利用分段光譜拼接技術實現對無源光器件測量的裝置及方法
【專利摘要】一種利用分段光譜拼接技術實現對無源光器件測量的裝置及方法，所述裝置包括OFDM信號發射模塊、待測器件(DUT)、檢測模塊和顯示模塊，其中，OFDM發射模塊用于產生OFDM信號，OFDM信號發射模塊產生的OFDM發射信號通過待測器件DUT進行測量，將測量結果送入檢測模塊進行相應處理得到待測參數后，通過顯示模塊顯示測試結果；待測器件DUT是具有精細結構的器件；檢測模塊是用來完成待測器件參數的處理；顯示模塊用于將所測得的結果顯示輸出。本發明實現高精度超大動態范圍測量，進一步提高對無源光器件的測量范圍、測量精度和測量速度。
【專利說明】利用分段光譜拼接技術實現對無源光器件測量的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學測量【技術領域】，特別涉及一種提高對無源光器件的測量范圍、測量精度和測量速度的裝置及方法，其是一種利用分段光譜拼接技術實現超大動態范圍的測量裝置及方法，其適用于光通信、生物醫學工程以及光纖傳感等等領域中。
【背景技術】
[0002]在光通信、生物醫學工程以及光纖傳感等等領域中，無源光器件是重要組成器件之一。為了獲得良好的系統性能，無源光器件的性能至關重要，這也就需要對其性能進行詳細了解。為了精確地了解無源光器件的作用特性，需要對其內部精細結構進行測量，因而測量方法就起著至關重要的作用。普遍使用的方法主要有基于光譜儀或激光掃描系統的測量方法，但它們只能得到無源光器件的幅度響應。另外，為了防止外界擾動的影響，波長域的無源光器件精細結構(頻率響應)測量除了要求高精度以外，還需要具有較快的測量速度。
[0003]目前，普通商業化使用的光譜儀分辨率只有0.02nm，不能滿足精細結構測量所要求的分辨率。除此之外，使用光譜儀或激光掃描系統方法進行測量時，因每次掃描速度較慢且掃描次數較多導致整體(過程)掃描速度變慢，也即限制了對整個器件的測量速度。最近，為了提高測量的精度和靈敏度，人們采用了光頻域反射計(OFDR)的方法。雖然現有的商業OFDR的分辨率可達1pm，但是這種OFDR技術對可調激光源的要求比較高，并且這種可調光源實現起來具有一定困難，不具有大量實用的可行性。另外，最新報道的一種使用正交頻分復用(OFDM)信號和相干接收技術實現的高精度光譜分析技術，其分辨率高達
0.732MHz (大約0.006pm)，但其只給出了具體性能，沒有公開具體實施方案，且測量范圍有限，只能測量有限的IOGHz范圍。
【發明內容】
[0004]針對上述問題，本發明提出了實現高精度超大動態范圍測量的裝置和方法，即利用分段光譜拼接技術實現超大動態范圍的測量裝置及方法。為了進一步提高對無源光器件的測量范圍、測量精度和測量速度，本專利提出了利用分段光譜拼接技術結合相干OFDM信號處理的技術的實施方案；本專利所闡述的方法雖然也是基于OFDM信號和相干接收技術，但可以實現超高精度(頻率響應)和超大范圍的光譜分析、對無源光器件結構的動態測量以及可以同時獲得器件的幅值響應和相位響應，為光通信、光纖傳感、生物化學等等學科領域提供一種全新的無源光器件精細結構測量方法。利用本專利提出的方法可以實現測量分辨率高達0.732MHz (大約0.006pm)，動態測量范圍可覆蓋整個C波段，同時具有很快的測量速度。
[0005]依據本發明的第一方面，提供一種利用分段光譜拼接技術實現對無源光器件測量的裝置，所述裝置包括OFDM信號發射模塊、待測器件(DUT)、檢測模塊和顯示模塊，其中，OFDM發射模塊用于產生OFDM信號，OFDM信號發射模塊產生的OFDM發射信號通過待測器件DUT進行測量，將測量結果送入檢測模塊進行相應處理得到待測參數后，通過顯示模塊顯示測試結果；待測器件DUT是具有精細頻率響應的器件；檢測模塊是用來完成待測器件參數的處理；顯示模塊用于將所測得的結果顯示輸出。
