技术领域
[0001] 本
发明涉及一种基于光频梳的高分辨率光谱测量系统。
背景技术
[0002] 高
频率分辨率的光谱仪对日新月异的光技术发展极为重要。高
频谱分辨能
力的光谱测量技术会使多种新兴技术受益，例如气体分子的识别、
生物药物识别及新型光器件的性能测试(如集成高Q值微环和微腔)等。在天文学中，宽范围、高频谱分辨能力的光谱测量技术，可测得极低量级(10-10)的多普勒频移υE/c，对类地行星的探测有重要意义。除此之外，在
基础物理量的测量领域，譬如监测物理量的时间抖动，需要高至Hz级别分辨率的频谱测量技术，例如氢
原子的1S-2S能级跃迁。
[0003] 目前的商用光谱测量方案为迈克尔逊干涉仪结构，其分辨率受限于两个相干臂之间的最大光程差，因此仪器的体积往往较大，能够达到的最高分辨率大约在0.01nm左右。
[0004] 2012年，北京大学和宾夕法尼亚州立大学曾提出一种光谱测量系统(Nikhil Mehta,Jingbiao Chen,Zhigang Zhang,and Zhiwen Liu,"Compressive multi-heterodyne optical spectroscopy,"Opt.Express,20,28363-28372(2012)，该方案使用了光频梳进行光谱的外差检测，但方案仅仅是原理仿真，仅能测量非相干光
信号。
发明内容
[0005] 针对
现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于光频梳的高分辨率光谱测量系统。本发明提出的基于光频梳的外差检测方式，能够适用于非相干和相干光的检测，其检测过程更为可靠，本发明基于单光频梳和光
混频器的光谱测量技术原理如图1所示。
[0006] 本发明利用光混频器将待测信号和光频梳混频，测量系统更加稳定且能够检测非相干和相干
光信号，前述方案只能检测非相干信号。
[0007] 本发明的技术方案为：
[0008] 一种基于光频梳的高分辨率光谱测量系统，其特征在于，包括
激光器、光频梳产生器、射频源、可编程光
滤波器、光混频器、两个平衡光电探测器、两个
低通滤波器和一
数据处理单元；所述激光器的输出端与所述光频梳产生器的输入端连接，用于将产生的激光输入所述光频梳产生器；所述射频源与所述光频梳产生器连接，用于驱动所述光频梳产生器产生一个重复
角频率等于射频源角频率ωm的光频梳；所述可编程光滤波器与所述光频梳产生器的输出端连接，用于对所述光频梳产生器产生的光梳进行滤波实现不同组合的外差检测
本振光；所述可编程光滤波器的输出端、待测信号光的输出端分别与所述光混频器的一输入端连接；所述光混频器的两路输出端连接一所述平衡光电探测器，所述光混频器的另两路输出端连接另一所述平衡光电探测器；两所述平衡光电探测器的输出端分别经一所述低通滤波器与所述数据处理单元连接；所述数据处理单元根据收到的信号计算得到待测信号光谱。
[0009] 进一步的，所述低通滤波器的截止频率ωLPF小于ωm。
[0010] 进一步的，所述激光器产生的激光为单频
种子光信号。
[0011] 进一步的，所述数据处理单元将一路低通滤波器的
输出信号乘以虚数j后与另一路低通滤波器的输出信号相加得到策略信号，然后根据该测量信号与测量矩阵得到待测信号光谱。
[0012] 进一步的，所述光频梳产生器的输出端经一EDFA
放大器与所述可编程光滤波器的输入端连接。
[0013] 进一步的，所述可编程光滤波器的输出端经一偏振
控制器与所述光混频器的一输入端连接。
[0014] 进一步的，所述光频梳产生器产生的光频梳为50根，相邻两根之间的频率间隔25GHz。
[0015] 与现有技术相比，本发明的积极效果为：
[0016] 本发明利用光混频器将待测信号和光频梳混频，在测量
稳定性上得到了大幅提升，不仅如此，本发明的方案能够测量几乎所有的光谱信号，而原方案只能测量非相干的信号，如ASE信号和
稀疏信号。与商用的迈克尔逊干涉仪方案相比，分辨率更高、测量速度更快。
附图说明
[0017] 图1为本发明的系统原理图；
[0018] 图2为效果对比图；
[0019] (a)北京大学和宾夕法尼亚州立大学曾提出的光谱测量系统的测量矩阵条件数仿真，
[0020] (b)本发明所提出的光谱测量系统的测量矩阵条件数仿真；
[0021] 图3为原始光频梳光谱图；
[0022] 图4为窄线宽激光器光谱测量结果图；
[0023] (a)全频段，(b)局部放大；
[0025] (a)0dBm调制功率全频段，(b)0dBm调制功率局部放大，
[0026] (c)20dBm调制功率全频段，(d)20dBm调制功率局部放大；
[0027] 图6为相位调制信号光谱测量结果图；
[0028] (a)全频段，(b)局部放大。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。
[0030] 本发明系统原理图如图1所示，其中激光器产生一个单频种子光信号，输入至光频梳产生器(Optical Frequency Comb Generator，简称OFCG)。OFCG被一个外部的射频源驱动，产生一个重复角频率等于射频源角频率ωm的光频梳。通过一个可编程的光滤波器waveshaper，可以对OFCG产生的光梳进行滤波实现不同组合的外差检测本振光。经过waveshaper产生的外差检测本振光，与待测的信号光通过一个光混频器接收。光混频器的输出有四路，分别连接两个平衡光电探测器(光混频器的思路输出相位分别相差0，90°，180°，270°，其中
