CN102914423B - 一种色散光纤凹陷频率测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种色散光纤凹陷频率测量方法，属于光电子技术领域。本发明的主旨在于解决了现有技术中传统方法无法准确测量凹陷频率的技术问题，具有抗外界干扰能力强、测量精度高、操作方便的优点。该装置包括：波长可调谐激光器、偏振控制器、电光调制器、微波信号源、第一光纤连接器、待测色散光纤、第二光纤连接器、光电探测器、微波功率计、数据采集与处理系统。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及到光纤通信技术和光电信号处理技术，具体涉及一种色散光纤凹陷频率测量装置及其方法。
背景技术
在现代光纤通信中，光纤色散是限制通信网络光信号高速率、高质量传输的重要因素。光纤色散对不同波长的光信号产生不同的群延时，造成了脉冲展宽, 引起码间干扰，使误码率提高，降低通信质量。
在光载微波传输系统中，光纤色散将引起微波副载波的上下两个边带产生相位差，使得接收到的微波信号产生衰落（Fading）。B.Christensen等人报道指出，强度调制的光载微波信号在长距离光纤传输，光纤色散将导致微波副载波周期性衰落，呈现类似余弦函数关系，即在某些频点，微波副载波功率最大；而在某些频点，微波副载波功率达到最小值零（见文献B. Christensen, J. Mark, G. Jacobsen, and E. Bodtker, "Simple dispersion measurement technique with high resolution". Electronics Letters, 1993, Vol. 29, No.1, pp. 132-134.）。通常将微波副载波功率为零时对应的微波频率称为凹陷频率（Notch Frequency）。N.G. Walker等人在研究相位调制的光载微波信号传输时发现，光纤色散也会导致微波副载波周期性衰落，呈现类似正弦函数关系（N. G. Walker, D. Walker, and I. C. Smith, "Efficient millimeter-wave signal generation through fm-im conversion in dispersive optical fiber links", Electronics Letters, 1992, Vol. 28, No. pp. 2027-2028.），同样具有凹陷频率特征。在强度调制的光载微波传输系统中，凹陷频率与光纤的色散和电光调制器的啁啾系数相关；在相位调制的光载微波传输系统中，凹陷频率仅由光纤的色散决定。
光载微波信号在色散光纤中呈现的周期性衰落现象被广泛用于微波光子滤波、光纤色散测量、光学微波倍频等等微波光子信号处理技术中。在这些应用中如何准确求得具有指示性的凹陷频率是个难题。根据定义，凹陷频率调制下的光载微波信号经色散光纤传输后的功率为零，测量仪器只能检测到噪声水平之上的信号，如果信号很弱，将会被噪声淹没，此时检测到的是噪声而非真正有用信号。从已经发表的文献报道来看，实验中均将测量仪器所能检测到的功率最小（而非零）的微波信号的频率视作凹陷频率，因此，实验得到的是最接近凹陷频率的某一测量值，而非凹陷频率本身。实际上，由于凹陷频率处的微波信号功率为零，实验仪器是无法检测到真正的凹陷频率的。
发明内容
本发明目的在于为了解决背景技术中传统方法无法准确测量凹陷频率的技术问题而提供一种基于曲线拟合的凹陷频率测量装置及其方法，以提高凹陷频率测量的精度。
为了实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种色散光纤凹陷频率测量装置，其特征在于：包括，波长可调谐激光器、偏振控制器、电光调制器、微波信号源、第一光纤连接器、第二光纤连接器、待测色散光纤、光电探测器、微波功率计、数据采集与处理系统；
所述数据采集与处理系统包括：数据采集卡和计算机；
所述波长可调谐激光器、偏振控制器、电光调制器、待测色散光纤与光电探测器之间依次光路连接；
所述微波信号源与电光调制器之间为电路连接；
所述光电探测器、微波功率计、数据采集卡、计算机与微波信号源之间依次电路连接。
上述方案中，所述波长可调谐激光器是半导体波长可调谐激光器或光纤波长可调谐激光器。
上述方案中，所述电光调制器是电光强度调制器或电光相位调制器。
本发明还提供了一种采用上述色散光纤凹陷频率测量装置的色散光纤凹陷频率测量方法，其特征在于包括以下步骤，
1）、波长可调谐激光器输出的光波经偏振控制器输入到电光调制器，由微波信号源输出的微波信号经由电光调制器调制到光载波上，电光调制器输出的微波调制光载波经第一光纤连接器进入待测色散光纤，然后由第二光纤连接器进入光电探测器，由光电探测器输出电信号，
