光载波的信号的大带宽射频谱的实时测量方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及光载波的信号的大带宽射频谱的实时测量方法及系统，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。本发明专利技术直接在时域上探测信号的射频谱幅度信息，能实现信号的射频谱从MHz到GHz的实时测量帧频速率；本发明专利技术直接将光载波的射频谱测量从电域测量直接转换到全光域上测量，避免光电探测器的带宽限制，具有测量大射频带宽的优点。

【技术实现步骤摘要】
光载波的信号的大带宽射频谱的实时测量方法及系统
本专利技术涉及光电探测
，特别涉及光载波的信号的大带宽射频谱的实时测量。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。该专利技术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专利技术的技术方案作进一步具体说明。图1为本专利技术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，第一光放本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光载波的信号的大带宽射频谱的实时测量方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种光载波的信号的大带宽射频谱的实时测量方法，其特征在于，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。2.一种大带宽信号的射频谱全光实时测量系统，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张驰，陈燎，周海东，段玉华，张新亮，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42