相位差为0度和180度的两路接一个平衡PD，相差90°和270°的两路接一个平衡PD)。经过光电转换后的两路信号分别经过一个低通滤波器LPF。低通滤波器的截止频率为ωLPF，ωLPF略微小于ωm。滤波后的信号被
采样板卡采样，采样板卡具有两路A/D，用以计算待测信号光谱。
[0031] 设OFCG产生的光梳齿总共有N根，第一根的角频率为ω0，重复频率为ωm。光频梳的表达式如下：
[0032]
[0033] 其中Ecomb是光频梳的输出光场。I0(n)是光频梳第n个梳齿的光功率。ωn＝ω0+nωm为第n个梳齿的角频率。
[0034] 记Es(ω)为信号光的
电场分布，Ps(ω)为信号光的光率谱
密度，二者满足下式：
[0035]
[0036] 光混频器的前两路输出分别为Ecomb+Es和Ecomb-Es。经过平衡检测后的信号为:
[0037]
[0038] 其中Es(ω)为es(t)的傅里叶变换，Ecomb(ω)为ecomb(t)的傅里叶变换。光电探测后的信号经过一个截止频率为ωLPF的低通滤波器，ωLPF略微小于ωm。因此，所有频率大于ωm的
拍频成分可以被忽略，经过LPF的信号频谱变为：
[0039]
[0040] 其中，Ω是
电信号的角频率，电信号的频谱为M(Ω)为m(t)的傅里叶变换。
[0041] 光混频器的后两路输出分别为Ecomb+jEs和Ecomb-jEs。经过平衡检测后的信号为:
[0042]
[0043] 将两路信号做一个简单的运算可得
[0044]
[0045] 为了求解待测信号的
功率谱，需要对待测信号进行多次测量，可将测量过程写为如下的矩阵形式：
[0046] Mc[K×1]＝F[K×N]Es[N×1] (7)
[0047] 其中F[K×N]为由光频梳功率的开方组成的测量矩阵，Es[N×1]是N次测量的条件下公式(6)中的Es写成矩阵的形式得到，Mc[K×1]即为公式(6)中Mc的矩阵形式。上式的结果表明，待测的未知数、已知的测量矩阵和测量结果之间组成线性关系。原理上，同样可通过矩阵逆运算得到未知数的解。
[0048] 测量矩阵病态性优化
[0049] 对线性矩阵运算来说，衡量测量矩阵的病态性意义重大。当测量矩阵有微小的偏差时，若求解得到的信号与原信号变化很大，则称测量矩阵是病态的，反之称为稳定的或者良性的。
[0050] 测量系统的病态程度通常用条件数来衡量。矩阵的条件数定义如下：
[0051] condP(A)＝||A||P·||A-1||P (8)
[0052] 其中||A||P是矩阵A的P范数。矩阵的条件数越大，则矩阵越病态，解越不稳定。
[0053] 图2(a)是北京大学和宾夕法尼亚州立大学曾提出的光谱测量系统(Nikhil Mehta,Jingbiao Chen,Zhigang Zhang,and Zhiwen Liu,"Compressive multi-heterodyne optical spectroscopy,"Opt.Express,20,28363-28372(2012).)的测量矩阵条件数仿真。该方案利用一个2×2光
耦合器和一个平衡PD进行外差检测。光频梳中包含50根梳齿。纵坐标为条件数的对数坐标，横坐标为测量次数。当测量次数小于50次时，由于矩17
阵的秩小于未知数个数，因此条件数在10 数量级，是一个非常病态的情况。即便测量次数大于50，矩阵的条件数仍在1000以上，直接对线性系统求解仍然无法得到准确稳定的解。
[0054] 图2(b)是本发明所提出的光谱测量系统的测量矩阵条件数仿真。同样设光频梳中包含50根梳齿。纵坐标为条件数的对数坐标，横坐标为测量次数。当测量次数小于50次时，2
条件数在10数量级，是一个良性的情况。
[0055] 从对比来看，本发明提出的光谱测量系统，在测量稳定性上得到了大幅提升，不仅如此，本发明的方案能够测量几乎所有的光谱信号，而原方案只能测量非相干的信号，如ASE信号和稀疏信号。
[0056] 实验结果
[0057] 本发明选取50根光梳齿作为外差本振光。产生的光频梳经过EDFA放大后，输入可编程光滤波器waveshaper。Waveshaper由计算机控制，产生已知的随机谱形状组合。Waveshaper的输出信号经过偏振控制器后，输入光混频器的一个输入端。待测信号光输入光混频器的第二个输入端。混频器的四个输出分别用两个平衡光电探测器进行光电转换，经过低通滤波器后被采样示波器digital storage oscilloscope(简称DSO)采样。采样后的信号输出至计算机进行数值计算。
[0058] 光频梳一共50根，每根之间的频率间隔25GHz，因此光频梳的
覆盖范围为49×25GHz＝1.225THz。根据之前的分析，实验需要采样率大于50G，在设备选择性有限的条件下，实际使用的采样率是80G。DSO每次的采样点数是16000个点，根据上述分析频谱分辨率为80G/16000＝5MHz。
[0059] 图3显示了原始的光频梳光谱图。一共50根光梳齿，覆盖1.225THz的光谱。
[0060] 本发明选取了窄线宽激光器、相位调制信号和ASE噪声信号对所述系统的高分辨能力进行了验证，如图4、图5和图6所示。在实验中，本发明用
压缩感知的技术手段将理论上50次以上的测量数要求减少至25次。大幅减少了测量时间。测量时间受限于waveshaper的
10Hz刷新速率，完整的测量理论时间约为2.5s。
