用于测量光信号的线宽的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及使用相干光信号进行的光通信，并且更具体而言，涉及用于测量光信 号的线宽的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 光传输系统被用于各种通信应用中。例如，电信系统能够利用光纤技术来长距离 地发送语音和数据信号。类似地，有线电视网络用光纤技术来发送模拟信号和数字信号两 者。为了通过光纤来发送信号（例如，数据信号），用信息信号来调制光束（"载波"）。经 调制的载波随后经由光纤被发送到接收器。
[0003] 相干光通信系统利用光学载波的相位来显著地增加光通信的能力和距离。为了在 接收器端提取相位信息，光源必须具有非常窄的光谱线宽，即，高频纯度。已经进行了相当 大的努力以提供以窄光谱线宽来运行的激光光源。为此目的，已经开发出测量激光束的线 宽以确定相干光通信中的激光的适应性的多种方法。
[0004] 相干光学传输对于承受包括噪声的激光束的线宽是敏感的，该噪声包括白调频 (FM)噪声和低频（LF)FM噪声。在整个频率范围内，白FM噪声是恒定级别的。当频率变低 时，LF FM噪声具有较高的噪声级别，这也被称为Ι/f噪声。然而，只有白FM噪声影响相干 光学传输的质量，而LF FM噪声可被光信号的接收器消除，或者并不影响接收器性能。因此， 需要测量光信号的线宽和测量值的噪声分量来理解激光相对于相干光通信的适应性。
[0005] 例如，在 T. Okoshi 等人的"Novel method for high resolution measurement of laser output spectrum(用于激光输出光谱的高分辨率测量的新型方法）"（Electronics Letters (《电子快报》），第16卷，第630页（1980))中描述的一种方法使用简单延迟自外 差法来测量线宽，但没有将白FM噪声和LF FM噪声分离。
[0006] 在 Y. Yamamoto 等人的 "Quantum phase noise and 1 inewidth of a semiconductor laser (半导体激光的量子相位噪声和线宽）"(Electronics Letters (《电 子快报》)，第17卷，第327页（1981))中描述的另一种方法使用光鉴频器将FM噪声转换成 AM噪声，从而能够直接测量FM噪声谱。然而，光鉴频器需要细致校准以及对激光波长的稳 定性的反馈，这是复杂且困难的。
[0007] K.Kikuchi 的"Characterization of semiconductor-laser phase noise and estimation of bit-error rate performance with low-speed offline digital coherent receivers (用低速离线数字相干接收器表征半导体激光相位噪声并且估计误比 特率）"（Optics Express (《光学快讯》），第20卷，第5291页（2012))和K. Matsuda等人 的 "A Study of Laser White and Brownian FM noise in Coherent QPSK Signals (关 于相干QPSK信号中的激光白噪声和布朗噪声的研究）"，国际光纤通信会议（0FC)、论文 W4K. 4(2014))中描述的方法使用参考与被测试激光具有极近似波长的极窄线宽激光的相 干检测来分离LF噪声。因此，对于不同的激光，必须使用不同的参考，这是不合需要的。
[0008] 因此，需要在不需要参考激光或激光波长稳定器和鉴频器的构造中的、能够分离 或测量FM噪声的白分量和LF分量的系统和方法。
【发明内容】
[0009] 本发明的一些实施例是基于以下认识：单次测量光信号的线宽不能将白调频 (FM)噪声和低频（LF)FM噪声的值的正确组合与所有可能的组合区分开。这是因为，单次测 量光信号的线宽可包括白噪声和LF FM噪声的值的多个组合。这个问题类似于求解具有两 个未知数的单个方程的问题。为了确定这两个未知数，需要两个方程式。