2）、所述电信号再由微波功率计进行功率测量即微波功率，经数据采集卡采集至计算机进行数据处理与分析，得到光电探测器输出的微波功率随微波信号源扫描输出微波频率变化的曲线；
3）、在曲线上找到任一频率不为零的微波功率极小点对应的频率，截取该频率附近两侧至邻近峰值功率的数据点，并将极小点两侧的数据点其中一侧取相反数，得到一组新的数据点和曲线；
4）、利用最小二乘法对该曲线进行多项式拟合，得到该多项式在功率极小点附近的根即为色散光纤的凹陷频率。
因为本发明采用了上述技术方案，所以具备以下有益效果：
一、本发明色散光纤凹陷频率测量装置及其方法，单路光载波信号在待测色散光纤中进行传输，外界环境引起的附加相位噪声对调制上下边带是相同的，在光电探测器探测时相减会抵消掉，因此该测量装置可以很好抵抗外界环境干扰，从而实现对凹陷频率的准确测量。
二、本发明色散光纤凹陷频率测量装置及其方法，在获得待测色散光纤在某个波段的凹陷频率时，只需对波长可调谐激光器的输出光波长进行扫描，通过监测分析输出微波功率的变化即可，具有效率高的优点。
三、本发明色散光纤凹陷频率测量装置及其方法，通过第一光纤连接器和第二光纤连接器将待测光纤器件与电光调制器输出端及光电探测器输入端相连，可以对单模光纤、光纤光栅、色散补偿光纤等的色散光纤的凹陷频率进行测量，具有操作简便的优点。
附图说明
图1是本发明色散光纤凹陷频率测量装置图；
图2是本发明实施例中经光电探测器输出的微波功率随微波信号源扫描频率变化的曲线图；
图3是本发明实施例中第一凹陷频率附近截取测量数据与对应频率的拟合曲线图；
图4是本发明实施例中第二凹陷频率附近截取测量数据与对应频率的拟合曲线图；
图5是本发明实施例中第三凹陷频率附近截取测量数据与对应频率的拟合曲线图；
图6是三个凹陷频率平方与对应阶次的线性关系图，并与采用最小值法所得到曲线进行对比；
图中：
1-波长可调谐激光器；2-偏振控制器；3-电光调制器；4-微波信号源；51-第一光纤连接器；52-第二光纤连接器；6-待测色散光纤；7-光电探测器；8-微波功率计；91-数据采集卡；92-计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种色散光纤凹陷频率测量装置包括：波长可调谐激光器1、偏振控制器2、电光调制器3、微波信号源4、第一光纤连接器51、第二光纤连接器52、待测色散光纤6、光电探测器7、微波功率计8、数据采集与处理系统9。
上述数据采集与处理系统9包括：数据采集卡91和计算机92。
本发明色散光纤的凹陷频率测量装置及使用方法的工作原理为：
波长可调谐激光器1输出的光载波经偏振控制器2输入到电光调制器3，由微波信号源4输出的微波信号经由电光调制器3调制到光载波上，电光调制器3输出的微波调制光载波经第一光纤连接器51进入待测色散光纤6，然后由第二光纤连接器52进入光电探测器7进行光电转换，光电探测器7输出电信号再由微波功率计8进行功率测量，功率测量数据经数据采集卡91采集至计算机92进行数据处理与分析。调制于光载波上的两个微波边带在经过待测色散光纤6传输过程中，分别获得不同的附加相位，经过光电探测器7探测后，微波功率计8测得的微波功率可表示为微波调制频率的函数。当电光调制器为电光强度调制器时，此函数关系为
（1）
当电光调制器为电光相位调制器时，此函数关系式为
（2）
式（1）和（2）中，A为波长可调谐激光器1输出光波的幅度，f为微波信号源4输出的微波信号频率，u为正整数，f u 为第u阶凹陷频率，α为电光强度调制器的线宽增强因子。可以看出，不论是相位调制还是强度调制，当微波信号源4扫描频率发生改变时，光电探测器8输出的微波信号功率随着微波信号源4的扫描输出频率呈现周期性变化，因此，通过监测分析输出微波功率的变化可以得到微波功率与微波信号源扫描输出微波频率的曲线。标记出曲线的上第u个功率极小点，截取功率极小点两侧直至邻近峰值功率处的一组数据点，将该组数据点中功率极小点的单侧，即左侧或者右侧，数据取相反数，变换后得到一组新数据(f i , P i ) (i=1,2,…，n)；利用最小二乘法对该组新数据进行多项式拟合，即寻找多项式函数使得最小；求解多项式方程的根，，其中介于和之间的根即为色散光纤的u阶凹陷频率。
当波长可调谐激光器1扫描输出波长发生改变时，重复以上步骤，可以得到不同工作波长下的凹陷频率。在相位调制情形下，通过求得的u阶凹陷频率可以反推色散光纤的色散，关系式为
（3）
在强度调制情形下，通过绘出凹陷频率平方与其阶数u的关系，也可以得到色散和强度调制器啁啾因子，其表达式为
（4）
实施例