[0006]優選地,OFDM信號發射模塊由OFDM電信號產生器模塊、光調制器和可調諧激光源模塊構成。
[0007]優選地，OFDM信號發射模塊由OFDM電信號產生器模塊、光調制器和光頻梳模塊構成。其中，檢測模塊為相干檢測模塊。
[0008]此外，光頻梳模塊包括射頻信號源、RF信號源處理模塊、光調制器、光放大器模塊、可編程光處理模塊和連續激光源，其中由作為射頻信號源的射頻RF振蕩源產生射頻信號，產生的射頻信號經過RF信號源處理模塊后，驅動光調制器將產生的射頻信號信息調制到連續激光源上，再經過光放大器模塊進入可編程光處理模塊，產生高質量的光頻梳輸出。
[0009]依據本發明的第二方面，提供一種利用分段光譜拼接技術實現對無源光器件測量的方法，其包括以下步驟:
[0010]第一步，初始化可調激光器的參數，并尋找確定待測器件的頻率或波長掃描范圍；
[0011]第二步，設定掃描起始位置，調節可調激光器的輸出波長至預定初始掃描位置；
[0012]第三步，調節輸入檢測模塊信號的偏振態，使其達到最優偏振態；
[0013]第四步，采集數據(探測到的電信號)，離線處理(恢復電信號的幅度和相位信息)；
[0014]第五步，調節可調激光器的波長至下一個相鄰值波長，重復第三步和第四步；
[0015]第六步，重復第二步至第五步，直至待測器件掃描完成；
[0016]第七步，找出相鄰兩次掃描重疊區的波長相關值，按波長順序拼接，完成光譜拼接。
[0017]使用本發明的利用分段光譜拼接技術實現超大動態范圍的測量技術，相比較于現有技術，解決了現有技術的測量精度低的問題，也可以解決現有技術測量范圍受限制的問題，進一步解決了現有技術測量結果的單一性問題。并且在本發明的利用分段光譜拼接技術實現超大動態范圍的測量技術中，首次在本發明將光譜拼接技術首次引入到無源光器件測量中，具有測量無源光器件超大動態范圍的能力；可以同時獲得幅值響應和相位響應等技術優勢；以及本發明采用光OFDM信號取代單束激光，一次性完成多個頻點的掃描，能夠快速得到測量數據，從而提高了測量速度；本發明通過采用多電子載波OFDM信號，能夠大大提聞測量精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是OFDM光信號頻譜圖；
[0019]圖2是光譜拼接技術方案示意圖；
[0020]圖3是依據本發明技術方案的利用分段光譜拼接技術實現超大動態范圍的測量裝置不意圖；
[0021 ] 圖4是OFDM信號發射模塊實現原理圖；
[0022]圖5是依據本發明技術方案的基于可調諧激光源模塊的測量裝置示意圖；[0023]圖6是依據本發明技術方案的基于光頻梳模塊的測量裝置示意圖。
圖7是圖6中光頻梳的實現結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]以下結合附圖來詳細說明本發明的利用分段光譜拼接技術實現超大動態范圍的測量裝置及方法，下面僅僅作為示例來說明，本領域技術人員清楚地知曉，只要符合本發明思想的方法及系統均落入本發明之中；另外地，不應當將本發明的保護范圍僅僅限制至利用分段光譜拼接技術實現超大動態范圍的測量裝置及方法的具體結構或部件的具體參數。
[0025]本發明方案基于光譜拼接技術結合OFDM信號估計方法來實現對無源光器件精細結構的高精度、超大動態范圍及快速的測量。通過采用波長可調諧激光器來進行分段拼接，可以實現超大范圍動態測量；利用OFDM信號來進行處理可以獲得很高的測量精度和測量速度，因而使得這套裝置可以達到超高精度和超大測量范圍，而且簡單靈活。
