探测带宽大于1THz的光信号实时矢量分析方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种探测带宽大于1THz的光信号实时矢量分析方法及装置，方法为：通过时域透镜聚焦技术将待测信号的频谱映射到不同的时间位置信息；将超短光脉冲经色散充分展宽得到其时域光谱，形成啁啾扫频源；将二者输入到相干接收系统实现干涉过程及光信号到电信号转化，经数据采集处理恢复待测信号的频域强度和相位信息；再通过傅里叶逆变换，恢复其时域全光场信息。装置包括时域透镜聚焦系统，第一色散补偿光纤，第一光纤锁模激光器，光学带通滤波器，第一、第二偏振控制器，相干接收机和实时示波器。本发明专利技术实现了对带宽大于1THz的光信号的实时获取其信号时域和频域的强度及其相位的全光场信息，在大带宽多维度信息测量应用场景中有重要的意义。用场景中有重要的意义。用场景中有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
探测带宽大于1THz的光信号实时矢量分析方法及装置


[0001]本专利技术涉及带宽大于1THz光信号实时测量
，特别涉及对带宽大于1THz信号的强度和相位信息同时实时获取分析。

技术介绍

[0002]随着飞秒锁模激光器的出现以及高速、大容量光通信技术的高速发展，对于高速信号的实时测量表征成为了迫切需要解决的科学问题。同时，光通信高级调制格式信号的表征、任意波形以及非重复性事件的获取分析，将光信号的分析复杂性推到了新的高度，这对光信号的测量处理提出了更高的要求。
[0003]传统的将光信号通过光电探测器转换成电信号，然后利用电学系统来进行信号处理的方式，对于带宽大于100GHz的光信号难以实现实时测量观测，通常也仅能获取单一维度的强度信息，并且成本也非常高昂。
[0004]传统电学分析和处理光信号的方法受限于模数、数模转换带宽、探测器带宽，因此很难应用在这种大带宽光信号实时矢量测量分析场景中。时域光学的发展则给大带宽信号测量分析开辟了一些新的途径，其中研究最为广泛的即时域成像。为了表征飞秒量级精度的超短脉冲，Rick Trebino与Dan Kane提出了频率分辨光学开关的方法，其将待测脉冲分为两束，并产生相对时间延时，利用两脉冲在非线性介质中相互作用，得到二维的时间
‑
频率分布图，再使用二维位相重建迭代算法便可提取脉冲的强度和相位信息(D.J.Kane and R.Trebino.Single
‑
shot measurement of the intensity and phase of an arbitrary ultrashort pulse by using frequency
‑
resolved optical gating.Optics Letters,1993,vol.18,no.10,823
‑
825)。但是其测量时间窗口范围通常仅有几十皮秒，并且测量帧率也非常受限，因此无法实现实时超快的测量。
[0005]时域透镜放大技术则是另一种测量高速信号的方式，其初衷之一即解决受限的探测带宽在高速光波形探测上的困难。类似于空间透镜放大系统。输入信号经过时域成像系统就可以被放大。该方案中待测信号经过第一段色散器件时域拉伸后，经过时域透镜系统，再经过第二段色散单元继续拉伸，此时第二段色散量是第一段色散量的N倍，最终输出信号时间窗口是待测信号时间窗口的N倍放大，这样就使得系统采集待测信号的探测带宽、模数转换带宽下降了N倍。高速信号通过时域放大即相当于降速，然后就可以用低速的实时采样系统对此进行采集和观测(R Salem et al.Optical time lens based on four
‑
wave mixing on a silicon chip.Optics Letters,2008,vol.33,no.10 1047
‑
1049)。系统放大倍率等于输出色散与输入色散的比值，系统测量时间窗口决定于前级pump色散的大小，受限于放大倍率与色散量之间的制约，其测量时间范围通常为200ps。为了扩大系统测量时域窗口，利用延时缓存环技术结合时域放大方法，可以实现测量时间窗口的有效倍增。时域分割的方式有效提升了信号时间窗口范围，但是测量的帧率受到了制约，同时也只得到随时间变化的光信号的强度信息，另一维度的相位变化信息丢失。时域光学实现超快波形测量的另一个重要途径即时域傅里叶变换，通过将时域波形转换到光谱上测量来规避时域探测
的带宽受限问题。实现时域傅里叶变换的方式主要是基于时域透镜的方法，其实现方法通常基于电光相位调制器及四波混频等非线性参量过程。输入信号经过输入色散传输后，再经过时域透镜在时域上加载二次相位调制，最后经过输出色散实现待测信号时域信息到频域的映射。当输入色散与输出色散相等时，输出光场频谱的幅度是输出光场时域的映射(M.Foster et al.Silicon
‑
chip
‑
based ultrafast optical oscilloscope.Nature,2008,vol.456,no.7218,81
‑
