一種基於受激布裡淵效應的光譜分析系統及方法與流程
2023-07-27 18:54:16
本發明屬於光譜分析技術領域，具體涉及一種基於受激布裡淵效應的光譜分析系統及方法。
背景技術：
光譜分析是諸如通信、傳感、分子光譜儀、微波生成等光學應用中的關鍵診斷工具。例如使用光學方法對光纖通信系統中傳輸的超高速率信號進行光譜測量得到調製頻率近似值，是診斷和監視傳輸信號的一種有效手段；雷射光譜包含輻射特性大部分信息，因此雷射光譜測量對於光學網絡的設計和實現具有重要作用。目前，常用的是基於光柵衍射的光譜分析儀，它具有寬光譜範圍和高掃描速度等優點，通常其最好的儀器解析度被限制在～2GHz。需要更高解析度時，通常採用基於均差或外差技術的光譜分析儀。均差技術需要一個頻率很接近待測源的本地振蕩器，通常難以實現，特別是對於超高解析度(<10MHz)。外差技術可克服這一缺陷，雖然該技術較為主流，但其缺點也很明顯，它需要諸如聲光調製器和RF或微波源等昂貴光學元件驅動；需要很長的光纖，例如5KHz解析度需要40Km光纖，此時光纖的損耗和非線性效應不能忽略，這會影響最終的信號。隨著新一代光網絡發展，特別是各種先進調製格式的應用，以及新型光學器件的發展，他們通常需要pm量級或更好的光譜分辨能力，以上光譜分析技術顯然難以滿足應用需求。針對這一現狀，出現了一種很有前途的高光譜分析原理--基於光纖受激布裡淵效應。該光譜分析的基本原理是，受激布裡淵散射允許選擇待測光學信號的特定光譜成分放大以進行分析。即待測信號與特性波長的窄帶泵浦信號按相向傳播方向注入光纖，當泵浦信號強度足夠大，並且滿足所需的空間相干性時，會在光纖中發生受激布裡淵效應，產生一個與泵浦信號傳播方向相反的後向散射信號，該信號頻率等於泵浦信號頻率加上與泵浦信號頻率相關的布裡淵頻移，後向散射信號強度由泵浦信號和待測信號強度決定，同時也與相互作用的光纖類型、長度、偏振特性等因素有關。因此通過不斷改變入射泵浦信號頻率，就可實現對待測信號對應頻率範圍的光譜成分測量。目前已有的幾個基於受激布裡淵效應的光譜分析技術，他們的最好光譜解析度能力由於受激布裡淵增益曲線譜寬的限制，最好水平只能到數十MHz，並且由於待測信號未放大組分等背景信號的存在，帶外光譜的光學抑制比較差，限制了該技術的發展。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的上述技術問題，本發明提出了一種解析度增強的基於受激布裡淵效應的超高光譜分析系統及方法，設計合理，克服了現有技術的不足，具有良好的推廣價值。為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：一種基於受激布裡淵效應的光譜分析系統，包括窄帶可調諧雷射器、幅度調製器、布裡淵譜銳化組件、偏振控制器、光學環路器、單模光纖鏈路、光隔離器、探測系統以及控制和數據採集系統；所述窄帶可調諧雷射器，被配置為用於產生泵浦信號；所述幅度調製器，被配置為用於對輸入的泵浦信號進行幅度調製；所述布裡淵譜銳化組件，由分束器、馬赫-曾德調製器、第一摻鉺光纖放大器、第二摻鉺光纖放大器、第一偏振控制器、第二偏振控制器以及耦合器組成，被配置為用於產生光譜解析度增強所需的受激布裡淵增益和衰減泵浦信號；所述光學環路器，被配置為用於使受激布裡淵後向散射光和泵浦信號光在光纖末端解耦合而不引起信號光功率的損失；所述單模光纖鏈路，被配置為用於提供泵浦信號和待測信號相互作用產生受激布裡淵效應所需的介質；所述光隔離器，被配置為用於阻止任何可能干擾外部待測信號源輸出光學信號；所述偏振控制器，包括第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和第四偏振控制器；所述第一偏振控制器、第二偏振控制器和第三偏振控制器，被配置為用於控制待測信號和泵浦信號間的偏振狀態；所述第四偏振控制器，被配置為用於提取受激布裡淵效應產生的相關放大譜信號，抑制無關背景信號的幹擾；所述探測系統，採用同步探測工作模式，被配置為用於探測受激布裡淵效應產生的相關放大譜信號；所述控制和數據採集系統，被配置為用於採集並獲取探測系統輸出的光譜信號並控制整個光譜分析系統的工作；窄帶可調諧雷射器產生泵浦信號並傳輸至幅度調製器，幅度調製器對泵浦信號進行幅度調製後傳輸至布裡淵譜銳化組件，布裡淵譜銳化組件中的分束器將泵浦信號分為增益泵浦信號和衰減泵浦信號，並分別傳輸至第一摻鉺光纖放大器和馬赫-曾德調製器；馬赫-曾德調製器對衰減泵浦信號進行頻率調製，產生滿足要求的以增益譜信號峰值頻率為中心對稱分布的一對衰減泵浦信號，第一摻鉺光纖放大器和第二摻鉺光纖放大器分別對增益泵浦和一對衰減泵浦信號進行放大處理，並分別傳輸至第一偏振控制器和第二偏振控制器，第一偏振控制器和第二偏振控制器分別對增益泵浦和一對衰減泵浦信號進行偏振控制，並傳輸至耦合器，經過耦合器處理的泵浦信號經光學環路器進入單模光纖鏈路的一端；外部待測信號經過光隔離器和第三偏振控制器進入單模光纖鏈路的另一端；泵浦信號和待測信號在單模光纖鏈路中發生受激布裡淵效應，產生受激布裡淵後向散射輸出信號，即受激布裡淵放大譜信號，並傳輸至光學環路器，光學環路器將泵浦信號和受激布裡淵放大譜信號分開，並傳輸至第四偏振控制器，第四偏振控制器提取有效的受激布裡淵放大譜信號，並傳輸至探測系統，探測系統採用同步探測方案探測第四偏振控制器輸出的受激布裡淵放大譜信號，並傳輸至控制與數據採集系統，通過控制與數據採集系統完成數據的採集與獲取並控制光譜分析系統的工作。優選地，該系統還包括波長標定模塊，其包括基於法布裡-珀羅標準具的相對定標器和基於氣體池的絕對定標器，被配置為用於對獲取的光譜數據進行波長標定。優選地，所述窄帶可調諧雷射器採用外腔式可調諧雷射器。優選地，所述單模光纖鏈路採用雙折射單模光纖。此外，本發明還提到一種基於受激布裡淵效應的光譜分析方法，該方法採用上述的一種基於受激布裡淵效應的光譜分析系統，包括如下步驟：步驟1：窄帶可調諧雷射器產生泵浦信號並傳輸至幅度調製器；步驟2：幅度調製器對泵浦信號進行幅度調製後傳輸至布裡淵譜銳化組件；步驟3：布裡淵譜銳化組件中的分束器將泵浦信號分為增益泵浦信號和衰減泵浦信號，並分別傳輸至第一摻鉺光纖放大器和馬赫-曾德調製器；步驟4：布裡淵譜銳化組件中的馬赫-曾德調製器對衰減泵浦信號進行頻率調製，以產生滿足要求的以增益譜信號峰值頻率為中心對稱分布的一對衰減泵浦信號；步驟5：布裡淵譜銳化組件中的第一摻鉺光纖放大器和第二摻鉺光纖放大器分別對增益泵浦和一對衰減泵浦信號進行放大處理，並分別傳輸至第...