一种极高分辨率光谱测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学测量技术领域，更具体地，涉及一种极高分辨率光谱测量装置及 方法。
【背景技术】
[0002] 光谱测量在光通信领域扮演着非常重要的角色，在光信号的传输过程中，可以通 过分析光信号的光谱来对其各项性能指标进行监测。随着系统容量的需求增加，正交频分 复用（OFDM)等复用技术逐渐投入使用，信道间频率间隔大大减小，达到10MHz量级，传统的 光谱测量技术已不能满足分辨率的要求。另一方面，观察激光器的张弛振荡效应、光调制器 的啁啾特性等细节也对光谱测量装置的分辨率提出了更高的要求。因此，提高光谱测量装 置的分辨率显得尤为重要。
[0003] 传统的光谱测量装置是基于衍射光栅的，仅能达到1GHz左右的分辨率；而基于相 干检测、基于受激布里渊散射效应的光谱测量技术可以达到10MHz左右的分辨率。法布里 珀罗（FP)干涉仪用于测量信号光谱可以获得优于上述光谱仪的分辨率，这里将优于10MHz 的分辨率称为极高分辨率。FP干涉仪由FP标准具、压电换能器以及波形发生器组成，是一 种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪，其中两块玻璃板相对的内表面都具有高反射 率。当入射光的波长满足其共振条件时，其透射频谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射 率。具有极高分辨率这个优点使得FP干涉仪主要应用于测量分辨率要求较高的场合，例 如用于超高分辨率激光器线宽测量、分析模式结构和稳定性、波长啁啾、抖动和漂移等；FP 干涉仪还被用于超高分辨率光谱测量，包括化学分析、发射吸收线等。文献报道FP干涉仪 用于测量激光器模式频率间隔实验中可以获得1MHz的准确度，但是实验测量范围仅仅为 10MHz~1GHz，说明FP干涉仪可以获得极高分辨率，但同时也受测量范围较小的限制。
[0004] 图书（Hui R，0, Sullivan M. Fiber optic measurement techniques[M]? Academic Press，2009:154~168)描述了 FP干涉仪的精细度、自由光谱范围以及带宽之间的关系，它 的优点是可以获得比传统光谱仪高的分辨率，但是具有测量波长范围小的缺点，限制了它 的应用。美国专利US6697159B2公开了一种FP干涉仪结合光栅进行光谱测量的装置，利用 光栅测量范围大但分辨率低、FP干涉仪分辨率高但测量范围小的特点，将两者结合工作，获 得较高分辨率的同时也能获得较大的测量范围。该方案用于探测光栅衍射光的探测器比较 复杂，而且分辨率跟光栅以及探测器有关，还具有一定的局限性。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种极高分辨率光谱测量装置及方法，其目 的在于提高光谱测量的分辨率的同时获得比现有FP干涉仪更大的测量范围。
[0006]本发明提供了一种极高分辨率光谱测量装置，包括FP干涉仪、SBS滤波器、探测 器、数据采集模块和控制模块；所述FP干涉仪的第一输入端用于连接待测信号，所述FP干 涉仪的第二输入端连接至所述控制模块的第一输出端；所述SBS滤波器的第一输入端连接 至所述FP干涉仪的输出端，所述SBS滤波器的第二输入端连接至所述控制模块的第二输出 端；所述探测器的输入端连接至所述SBS滤波器的第一输出端，所述数据采集模块的第一 输入端连接至所述探测器的输出端，所述数据采集模块的第二输入端连接至所述SBS滤波 器的第二输出端；所述控制模块的输入输出端连接至所述数据采集模块的输出输入端；所 述FP干涉仪用于将待测信号转换为分立的窄带成分，由于其具有很小的-3dB带宽，因此具 有极高分辨率；所述SBS滤波器选择放大其中一个窄带成分，产生的后向散射信号经所述 探测器后转换为电流信号，所述数据采集模块对其进行采集处理；所述控制模块发出信号 控制所述FP干涉仪和所述SBS滤波器同步扫描，SBS增益峰对所述FP干涉仪工作的透射峰 依次进行选择，使得测量范围不再局限于一个自由光谱范围（free spectral range, FSR)， 从而获得比现有FP干涉仪更大的测量范围。
