一種極高分辨率光譜測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種極高分辨率光譜測(cè)量裝置及 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜測(cè)量在光通信領(lǐng)域扮演著非常重要的角色，在光信號(hào)的傳輸過(guò)程中，可以通 過(guò)分析光信號(hào)的光譜來(lái)對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨著系統(tǒng)容量的需求增加，正交頻分 復(fù)用（OFDM)等復(fù)用技術(shù)逐漸投入使用，信道間頻率間隔大大減小，達(dá)到10MHz量級(jí)，傳統(tǒng)的 光譜測(cè)量技術(shù)已不能滿足分辨率的要求。另一方面，觀察激光器的張弛振蕩效應(yīng)、光調(diào)制器 的啁啾特性等細(xì)節(jié)也對(duì)光譜測(cè)量裝置的分辨率提出了更高的要求。因此，提高光譜測(cè)量裝 置的分辨率顯得尤為重要。
[0003] 傳統(tǒng)的光譜測(cè)量裝置是基于衍射光柵的，僅能達(dá)到1GHz左右的分辨率；而基于相 干檢測(cè)、基于受激布里淵散射效應(yīng)的光譜測(cè)量技術(shù)可以達(dá)到10MHz左右的分辨率。法布里 珀羅（FP)干涉儀用于測(cè)量信號(hào)光譜可以獲得優(yōu)于上述光譜儀的分辨率，這里將優(yōu)于10MHz 的分辨率稱為極高分辨率。FP干涉儀由FP標(biāo)準(zhǔn)具、壓電換能器以及波形發(fā)生器組成，是一 種由兩塊平行的玻璃板組成的多光束干涉儀，其中兩塊玻璃板相對(duì)的內(nèi)表面都具有高反射 率。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)滿足其共振條件時(shí)，其透射頻譜會(huì)出現(xiàn)很高的峰值，對(duì)應(yīng)著很高的透射 率。具有極高分辨率這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得FP干涉儀主要應(yīng)用于測(cè)量分辨率要求較高的場(chǎng)合，例 如用于超高分辨率激光器線寬測(cè)量、分析模式結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性、波長(zhǎng)啁啾、抖動(dòng)和漂移等；FP 干涉儀還被用于超高分辨率光譜測(cè)量，包括化學(xué)分析、發(fā)射吸收線等。文獻(xiàn)報(bào)道FP干涉儀 用于測(cè)量激光器模式頻率間隔實(shí)驗(yàn)中可以獲得1MHz的準(zhǔn)確度，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)量范圍僅僅為 10MHz~1GHz，說(shuō)明FP干涉儀可以獲得極高分辨率，但同時(shí)也受測(cè)量范圍較小的限制。
[0004] 圖書（Hui R，0, Sullivan M. Fiber optic measurement techniques[M]? Academic Press，2009:154~168)描述了 FP干涉儀的精細(xì)度、自由光譜范圍以及帶寬之間的關(guān)系，它 的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得比傳統(tǒng)光譜儀高的分辨率，但是具有測(cè)量波長(zhǎng)范圍小的缺點(diǎn)，限制了它 的應(yīng)用。美國(guó)專利US6697159B2公開(kāi)了一種FP干涉儀結(jié)合光柵進(jìn)行光譜測(cè)量的裝置，利用 光柵測(cè)量范圍大但分辨率低、FP干涉儀分辨率高但測(cè)量范圍小的特點(diǎn)，將兩者結(jié)合工作，獲 得較高分辨率的同時(shí)也能獲得較大的測(cè)量范圍。該方案用于探測(cè)光柵衍射光的探測(cè)器比較 復(fù)雜，而且分辨率跟光柵以及探測(cè)器有關(guān)，還具有一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種極高分辨率光譜測(cè)量裝置及方法，其目 的在于提高光譜測(cè)量的分辨率的同時(shí)獲得比現(xiàn)有FP干涉儀更大的測(cè)量范圍。
[0006]本發(fā)明提供了一種極高分辨率光譜測(cè)量裝置，包括FP干涉儀、SBS濾波器、探測(cè) 器、數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊；所述FP干涉儀的第一輸入端用于連接待測(cè)信號(hào)，所述FP干 涉儀的第二輸入端連接至所述控制模塊的第一輸出端；所述SBS濾波器的第一輸入端連接 至所述FP干涉儀的輸出端，所述SBS濾波器的第二輸入端連接至所述控制模塊的第二輸出 端；所述探測(cè)器的輸入端連接至所述SBS濾波器的第一輸出端，所述數(shù)據(jù)采集模塊的第一 輸入端連接至所述探測(cè)器的輸出端，所述數(shù)據(jù)采集模塊的第二輸入端連接至所述SBS濾波 器的第二輸出端；所述控制模塊的輸入輸出端連接至所述數(shù)據(jù)采集模塊的輸出輸入端；所 述FP干涉儀用于將待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為分立的窄帶成分，由于其具有很小的-3dB帶寬，因此具 有極高分辨率；所述SBS濾波器選擇放大其中一個(gè)窄帶成分，產(chǎn)生的后向散射信號(hào)經(jīng)所述 探測(cè)器后轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，所述數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)其進(jìn)行采集處理；所述控制模塊發(fā)出信號(hào) 控制所述FP干涉儀和所述SBS濾波器同步掃描，SBS增益峰對(duì)所述FP干涉儀工作的透射峰 依次進(jìn)行選擇，使得測(cè)量范圍不再局限于一個(gè)自由光譜范圍（free spectral range, FSR)， 從而獲得比現(xiàn)有FP干涉儀更大的測(cè)量范圍。