[0026]OFDM信號是一種含有多個子載波的寬帶信號，如圖1所示。圖中給出了一個含有5個電子載波的光OFDM信號，其中心光載波的頻率為&，子載波間的帶寬即頻點間隔固定SB_。當無源光器件的需要測量的頻率響應范圍較窄時，為了提高測量速度，則可以通過一次掃描的頻率范圍來實現，即增加OFDM信號子載波的個數——相應地增加了光OFDM信號的帶寬；而通過調節子載波的帶寬，可調節頻點間隔，可以實現提高測量精度。
[0027]由于一次掃頻所能測量的帶寬范圍有限，故采用光譜拼接技術來拓展測量范圍，其實現原理如圖2所示。通過調節激 光器的中心波長(即調節光載波中心頻率從fQ至f1；…，fn)，可以精確地測量出每個中心波長所對應的OFDM信號帶寬范圍內的頻率響應，并將這些測量結果存儲起來。由于無源光器件對每個光載波所攜帶的OFDM信號的頻率響應即精細結構都可以被精確地測量，故通過把各次測量的結果拼接起來，就可得到待測器件的超大動態范圍內的精細結構。為了避免掃描范圍覆蓋，OFDM信號一次掃頻的帶寬可與可調激光器的調諧步長一致。不過為了使得拼接更加準確，OFDM信號每次掃頻的帶寬都比可調激光器的步長大，這樣每次得到的掃描結果都與上次有一定的掃描覆蓋，通過計算相鄰兩次測量結果重疊范圍的相關值來實現更精確地拼接。
[0028]基于光譜拼接技術結合OFDM信號估計方法來實現對無源光器件精細結構測量的步驟如下:
[0029]第一步，初始化可調激光器的參數，并尋找確定待測器件的頻率或波長掃描范圍；
[0030]第二步，設定掃描起始位置，調節可調激光器的輸出波長至預定初始掃描位置；
[0031]第三步，調節輸入檢測模塊信號的偏振態，使其達到最優偏振態；
[0032]第四步，采集數據(探測到的電信號)，離線處理(恢復電信號的幅度和相位信息)；
[0033]第五步，調節可調激光器的波長至下一個相鄰值波長，重復第三步和第四步；
[0034]第六步，重復第二步至第五步，直至待測器件掃描完成；
[0035]第七步，找出相鄰兩次掃描重疊區的波長相關值，按波長順序拼接，完成光譜拼接。
[0036]更具體地，下面給出該方法和裝置的結構圖及具體步驟，如圖3所示。圖中，由OFDM信號發射模塊產生的OFDM發射信號通過待測器件DUT進行測量，將測量結果送入檢測模塊進行相應處理得到待測參數后，通過顯示模塊顯示測試結果。其中，OFDM發射模塊用于產生OFDM信號；待測器件DUT是具有精細結構的器件；檢測模塊是用來完成待測器件參數的處理；顯示模塊用于將所測得的結果顯示輸出。OFDM發射模塊實現框圖如圖4所示，包括OFDM電信號產生模塊、調制光源和光調制器等三部分。OFDM電信號產生模塊的功能是將自動生成的一組偽隨機序列碼經過串并轉換、調制映射、快速逆傅里葉變換后，加上循環前綴，再經過并串轉換后，輸入任意波形發生器(AWG)從而形成OFDM電信號。光調制器用來將產生的OFDM電信號調制在調制光源上，從而產生OFDM發射信號。
[0037]在下面給出更具體的利用分段光譜拼接技術實現超大動態范圍的測量技術。
[0038]實施例一(基于可調諧激光源模塊的測量裝置):
[0039]在實施例一中，OFDM信號發射模塊由OFDM電信號產生模塊、光調制器和可調諧激光源模塊構成。OFDM電信號產生模塊用來產生測量用的OFDM電信號；光調制器用來將OFDM電信號調制在可調諧激光源模塊產生的激光源上；而可調諧激光源模塊用來產生多個波長間隔固定的激光，以實現大動態范圍內的測量。
