光载波的信号的大带宽射频谱的实时测量方法及系统与流程

本发明涉及光电探测技术领域，特别涉及光载波的信号的大带宽射频谱的实时测量。

背景技术：

射频谱是指电磁场的强度包络的傅里叶谱，光也是一种电磁波，可以当做一种载波，具有带宽大、抗电磁干扰等优点。随着光通信技术和微波光子学技术等技术迅速发展，光载波的射频谱测量已被广泛地运用在了光通信的信号质量监测、无线电通信、雷达系统、电子集成芯片等科学研究中。这些科研研究中，通常是将待探测的信息通过一定方式加载在光载波的大带宽的射频谱上，因此光载波的大带宽射频谱的精确测量是这些应用的基础。目前，有很多测量精度高的方案都可在一定程度上实现光载波的信号的大带宽射频谱测量，主要分为两类方法。第一类是基于电学领域的电子测量技术方案，其中比较典型的方案是扫频调谐式和快速傅里叶变化式。这两种方法都是通过将光载波信号通过光电探测器转换为电信号后通过电域上成熟的电学处理技术来测量其射频谱信息。这种方法基于较为成熟的电子技术，其测量分辨率较高。但其可测量的射频谱宽受限于光电探测器带宽的限制，一般在100GHz以下，此外受限于电子信号处理速率，其实时测量速率有限。因此这类方案不适用于待测信号射频谱较宽(>100GHz)的场合，也不适用于需要实时测量射频谱的超快动态变化的场合。第二类是基于非线性效应的全光域的射频谱测量方案。其通过交叉相位调制等非线性效应，将待测光载波信号的射频谱转换到探测光的光谱上，然后通过光谱仪来直接读取其射频谱信息。这种方法因为利用超快的非线性效应，避免了光电探测器的转换带宽限制，能测量较大带宽的射频谱，目前已有报道可测量高达2.5THz的带宽。但由于采用光谱仪直接读取射频谱信息，其分辨率受限于光谱仪分辨率，常见的衍射光栅光谱仪分辨率为0.02nm时其对应的射频谱分辨率为2.5GHz。此外受限于光谱仪的扫描速率，其射频谱探测的速率较慢，在MHz量级以下，故其不适用于需要实时测量射频谱的超快动态变化的场合。通过对现有技术的分析，可以发现当前技术能较好适用于光载波的大带宽射频谱变化较慢的领域，但光载波的信号的大带宽射频谱的较快动态变化这个领域却能力极为有限，这需要该测量系统具有实时测量的功能。

因此，需要研究一种光载波的信号的大带宽射频谱的实时测量系统，它不仅要完成大带宽射频谱的测量，而且要能实时测量该射频谱超快动态变化，以缓解现有技术在这种场合下能力极为有限的现状。此外该系统还需结构简单，适用范围较广等优点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提出能实现光载波的信号的大带宽射频谱的实时测量的方法和系统，以缓解现有技术在该应用领域内能力极为有限的现状。

为解决上述技术问题，本发明首先提出了一种光载波的信号的大带宽射频谱的实时测量方法，包括以下步骤：

连续激光器输出的连续光，经过第一偏振控制器后与待测的光载波的大带宽射频的信号经过第一光耦合器耦合后一起输入到第一非线性器件中发生交叉相位调制；

将第一非线性器件中输出的混合信号经过第一光滤波器将连续光附近的光谱滤取出来，并进入第一光放大器进行功率放大后成为下一步的输入信号；

超短脉冲源输出的超短脉冲经过第一大色散单元进行时域展开，形成扫频光源，偏振控制器控制扫频光源的偏振态，使其与滤取的连续光的偏振态一致；

滤取的连续光与扫频光源进入第二光耦合器进行耦合后输入到第二非线性器件中进行简并四波混频后生成闲频光，将闲频光经过第二光滤波器滤取；

所述第二光滤波器滤取出的闲频光经过第二大色散单元，第二大色散单元的色散量是第一大色散单元的色散量的负二分之一时，闲频光经过第二大色散单元后输出的时域波形形状与待测输入大带宽信号的射频谱成一定的比例；

第二大色散单元输出后的时域信号经光探测器探测，将光信号转变为电信号后进行实时采样得到幅度信息，其输出的幅度信息和待测大带宽的信号的射频谱是成比例的。

本发明同时提供一种光载波的信号的大带宽射频谱的实时测量系统，包括连续光源，第一偏振控制器，第一光耦合器，第一非线性器件，第一光滤波器，第一光放大器，超短脉冲源，第一大色散单元，第二偏振控制器，第二光耦合器，第二非线性器件，第二光滤波器，第二大色散单元，第二光放大器，光探测器，实时示波器；