84)。但是该方法时间窗口受限于时域透镜的窗口大小，同样也只能实现单一强度变化信息的表征。
[0006]为了同时捕获大带宽信号的强度和相位信息，频谱分割技术也得到了广泛的应用。将大带宽信号利用不同频率的本振光实现多路相干探测完成探测接收，同时获取不同频谱片段的强度和相位信息，再在频域进行频谱恢复，利用傅里叶逆变换得到其大带宽时域矢量信息(N.Fontaine et al.Real
‑
time full
‑
field arbitrary optical waveform measurement.Nature Photonics,2010,vol.4,no.4,248
–
254)。该测量方法有效避开了电学带宽瓶颈的限制，但是其系统复杂程度高，系统进一步拓展探测带宽到THz量级受到较大限制。通过对现有技术的分析，可以发现当前的大带宽信号实时分析测量难以实现在THz量级的测量带宽下，既保证测量时间窗口以及系统的低复杂度，同时实时获取强度和相位的全光场信息，进行矢量分析。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是提出能利用单通道的接收端实现对带宽大于1THz光信号实时分析的方法和装置，实现同时获取信号在频域和时域的强度和相位全光场信息。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术首先提出一种探测带宽大并且可以实时测量强度和相位的测量方法，包括以下步骤：
[0009]A、待测信号经过时域透镜聚焦技术实现时域傅里叶变换，得到映射在时域波形信号上的实时光谱信息；
[0010]B、将超短光脉冲经色散大小为Φ1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；
[0011]C、将映射在时域波形信号上的光谱信息与相干探测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处理，恢复待测信号的频域强度和相位信息；
[0012]D、将步骤C得到的待测信号的频域全场信息进行傅里叶逆变换，恢复待测信号的时域全光场信息；
[0013]其中步骤A具体包括如下步骤：
[0014]A1、电光强度调制器实现对信号的时间窗口范围截取；
[0015]A2、强度调制后的信号再经过电光相位调制器，对窗口内光信号加载时间上的二次相位,实现时域透镜功能，Φ
f
为所述时域透镜的“焦距”；
[0016]A3、携带二次相位的光信号通过光纤色散Φ2作用使之压缩，得到待测信号的时域光谱信息，色散大小Φ2为时域透镜聚焦系统的“像距”。
[0017]其中，步骤A2中对应的“焦距”Φ
f
与步骤A3中的“像距”Φ2满足一定的成像条件以
实现聚焦成像，即Φ<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种探测带宽大于1THz的光信号实时矢量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：A、待测信号经过时域透镜聚焦技术实现时域傅里叶变换，得到映射在时域波形信号上的实时光谱信息；B、将超短光脉冲经色散大小为Φ1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、将映射在时域波形信号上的光谱信息与相干探测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处理，恢复待测信号的频域强度和相位信息；D、将步骤C得到的待测信号的频域全场信息进行傅里叶逆变换，恢复待测信号的时域全光场信息。2.根据权利要求1所述的探测带宽大于1THz的光信号实时矢量分析方法，其特征在于：所述步骤A具体包括如下步骤：A1、电光强度调制器实现对信号的时间窗口范围截取；A2、强度调制后的信号再经过电光相位调制器，对窗口内光信号加载时间上的二次相位实现时域透镜功能，Φ
f
为所述时域透镜的“焦距”；A3、携带二次相位的光信号通过光纤色散Φ2作用使之压缩，得到待测信号的时域光谱信息，色散大小Φ2为时域透镜聚焦系统的“像距”。3.根据权利要求2所述的探测带宽大于1THz的光信号实时矢量分析方法，其特征在于：步骤A2中对应的“焦距”Φ
f
与步骤A3中的“像距”Φ2相等，即Φ
f
＝Φ2。4.根据权利要求3所述的探测带宽大于1THz的光信号实时矢量分析方法，其特征在于：步骤A3中的“像距”的色散量Φ2应与步骤B中的色散量Φ1相等，即Φ2＝Φ1。5.根据权利要求1所述的探测带宽大于1THz的光信号实时矢量分析方法，其特征在于：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。6.一种探测带宽大于1THz的光信号实时矢量分析装置，其特征在于：包括时域透镜聚焦系统，第一光纤锁模激光器，光学带...

【专利技术属性】
技术研发人员：张驰，张新亮，李仑，蔡宇翀，李耀帅，刘辰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：