[0040]實施例一給出了基于可調諧激光源模塊測量的裝置。在該裝置中，OFDM信號發射模塊實現原理如圖4所示。OFDM電信號產生模塊的功能是將自動生成的一組偽隨機序列碼經過串并轉換、調制映射、快速逆傅里葉變換后，加上循環前綴，再經過并串轉換后，輸入任意波形發生器(AWG)從而形成OFDM電信號。光調制器用來將產生的OFDM電信號調制在可調諧激光上，產生的發射信號作為信號源。然后調節窄線寬激光器的中心波長，利用不同波長測量不同頻率范圍的響應，最后使用光譜拼接技術來實現對無源光器件性能的精細結構(頻率響應)測量，如圖5所示。由OFDM信號發射模塊產生OFDM信號通過待測器件DUT測得相應響應，測量結果被送入檢測模塊進行相應處理得到待測結構后，通過顯示模塊顯示。其中，待測DUT就是具有精細結構的器件(就是具有精細頻率響應的部件)；檢測模塊是指完成待測參數測量的裝置，用來獲得具有精細結構的器件的強度響應和相位響應特性，其實現過程即用接收到的信號除以發送的信號，得到一個響應曲線，這個響應曲線可以反映待測器件的結構。當采用的檢測方案不同時，其用來獲得器件特性的算法將有所不同；顯示模塊用于將所測得的結果，包括強度響應和相位響應特性顯示給使用者。
[0041 ] 實施例二:(基于光頻梳的測量)
[0042]在實施例二中，OFDM信號發射模塊由OFDM電信號產生器模塊、光調制器和光頻梳模塊構成；在該裝置中，OFDM信號發射模塊與實例一不同之處主要在于使用的多波長光源不同。實施例二是基于光頻梳利用分段光譜拼接技術實現超大動態范圍的測量技術。在實施例中，實現超大動態范圍測量的光源是一個高質量的光頻梳，它的功能和可調諧激光器模塊一樣，但具有更好的頻率穩定性。 [0043]光頻梳模塊的實現結構如圖7所示，包括射頻信號源、RF信號源處理模塊、光調制器、光放大器模塊、可編程光處理模塊和連續激光源幾個部分。由射頻RF振蕩源作為信號源產生頻率為f的射頻信號，經過RF信號源處理模塊后，驅動光調制器將其信息調制到連續激光源上，再經過光放大器模塊進入可編程光處理模塊，產生高質量的光頻梳輸出。RF信號源處理模塊是實現對RF信號的放大、增益調節、移相等預處理；光放大器模塊的實現方法比較多，如摻鉺光纖放大器、拉曼放大器、布里淵放大器等對輸出光頻梳進行放大處理；可編程光處理模塊用來對光頻梳的輸出質量包括輸出光頻梳載波數目、載波光信噪比和載波平坦度等進行處理，以獲得載波數目多、載波光信噪比高和平坦度好的頻梳輸出。
[0044]如圖5所示，給出了實施例二的實現裝置結構圖及具體步驟。圖6中，由OFDM電信號產生模塊產生的OFDM電信號經光調制器調制在光頻梳模塊輸出的多個激光載波后，即由OFDM電信號產生器產生的OFDM電信號經調制器調制在光頻梳的每個光載波上后，通過待測器件DUT，由相干檢測模塊進行待測器件的測量；由光頻梳模塊產生的激光作為調制器的輸入光源，同時也是相干檢測模塊的本振信號。本振信號也可選擇在檢測模塊中使用獨立的本振光源；最后由相干檢測模塊對信號進行處理，得到測量精細譜結構；得到的測量結果可以由顯示模塊進行顯示。其中OFDM電信號產生模塊用于生成電的OFDM信號；光調制器的作用是將電的OFDM信號調制成光OFDM信號；這部分整體(包括OFDM電信號產生器模塊、光調制器和光頻梳模塊)構成OFDM信號發射器模塊；相干檢測模塊，用來實現對光載波所攜帶的信息進行檢測和處理，具有測量結果準確，精度高和速度快的特點；送入檢測模塊進行相應處理得到待測結構的結果后，通過顯示模塊顯示。
[0045]有益效果 [0046]使用本發明的利用分段光譜拼接技術實現超大動態范圍的測量技術，相比較于現有技術，解決了現有技術的測量精度低的問題，也可以解決現有技術測量范圍受限制的問題，進一步解決了現有技術測量結果的單一性問題。
[0047]此外，在本發明的利用分段光譜拼接技術實現超大動態范圍的測量技術中，具有以下有益效果和技術突破:
[0048]?首次在本發明將光譜拼接技術首次引入到無源光器件測量中，具有測量無源光器件超大動態范圍的能力；