所述连续光源，用于与待测信号发生交叉相位调制；

所述第一偏振控制器，用于控制连续光的偏振态与待测信号偏振态一致，使交叉相位调制最强；

所述第一光耦合器，用于将连续光和待测光信号按一定功率比例耦合到一个支路中；

所述第一非线性器件，用于发生交叉相位调制，可通过器件设计使交叉相位效应最优；

所述第一光滤波器，将交叉相位调制后的连续光光谱滤取出来；

所述第一光放大器，将光按功率进行一定比例的放大；

所述超短脉冲源，用于产生带宽较大的超短脉冲；

所述第一大色散单元，用于将超短脉冲进行时域拉伸形成扫频光源；

所述第二偏振控制器，用于控制扫频光源的偏振态与滤取出的连续光偏振态一致，使四波混频效应最优；

所述第二光耦合器，用于将滤取出的连续光和扫频光源按一定功率比例耦合到一个支路中；

所述第二非线性器件，用于发生四波混频效应，可通过器件设计使四波混频效应最优；

所述第二光滤波器，将四波混频生成的闲频光的光谱滤取出来；

所述第二大色散单元，其色散量是第一大色散单元的色散量的负二分之一，其输出的光时域波形与输入信号的射频谱成比例；

所述第二光放大器，将光按功率进行一定比例的放大；

所述光探测器，将探测的光信号转换成模拟电信号；

所述实时示波器用于对光探测器输出电流进行采样和量化后转换为数字信号。

优选的，所述第一大色散单元或第二大色散单元选用光纤、布拉格啁啾光栅、多模波导、或波分复用器实现。

同样优选的，所述第一、第二非线性器件单元分别选用高非线性光纤、二氧化硅波导、硅基波导、氮化硅波导或高非线性的有机物集成器件实现。

同样优选的，所述第一、第二非线性器件单元，第一、第二大色散单元均在芯片上集成实现。

同样优选的，所述光探测器为高速光探测器。

同样优选的，所述实时示波器为实时采样模式。

本发明能完成光载波的信号的大带宽射频谱的超快动态变化这个应用领域内的实时测量，以缓解现有技术在这领域内能力极为有限的现状。该发明直接时域上探测待测信号的射频谱信息，将射频谱测量过程转换到时域波形的测量，避免使用复杂的电学射频谱探测系统，具有测量带宽大且能实时测量的优点，其适用范围广，结构简单的优点。

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具体说明。

图1为本发明具体实施的实时全光场测量的系统结构示意图。

图2为测试该系统的余弦信号的时域波形图。

图3为测试该系统的余弦信号的射频域波形图。

图4为交叉相位调制后连续光附近的光谱和滤波后的光谱图。

图5为最后该系统经实时示波器后采样得到的时域波形图。

图6(a)为测试该系统带宽时所用的不同射频频率信号的射频谱。

图6(b)为与测试用射频信号对应的输出时域波形图。

图7(a)为测试该系统的射频分辨率时所采用信号波形图，其射频谱由两个频率相差不大的射频信号组成。

图7(b)为该系统对应测试信号输出的时域波形图。

图8为测试该系统的射频功率工作范围图。

具体实施方式

如图1所示的大带宽的信号的全光实时测量射频谱系统，包括：连续激光器1，第一偏振控制器2，第一光耦合器3，第一非线性器件4，第一光滤波器5，第一光放大器6，超短脉冲源7，第一大色散单元8，第二偏振控制器9，第二光耦合器10，第二非线性器件11，第二光滤波器12，第二大色散单元13，第二光放大器14，光探测器15，实时示波器16。第一大色散单元或第二大色散单元可以选用光纤、布拉格啁啾光栅、多模波导、或波分复用器实现。

第一、第二非线性器件单元分别选用高非线性光纤、二氧化硅波导、硅基波导、氮化硅波导或高非线性的有机物集成器件实现。第一、第二非线性器件单元，第一、第二大色散单元均在芯片上集成实现。光探测器为高速光探测器。实时示波器为实时采样模式。

表1是该系统一种实施例的主要器件的主要参数，该器件可以换成具有相同功能的其他材料器件。

表1

本发明具体实施的光载波的信号的大带宽射频谱的实时测量方法，具体包括如下步骤：

1)连续激光器1输出的连续光，经过第一偏振控制器2后与待测的大带宽信号经过第一光耦合器3耦合后一起输入到第一非线性器件4中发生交叉相位调制。

2)将第一非线性器件4中输出的混合信号经过第一光滤波器5将连续光附近的光谱滤取出来，并进入第一光放大器6进行功率放大后成为下一步的输入信号。

3)超短脉冲源7输出的超短脉冲经过第一大色散单元8进行时域展开，形成扫频光源，第二偏振控制器9用来控制扫频光源的偏振态，使其和滤取的连续光的偏振态一致。

4)滤取的连续光与扫频光源进入第二光耦合器10进行耦合后输入到第二非线性器件11中进行四波混频效应生成闲频光。将混合光经过后置的第二光滤波器12滤取出生成的闲频光。