[0010] 本发明的一些实施例是基于以下认识：随着在具有描述LF FM噪声的恒定参数的 光信号进行的距离，LF FM噪声对于总噪声的贡献量增加。因此，可通过使用不同长度的光 纤进行多次测量来求解白噪声和LF FM噪声的值的多个可能组合的模糊度。这是因为，白 FM噪声和LF FM噪声的仅一个组合可导致所有这些测量值。
[0011] 因此，本发明的一个实施例公开一种用于测量光信号的线宽的系统。所述系统包 括：光学传感器，其确定传播通过不同距离的光信号的线宽的一组测量值，使得各测量值对 应于不同距离并且包括白调频（FM)噪声和低频FM噪声；以及处理器，其用于确定白FM噪 声和LF FM噪声的值，从而减小测量值和用白FM噪声和LF FM噪声的值针对不同距离而计 算出的光信号的线宽的值之差。
[0012] 另一个实施例公开了一种用于确定光信号的线宽的方法，所述方法包括：将所述 光信号传播通过选自一组预定距离中的不同距离；测量传播通过所述不同距离的所述光信 号的线宽以产生一组测量值，各测量值对应于所述一组预定距离中的预定距离并且包括白 调频（FM)噪声和低频FM噪声；并且确定白FM噪声和LF FM噪声的值，从而减小所述测量 值与用所述FM噪声和LF FM噪声的值针对所述一组预定距离而计算的所述光信号的线宽 的值之差。
[0013] 又一个实施例公开了一种用于测量光信号的线宽的系统。所述系统使用波导将 所述光信号传播通过选自一组预定距离中的不同距离；光学传感器，确定传播通过所述不 同距离的光信号的线宽的一组测量值，使得各测量值对应于不同距离并且包括白调频（FM) 噪声和低频FM噪声；以及处理器，根据所述一组测量值确定白FM噪声和LF FM噪声的值的 组合，所述组合形成通过所述不同距离的光信号的线宽的值。
【附图说明】
[0014] 图1是根据本发明的一些实施例的用于测量光信号的线宽和线宽的噪声的至少 一个分量的系统的框图；
[0015] 图2是根据本发明的一些实施例的传播通过不同距离的光信号的光谱I (f)的曲 线图；
[0016] 图3是示出低频（LF)FM噪声对测量值的总噪声的贡献量增加的曲线图；
[0017] 图4A和图4B示出根据本发明的一些实施例的用于以解析方式确定线宽和线宽的 噪声分量的方法的不同实施例的框图；
[0018] 图5是根据本发明的一些实施例的存储传输通过一组预定距离的光信号的一组 预先计算的值与用于确定线宽的白噪声和LF FM噪声的值的对应组合的查询表；
[0019] 图6是根据一个实施例的用于选择测量值的最接近值的曲线图；
[0020] 图7A和图7B分别是根据本发明的一些实施例的用于确定白噪声和LF噪声的值 的组合的另一个实施例的框图和示意图；并且
[0021] 图8是根据本发明的一个实施例的用于确定光信号的线宽的系统的框图。
【具体实施方式】
[0022] 图1示出系统100的框图，该系统100用于测量光信号110的线宽150以及线宽 150的噪声155的至少一个分量。光信号110可以是任何类型的相干光源。例如，光信号 110可由半导体激光器、固态激光器或气体激光器产生。
[0023] 系统100包括波导120,该波导120用于将光信号110传播通过不同距离。在一个 实施例中，使用光纤（例如，单模光纤）形成波导。替代性的实施例将光信号通过空气或光 子集成电路来传播。波导120输出一组光信号125。通过传播通过不同距离126的光信号 110形成该组光信号125中的每个光信号。
[0024] 该系统还包括测量模块130,该测量模块130用于接收光信号125并且用于确定光 信号125中的每个的线宽的一组测量值135。可顺序地、或同时地（例如，并行地）进行测 量。在本发明的一些实施例中，测量模块使用延迟自外差法来测量光信号110的线宽。
[0025] 传播光信号110的距离可以是预定的，例如，选自彼此不同的一组预定距离126， 使得测量模块130接收传播通过预定距离126的一组光信号125并且确定一组测量值135， 使得该组测量值135中的测量值对应于该组预定距离126内的预定距离。
[0026] 测量值1