[0007] 更進(jìn)一步地，所述FP干涉儀包括FP標(biāo)準(zhǔn)具、壓電換能器和波形發(fā)生器；所述FP標(biāo) 準(zhǔn)具的第一輸入端作為所述FP干涉儀的第一輸入端，所述FP標(biāo)準(zhǔn)具的輸出端作為所述FP 干涉儀的輸出端，所述波形發(fā)生器的輸入端作為所述FP干涉儀的第二輸入端；所述壓電換 能器的輸入端連接至所述波形發(fā)生器的輸出端，所述FP標(biāo)準(zhǔn)具的第二輸入端連接至所述 壓電換能器的輸出端；所述壓電換能器與所述FP標(biāo)準(zhǔn)具的一個(gè)腔鏡相連，用于改變FP腔 長(zhǎng)，進(jìn)而改變透射的信號(hào)波長(zhǎng)；所述波形發(fā)生器給所述壓電換能器提供工作電壓，這里設(shè)置 為鋸齒波電壓，結(jié)合SBS增益峰的掃描對(duì)FP透射峰進(jìn)行選擇，獲得比現(xiàn)有FP干涉儀更大的 測(cè)量范圍。
[0008] 更進(jìn)一步地，所述SBS濾波器包括隔離器、非線性光纖、偏振控制器、環(huán)形器、光放 大器和可調(diào)諧激光器；所述隔離器的輸入端作為所述SBS濾波器的第一輸入端連接至所述 FP標(biāo)準(zhǔn)具的輸出端，所述非線性光纖的第一端與所述隔離器的輸出端連接，所述偏振控制 器的第一端與所述非線性光纖的第二端相連，所述環(huán)形器的第二端與所述偏振控制器的第 二端相連；所述環(huán)形器的第三端作為所述SBS濾波器的第一輸出端與所述探測(cè)器的輸入端 與相連，所述光放大器的輸出端與所述環(huán)形器的第一端相連；所述可調(diào)諧激光器的第一輸 出端與所述光放大器的輸入端相連，所述可調(diào)諧激光器的第二輸出端作為所述SBS濾波器 的第二輸出端與所述數(shù)據(jù)采集模塊的第二輸入端相連；所述可調(diào)諧激光器的輸入端作為所 述SBS濾波器的第二輸入端與所述控制模塊的第一輸出端相連。
[0009] 其中，工作時(shí)，通過(guò)調(diào)整所述FP標(biāo)準(zhǔn)具以及所述可調(diào)諧激光器的參數(shù)，使得待測(cè) 信號(hào)某個(gè)窄帶成分對(duì)準(zhǔn)SBS增益峰值，而左右相鄰的窄帶成分恰好不處于-3dB帶寬內(nèi)。
[0010] 更進(jìn)一步地，所述壓電換能器的工作電壓為鋸齒波。
[0011] 更進(jìn)一步地，電壓每變化一個(gè)周期，所述FP標(biāo)準(zhǔn)具透射的峰值波長(zhǎng)就會(huì)依次掃描 到下一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)處，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具工作的透射峰依次向后選擇，使得測(cè)量范圍不局限 于一個(gè)自由光譜范圍，獲得比現(xiàn)有FP干涉儀更大的測(cè)量范圍。
[0012] 本發(fā)明還提供了一種極高分辨率光譜測(cè)量方法，包括下述步驟：
[0013] (1)采用光學(xué)濾波器將待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為分立的窄帶成分；
[0014] (2)采用SBS濾波器將其中一個(gè)窄帶成分放大；
[0015] (3)采用探測(cè)器將放大后的窄帶成分轉(zhuǎn)換為電流；
[0016] (4)控制模塊控制光學(xué)濾波器和SBS濾波器增益峰對(duì)信號(hào)波長(zhǎng)掃描；
[0017] (5)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)電流進(jìn)行采集處理得到信號(hào)光譜。
[0018] 其中，所述FP標(biāo)準(zhǔn)具透射峰和所述SBS濾波器對(duì)波長(zhǎng)掃描速度相等。
[0019] 其中，利用所述FP干涉儀結(jié)合SBS效應(yīng)，測(cè)量信號(hào)光譜獲得極高分辨率的同時(shí)獲 得比現(xiàn)有FP干涉儀更大的測(cè)量范圍。
[0020] 本發(fā)明可以提高光譜測(cè)量的分辨率，而且具有很大的測(cè)量范圍。由于利用FP干涉 儀結(jié)合SBS效應(yīng)進(jìn)行光譜測(cè)量，裝置的分辨率由FP干涉儀的分辨率決定，可以通過(guò)設(shè)置FP 干涉儀的參數(shù)來(lái)使系統(tǒng)獲得極高分辨率；另一方面，F(xiàn)P干涉儀工作電壓采用鋸齒波，設(shè)置 其與可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)掃描速度相匹配，利用SBS增益峰對(duì)FP標(biāo)準(zhǔn)具工作的透射峰依次 進(jìn)行選擇，使得測(cè)量范圍不再局限于一個(gè)FSR，獲得比現(xiàn)有FP干涉儀更大的測(cè)量范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的極高分辨率光譜測(cè)量方法的整體流程示意圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的極高分辨率光譜測(cè)量裝置的原理示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的極高分辨率光譜測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的極高分辨率光譜測(cè)量裝置的時(shí)序示意圖，其中a表示 控制模