[0007] 更进一步地，所述FP干涉仪包括FP标准具、压电换能器和波形发生器；所述FP标 准具的第一输入端作为所述FP干涉仪的第一输入端，所述FP标准具的输出端作为所述FP 干涉仪的输出端，所述波形发生器的输入端作为所述FP干涉仪的第二输入端；所述压电换 能器的输入端连接至所述波形发生器的输出端，所述FP标准具的第二输入端连接至所述 压电换能器的输出端；所述压电换能器与所述FP标准具的一个腔镜相连，用于改变FP腔 长，进而改变透射的信号波长；所述波形发生器给所述压电换能器提供工作电压，这里设置 为锯齿波电压，结合SBS增益峰的扫描对FP透射峰进行选择，获得比现有FP干涉仪更大的 测量范围。
[0008] 更进一步地，所述SBS滤波器包括隔离器、非线性光纤、偏振控制器、环形器、光放 大器和可调谐激光器；所述隔离器的输入端作为所述SBS滤波器的第一输入端连接至所述 FP标准具的输出端，所述非线性光纤的第一端与所述隔离器的输出端连接，所述偏振控制 器的第一端与所述非线性光纤的第二端相连，所述环形器的第二端与所述偏振控制器的第 二端相连；所述环形器的第三端作为所述SBS滤波器的第一输出端与所述探测器的输入端 与相连，所述光放大器的输出端与所述环形器的第一端相连；所述可调谐激光器的第一输 出端与所述光放大器的输入端相连，所述可调谐激光器的第二输出端作为所述SBS滤波器 的第二输出端与所述数据采集模块的第二输入端相连；所述可调谐激光器的输入端作为所 述SBS滤波器的第二输入端与所述控制模块的第一输出端相连。
[0009] 其中，工作时，通过调整所述FP标准具以及所述可调谐激光器的参数，使得待测 信号某个窄带成分对准SBS增益峰值，而左右相邻的窄带成分恰好不处于-3dB带宽内。
[0010] 更进一步地，所述压电换能器的工作电压为锯齿波。
[0011] 更进一步地，电压每变化一个周期，所述FP标准具透射的峰值波长就会依次扫描 到下一个峰值对应的波长处，FP标准具工作的透射峰依次向后选择，使得测量范围不局限 于一个自由光谱范围，获得比现有FP干涉仪更大的测量范围。
[0012] 本发明还提供了一种极高分辨率光谱测量方法，包括下述步骤：
[0013] (1)采用光学滤波器将待测信号转换为分立的窄带成分；
[0014] (2)采用SBS滤波器将其中一个窄带成分放大；
[0015] (3)采用探测器将放大后的窄带成分转换为电流；
[0016] (4)控制模块控制光学滤波器和SBS滤波器增益峰对信号波长扫描；
[0017] (5)数据采集模块对电流进行采集处理得到信号光谱。
[0018] 其中，所述FP标准具透射峰和所述SBS滤波器对波长扫描速度相等。
[0019] 其中，利用所述FP干涉仪结合SBS效应，测量信号光谱获得极高分辨率的同时获 得比现有FP干涉仪更大的测量范围。
[0020] 本发明可以提高光谱测量的分辨率，而且具有很大的测量范围。由于利用FP干涉 仪结合SBS效应进行光谱测量，装置的分辨率由FP干涉仪的分辨率决定，可以通过设置FP 干涉仪的参数来使系统获得极高分辨率；另一方面，FP干涉仪工作电压采用锯齿波，设置 其与可调谐激光器的波长扫描速度相匹配，利用SBS增益峰对FP标准具工作的透射峰依次 进行选择，使得测量范围不再局限于一个FSR，获得比现有FP干涉仪更大的测量范围。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明实施例提供的极高分辨率光谱测量方法的整体流程示意图；
[0022] 图2为本发明实施例提供的极高分辨率光谱测量装置的原理示意图；
[0023]图3为本发明实施例提供的极高分辨率光谱测量装置的结构示意图；
[0024]图4为本发明实施例提供的极高分辨率光谱测量装置的时序示意图，其中a表示 控制模