[0049]?本發明可以同時獲得幅值響應和相位響應；
[0050]?本發明采用光OFDM信號取代單束激光，一次性完成多個頻點的掃描，能夠快速得到測量數據，從而提高了測量速度；
[0051]?本發明通過采用多電子載波OFDM信號，能夠大大提高測量精度；
[0052]?本發明采用相干處理算法，測量結果準確，并且靈敏度很高；
[0053]?本方案利用LabVIEW進行等效實時處理，使用戶使用更方便；
[0054]?本方案可以利用FPGA/DSP/ASIC等處理器來實現數據的實時處理使系統能夠進行實時處理，為本專利推廣到商業市場提供了更有力的保障；
[0055]?本發明可以利用matlab/C/C++等軟件進行離線測量，可根據需要選擇合適的算法，測量精度可調，具有很大的測量靈活性；
[0056]?本發明實現簡單，探頭可以多樣化，易于實現。
[0057]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。本領域普通的技術人員可以理解，在不背離所附權利要求定義的本發明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細節中做出各種各樣的修改。
【權利要求】
1.一種利用分段光譜拼接技術實現對無源光器件測量的裝置，所述裝置包括OFDM信號發射模塊、待測器件(DUT)、檢測模塊和顯示模塊， 其中，OFDM發射模塊用于產生OFDM信號，OFDM信號發射模塊產生的OFDM發射信號通過待測器件DUT進行測量，將測量結果送入檢測模塊進行相應處理得到待測參數后，通過顯示模塊顯示測試結果；待測器件DUT是具有精細頻率響應的器件；檢測模塊是用來完成待測器件參數的處理；顯示模塊用于將所測得的結果顯示輸出。
2.根據權利要求1所述的利用分段光譜拼接技術實現對無源光器件測量的裝置，其特征在于:0FDM信號發射模塊由OFDM電信號產生器模塊、光調制器和可調諧激光源模塊構成。
3.根據權利要求1所述的利用分段光譜拼接技術實現對無源光器件測量的裝置，其特征在于:0FDM信號發射模塊由OFDM電信號產生器模塊、光調制器和光頻梳模塊構成。
4.根據權利要求3所述的利用分段光譜拼接技術實現對無源光器件測量的裝置，其特征在于:檢測模塊為相干檢測模塊。
5.根據權利要求3所述的利用分段光譜拼接技術實現對無源光器件測量的裝置，其特征在于，光頻梳模塊包括射頻信號源、RF信號源處理模塊、光調制器、光放大器模塊、可編程光處理模塊和連續激光源，其中由作為射頻信號源的射頻RF振蕩源產生射頻信號，產生的射頻信號經過RF信號源處理模塊后，驅動光調制器將產生的射頻信號信息調制到連續激光源上，再經過光放大器模塊進入可編程光處理模塊，產生高質量的光頻梳輸出。
6.一種利用分段光譜拼接技術實現對無源光器件測量的方法，其包括以下步驟: 第一步，初始化可調激光器的參數，并尋找確定待測器件的頻率或波長掃描范圍； 第二步，設定掃描起始位置，調節可調激光器的輸出波長至預定初始掃描位置； 第三步，調節輸入檢測模塊信號的偏振態，使其達到最優偏振態； 第四步，采集探測到的電信號數據，做恢復電信號的幅度和相位信息的離線處理； 第五步，調節可調激光器的波長至下一個相鄰值波長，重復第三步和第四步； 第六步，重復第二步至第五步，直至待測器件掃描完成； 第七步，找出相鄰兩次掃描重疊區的波長相關值，按波長順序拼接，完成光譜拼接。
【文檔編號】G01M11/00GK103674482SQ201210342708
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月17日 優先權日:2012年9月17日
【發明者】李朝暉 申請人:李朝暉