5)闲频光经过第二大色散单元13，其色散量是第一大色散单元8的色散量的负二分之一时，闲频光经过第二大色散单元13后输出的时域脉冲形状与待测输入大带宽信号的射频谱成一定的比例。

6)第二大色散单元13输出后的时域信号经光探测器15探测，将光信号转变为电信号后进行实时采样得到幅度信息，其输出的幅度信息和待测大带宽的信号的射频谱是成比例的。

如图2、图3可以看出使用测试该系统测量能力的是余弦信号，其射频频率为200GHz，已经远超出了当前电光探测器的带宽(最高为100GHz)，其射频谱是基于常规电子射频谱技术所不能测量的。如图4所示，交叉相位调制将待测光载波信号的200GHz射频转移到了载波为连续光1540.5nm处的光谱上，其经过第一光滤波器滤取出来的单边光谱是与待测信号的射频信号相同，同为200GHz，幅度相差个常数。如图5所示，可以看出通过40GHz高速光电探测器和实时示波器取样后的时域波形是与待测信号的200GHz的射频信号成一定比例，也即可以在时域上实时测量出该待测信号的射频信号。

如图6(a)可以看出通过将输入光载波的待测信号调谐为不同射频频率的余弦信号，通过该大带宽实时测量射频谱系统后输出的时域波形响应来测试该系统可测量射频带宽。可以看到对射频信号从10GHz，100GHz、200GHz、300GHz、400GHz、500GHz、600GHz进行扫频，其输入幅度是均等的。如图6(b)可以看出，其输出的时域波形并不是等高的，而是呈现出一种中间高两边低的趋势，这主要是与四波混频仿真所选取的高非线性光纤参数有关，其四波混频带宽为5nm，正好对应于光谱上带宽为600GHz。如果采用硅基波导等优化设计过后的非线性器件单元，其四波混频带宽可达140nm以上，就不会存在这种带宽限制带来的时域形状响应不等的情况。按照射频谱测量中最常见的3dB带宽定义：当测量值降到最高值的二分之一时对应的频率为其3dB带宽。可以看到该系统可以测量高达600GHz的射频谱带宽。此外，从时间尺度上来看，600GHz的频谱信号所占用的时域宽度为10ns，也即该测量系统可以实时测量帧频速率可高达100MHz。

如图7(a)可以看出通过将由射频频率为300GHz和301.5GHz组成的待测信号输入该系统来测试其射频频率分辨率。可以看到在待测信号的射频谱上这两个射频频率是清晰可分辨的。如图7(b)可以看出，通过该系统后其时域波形中间值为最高值的3dB的两个脉冲形状。按照类似瑞利判据，当两脉冲峰值与其交叠处的谷值处相差为3dB时认为这两个脉冲在时域上是清晰可分辨的。可以认为这两个射频信号所形成的时域脉冲是基本可以分辨的，因此，可以定义为该系统的射频分辨率为1.5GHz，其主要是受限于高速光电探测器和实时示波器的带宽限制，当采用目前最先进的实时示波器系统时，其分辨率可以进一步增强。

如图8可以看出，通过将输入信号的射频功率由-54dBm扫描到-5dBm时，通过测量系统输出脉冲形状的峰值功率与输入射频功率的线性关系来测量该系统可以工作的射频功率范围。为了显示在整个带宽内的动态范围，分别测试了射频频率为10GHz、300GHz、600GHz的余弦信号。可以看出，在-55dBm到-13dBm区间内，输出信号功率与输入信号功率成优良的线性关系，这说明该系统在此功率区间内可以成功工作。且300GHz信号在该输入功率区间内与10GHz、600GHz信号的输出功率基本差在3dB左右，这说明在此输入功率区间内，该系统的工作带宽都在高达600GHz的范围内。而输入射频功率在-13dBm到-5dBm区间内，输出功率与输入功率并不成线性关系，这说明该输入射频功率区间内该系统是失真的，是无法正常工作的。这主要是由该系统原理上引入的限制，其在交叉相位调制时要求输入的待测信号功率要小于一定阈值，当超过该阈值时其交叉相位调制后的光谱与该信号的射频谱并不能近似。因此可以看到该系统对输入射频功率范围由-55dBm到-13dBm的区间内都是可以正常工作的，其动态范围有38dB。但在实际中其还与所选取光电探测器、光放大器等参数有关。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照常见器件参数实施示例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案中器件进行修改或者等同替换，如将非线性器件单元由高非线性光纤替换成优化设计过的硅基波导，如将大色散光纤替换为优化设计过的具有大色散的布拉格光栅等，可以得到更优的可测量带宽、可集成化和小型化等，但其不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。