图1是本发明的色散光纤的凹陷频率测量装置结构示意图。波长可调谐激光器1输出的光载波经偏振控制器2输入到电光调制器3，由微波信号源4输出的微波信号经由电光调制器3调制到光载波上，电光调制器3输出的微波调制光载波经第一光纤连接器51进入待测色散光纤6，然后由第二光纤连接器52进入光电探测器7进行光电转换，光电探测器7输出电信号再由微波功率计8进行功率测量，功率测量数据经数据采集卡91采集至计算机92进行数据处理与分析。调制于光载波上的两个微波边带在经过待测色散光纤6传输过程中，分别获得不同的附加相位，经过光电探测器7探测后，微波功率计8测得的微波功率与微波调制频率一一对应存储于计算机92，通过监测分析输出微波功率的变化可以得到微波功率与微波信号源扫描输出微波频率的曲线。在曲线上找到任一频率不为零的微波功率极小点对应的频率，截取该频率附近两侧至邻近峰值功率的数据点，并将极小点两边的数据点其中一侧取相反数，得到一组新的数据点和曲线；利用最小二乘法对该曲线进行多项式拟合，得到该多项式在极小点附近的根即为色散光纤的凹陷频率。
波长可调谐激光器1采用半导体波长可调谐激光器，电光调制器3采用的是电光相位调制器，待测色散光纤6为长度为100公里的单模石英光纤。图2是利用本发明色散光纤的凹陷频率测量装置对长度为100公里的单模石英光纤测量过程中，波长可调谐激光器1的中心波长调至为1550nm，微波信号源4扫描频率从0.1~18 GHz，通过微机92输出得到的微波功率与微波信号源扫描输出微波频率的曲线。验证了在相位调制下，通过本发明色散光纤的凹陷频率测量装置测得微波功率与微波信号源扫描频率的关系确实符合公式（2），呈现正弦函数的周期性变化。图3、4、5是利用本发明色散光纤的凹陷频率测量装置与方法对图2中三处功率极小点的凹陷频率进行最小二乘法多项式拟合求解。求解三个凹陷频率分别为：8.6589GHz、12.2462GHz、14.9973GHz。图6是利用本发明色散光纤的凹陷频率测量方法得到上述三个凹陷频率平方与对应阶次的线性关系图，可以得出，第u阶凹陷频率的平方将在这条直线上出现，与其阶次一一对应，并且此直线通过零点，说明此曲线符合公式（3），与之前采用最小值法直接测量得到凹陷频率平方与对应阶次的曲线进行对比，采用最小值法得到三个凹陷频率为：8.8GHz、12GHz、15.2GHz，画出凹陷频率平方与对应凹陷频率阶次的曲线，发现三点不在同一直线上，说明采用本发明色散光纤的凹陷频率测量方法得到的凹陷频率更精确。
Claims (3)
1.一种色散光纤凹陷频率测量方法，色散光纤凹陷频率测量装置包括，波长可调谐激光器（1）、偏振控制器（2）、电光调制器（3）、微波信号源（4）、第一光纤连接器（51）、第二光纤连接器（52）、待测色散光纤（6）、光电探测器（7）、微波功率计（8）、数据采集与处理系统（9）； 所述数据采集与处理系统（9）包括：数据采集卡（91）和计算机（92）；所述波长可调谐激光器（1）、偏振控制器（2）、电光调制器（3）、待测色散光纤（6）与光电探测器（7）之间依次光路连接；所述微波信号源（4）与电光调制器（3）之间为电路连接；所述光电探测器（7）、微波功率计（8）、数据采集卡（91）、计算机（92）与微波信号源（4）之间依次电路连接，其特征在于，
包括以下步骤：1）、波长可调谐激光器（1）输出的光波经偏振控制器（2）输入到电光调制器（3），由微波信号源（4）输出的微波信号经由电光调制器（3）调制到光载波上，电光调制器（3）输出的微波调制光载波经第一光纤连接器（51）进入待测色散光纤（6），然后由第二光纤连接器（52）进入光电探测器（7），由光电探测器（7）输出电信号；
2）、光电探测器（7）输出的电信号再由微波功率计（8）进行功率测量，功率测量数据经数据采集卡（91）采集至计算机（92）进行数据处理与分析，调制于光载波上的两个微波边带在经过待测色散光纤（6）传输过程中，分别获得不同的附加相位，经过光电探测器（7）探测后，微波功率计（8）测得的微波功率与微波信号源扫描输出微波频率一一对应存储于计算机（92），通过监测分析输出微波功率的变化，得到微波功率随微波信号源扫描输出微波频率的曲线；
3）、在曲线上找到任一频率不为零的微波功率极小点对应的频率，截取该频率附近两侧至邻近峰值功率的数据点，并将极小点两侧的数据点其中一侧取相反数，得到一组新的数据点和曲线；
4）、利用最小二乘法对该曲线进行多项式拟合，得到该多项式在功率极小点附近的根即为色散光纤的凹陷频率。
2.根据权利要求1所述的一种色散光纤凹陷频率测量方法，其特征在于，所述波长可调谐激光器（1）是半导体波长可调谐激光器或光纤波长可调谐激光器。
3.根据权利要求1所述的一种色散光纤凹陷频率测量方法，其特征在于，所述电光调制器（3）是电光强度调制器或电光相位调制器。
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