶寬信號的射頻譜成一定的比例；

4)第二大色散單元輸出后的時域信號經光電探測器單元8探測，將光信號轉變?yōu)殡娦盘柡筮M入實時示波器單元9進行實時采樣得到幅度信息，其輸出的幅度信息和待測大帶寬的信號的射頻譜是成比例的。

如圖2、圖3可以看出使用測試該系統(tǒng)測量能力的是余弦信號，其射頻頻率為500ghz，是由兩個光波長為1536.761nm和1540.71nm的連續(xù)光拍頻產生，其頻率已經遠超出了當前電光探測器的帶寬(最高為100ghz)，其射頻譜是基于常規(guī)電子射頻譜技術所不能測量的，因此該圖是用matlab仿真產生的。如圖4所示，待測光信號經交叉相位調制調制了載波為1556nm處的超短脈沖的光譜，其經過光濾波器濾取出來的單邊光譜進入第二大色散單元7進行壓縮。如圖5所示，可以看出通過40ghz高速光電探測器和實時示波器取樣后的時域波形是與待測信號的500ghz的射頻信號成一定比例，也即可以在時域上實時測量出該待測信號的射頻信號。此外，從時間尺度上來看，兩個連續(xù)測得的頻譜相隔時間尺度為10.56ns，也即該測量系統(tǒng)可以實時測量幀頻速率可高達94mhz。

如圖6(a)可以看出通過將輸入光載波的待測信號調諧為不同射頻頻率的余弦信號，通過仿真可以測得的該大帶寬實時測量射頻譜系統(tǒng)后輸出的時域波形的峰值功率來測試該系統(tǒng)可測量射頻帶寬?？梢钥吹綄ι漕l信號從0ghz-900ghz頻譜范圍以均等間隔100ghz進行掃頻，其仿真輸出的帶寬結果如圖所示，其900ghz處峰值還未降到最大值的一半，也即仿真顯示可測量帶寬為0-900ghz。如圖6(b)可以看出，其輸出的實驗結果與仿真結果非常吻合，由于光譜濾波的原因，其0-100ghz范圍是不可測的，因此實驗結果表明其可測量范圍為100-900ghz總共為800ghz。

如圖7可以看出通過將由射頻頻率間隔為1.25ghz組成的待測信號輸入該系統(tǒng)來測試其射頻頻率分辨率?？梢钥吹酵ㄟ^該系統(tǒng)后其時域波形中間值為最高值的3db的兩個脈沖形狀。按照類似瑞利判據(jù)，當兩脈沖峰值與其交疊處的谷值處相差為3db時認為這兩個脈沖在時域上是清晰可分辨的，可以認為這兩個射頻信號所形成的時域脈沖是基本可以分辨的，因此，可以定義為該系統(tǒng)的射頻分辨率為1.25ghz，其主要是受限于高速光電探測器和實時示波器的帶寬限制，當采用目前最先進的實時示波器系統(tǒng)時，其分辨率可以進一步增強。當射頻頻率間隔為2.5ghz時，經過該系統(tǒng)后的結果在時域上是完全可以分辨的，因此該系統(tǒng)的射頻頻譜分辨率為1.25ghz。

如圖8可以看出，通過將輸入信號的光平均功率由4dbm掃描到20dbm時，通過測量系統(tǒng)輸出脈沖形狀的峰值功率與輸入光功率的線性關系來測量該系統(tǒng)可以工作的光功率范圍?？梢钥闯?，在4dbm到14dbm區(qū)間內，輸出信號功率與輸入信號功率成優(yōu)良的線性關系，這說明該系統(tǒng)在此功率區(qū)間內可以成功工作。而輸入射頻功率在14dbm到20dbm區(qū)間內，輸出功率與輸入功率并不成線性關系，這說明該輸入射頻功率區(qū)間內該系統(tǒng)是失真的，是無法正常工作的。這主要是由該系統(tǒng)原理上引入的限制，其在交叉相位調制時要求輸入的待測信號功率要小于一定閾值，當超過該閾值時其交叉相位調制后的光譜與該信號的射頻譜并不能近似。因此可以看到該系統(tǒng)對輸入射頻功率范圍由4dbm到14dbm的區(qū)間內都是可以正常工作的，其動態(tài)范圍有10db。但在實際中其還與所選取光電探測器、光放大器等參數(shù)有關，可以進一步優(yōu)化。

如圖9可以看出，通過將輸入信號的射頻頻率由0ghz切換到505ghz再切換到300ghz最后再切換到597ghz的動態(tài)試驗中，切換時間為10ns，遠超過了目前技術的能力范圍，為了進一步區(qū)分，特意在試驗中讓三個射頻頻率的功率按500ghz-600ghz-300ghz的順序從大到小降低，通過這樣的實驗設置來測試該實時示波器的大帶寬實時性能。從測得的結果可以看出，射頻頻率的測量結果按0ghz-505ghz-300ghz-597ghz的順序在切換，并且切換速率為10ns，而且功率的確500ghz最高，300ghz最低。這與實驗裝置的是一致的，因此該實驗結果說明了我們的方案是非常成功的。

最后所應說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照常見器件參數(shù)實施示例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案中器件進行修改或者等同替換，如將非線性器件單元由高非線性光纖替換成優(yōu)化設計過的硅基波導，如將大色散光纖替換為優(yōu)化設計過的具有大色散的布拉格光柵等，可以得到更優(yōu)的可測量帶寬、可集成化和小型化等，但其不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。