具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

为了解决传统基于色散的时间拉伸方案传输延时大、无法直接测量相位的问题，本发明实施例提出了一种超短光脉冲的测量系统和相应的测量方法。本发明实施例的超短光脉冲的测量系统中，脉冲持续时长的拉伸是通过带宽压缩来实现的，摆脱了对于大色散的依赖。本发明的超短光脉冲的测量方案中带宽的压缩分为两步：(1)通过周期性光滤波器对待测光脉冲进行频谱采样；(2)随后，通过时间透镜将离散的频率成分汇聚到一起，使得频率成分之间的间隔缩小，从而等效实现脉冲的带宽压缩。带宽压缩后进一步通过光滤波和相干探测来实现对超短光脉冲的测量。下面结合超短光脉冲测量系统的结构框图来对本发明实施例进行详细描述。

图1为本发明一实施例中超短光脉冲测量系统的示意性框图。如图1所述，该超短光脉冲测量系统包括：周期性光滤波器(第一光滤波器)、时间透镜、第二光滤波器、连续光激光器和光电探测器。

其中，周期性光滤波器(第一光滤波器)用于对待测光脉冲进行频谱采样。本发明实施例中，待测光脉冲为持续时长超短的光脉冲(脉宽为皮秒或者更短的光脉冲)。作为示例，周期性光滤波器的频率响应特性可符合：∑_kH(ω-k·2πFSR_VCF)，其中，k为正整数，表示周期性光滤波器的透射峰的序号，ω为角频率，FSR_VCF表示周期性光滤波器的自由光谱范围，H为每个透射峰的形状。在此，周期性光滤波器又被称为梳状游标滤波器(Vernier combfilter)，结构上周期性光滤波器可以是光纤环、集成微环也可以是法布里-珀罗干涉仪(Fabry–Pérot interferometer)。周期性光滤波器输出一系列离散的频谱成分，这个过程可看作是“频谱”采样。周期性光滤波器的传输延时可以由延时-带宽积估计，即带宽与延时的积约为1。在本发明的参数设置中，周期性光滤波器的延时为十纳秒级别，远小于色散光纤中的传输延时。

时间透镜用于将经周期性光滤波器频率采样后的信号中离散的频率成分进行下变频调制，使得频率间隔缩小，得到多组压缩后的频谱组分。也即，时间透镜用于将离散的频率成分汇聚在一起，使得原本宽带的光信号被压缩成窄带的光信号，带宽压缩后时域展宽，因此带宽压缩和时域拉伸具有等效的效果。本发明实施例中，时间透镜是基于电光调制器而实现。

时间透镜将经过频率采样后的信号进行调制，时间透镜的频率传递函数可以表示成∑_mδ(ω-m·2πFSR_OFC)。时间透镜的频率响应特性与光学频率梳(optical frequencycomb)频谱形状是一致的。其中，δ为冲激函数，FSR_OFC表示时间透镜频率响应特性的自由光谱范围，m为正整数，m表示时间透镜频率响应特性对应的级数。作为示例，如图1所示，时间透镜可包括色散原件、相位调制器和强度调制器。其中，色散元件用于消除时间透镜非线性相位响应特性，也即，通过在时间透镜前引入一个色散值与时间透镜色散值恰好相反的色散元件来消除时间透镜非线性相位响应特性。相位调制器用于产生周期性的频率响应，强度调制器用于实现这些频率响应的平坦化。FSR_OFC由相位调制器的驱动频率决定。时间透镜的表示式可以综合相位调制器、强度调制器的传输特性决定。从频率上看，时间透镜的传递函数可以看成是一系列冲激函数的叠加，在频域上与冲击函数的卷积对应着系统中下变频的操作。因此，时间透镜的作用是针对输入频率成分进行多次不同的下变频操作，变频后频谱成分的频率间隔为FSR_OFC。

周期性光滤波器输出的离散后的频率成分被时间透镜下变频，频率间隔大大缩小，并得到多组压缩后的频谱组分。

在本发明实施例中，实现时间透镜的电光调制器的延时可以被设计为十纳秒级别，远小于色散光纤中的传输延时。

第二光滤波器用于从多组压缩后的频谱组分中过滤出预定频率值的频率成分。经过时间透镜后输出多组压缩后的频率成分，它们在频谱上互不重叠，并且每一组蕴含的频谱信息都是一样的。第二光滤波器用于从多个频率信息相同的组分中提取一组，并且滤除其他频率成分，

连续光激光器用于产生连续波长的激光信号。

光电探测器用于对第二光滤波器输出的光脉冲信号和连续光激光器输出的光信号进行相干探测，并将探测得到的信号下变频至射频域，由此实现光脉冲信号带宽的压缩。在本发明一实施例中，在信号接收的过程中采用的是相干探测的方式，即本振光与信号光混合后被光电探测器接收。由于此处采用的是相干探测的方式，因此本发明实施例中使用的光电探测器为平衡光电探测器。

带宽压缩后时域展宽，这就使得利用商用的模数转换器也可以实现对高速、瞬态的光信号进行频率采集。

本发明实施例中，周期性光滤波器的频率采样和时间透镜的带宽压缩都能够保持初始相位，因此带宽压缩过程是相干的，不会引入额外的相位信息。

此外，在本发明实施例中，在频域采样、经过时间透镜调制、光滤波和相干探测的过程中，都没有引入额外的非线性相位。因此，在输出结果中，不仅能实现输入信号时域包络的拉伸，而且输入脉冲的相位信息也得到了保留。因此，待测光脉冲的时域包络形状和相位信息都能够通过系统直接测量，而无需依靠复杂算法和额外的数字信号处理。这使得对于瞬态物理现象的快速连续观测成为可能。

在本发明实施例中，待测光脉冲的初始输入信号频率间隔为FSR_VCF的频谱成分，经过测量系统后被压缩至(FSR_VCF-FSR_OFC)，带宽压缩的倍数可以表示为FSR_VCF/(FSR_VCF-FSR_oFC)，对于傅里叶变换极限的脉冲，即脉冲的频率相位响应为线性的脉冲，带宽压缩的倍数等于时域拉伸的倍数。因此时域拉伸的倍数可以表示为：

基于如上公式，在本发明的测试系统中可以通过FSR_VCF或者((FSR_VCF-FSR_OFC)来控制时域拉伸的倍数。

在本发明实施例中，时间透镜是利用强度调制器和相位调制器级联产生。图1中，色散元件用于消除时间透镜非线性相位响应特性。相位调制器用于产生周期性的频率响应，强度调制器用于实现这些频率响应的平坦化。从频域上看，时间透镜具有二次相位响应特性，二次相位响应特性与色散的表达形式是一致的。色散大小由相位调制器、强度调制器的驱动频率与驱动功率决定，在公式上可以表示成V_π/(πV_mFSR_OFC ²)，其中V_π是相位调制器的半波电压，V_m是强度调制器上驱动信号的峰峰值。通过在时间透镜前引入一个色散值与时间透镜色散值恰好相反的色散元件来消除时间透镜非线性相位响应特性。射频信号1和射频信号2由外部微波源产生，射频信号1和射频信号2的驱动频率和功率决定了时间透镜的自由光谱范围和非线性相位响应特性，或者说，第一射频信号和第二射频信号的驱动频率和功率用于调节时间透镜的自由光谱范围和非线性相位响应特性。通过增加串联的相位调制器的个数或者提升相位调制器的驱动功率，都可以提升频率响应的带宽范围，因此，本发明实施例中，时间透镜中可以设置一个相位调制器，也可以设置多个串联的相位调制器。当强度调制器工作在RZ-50的调制格式下，强度调制器的驱动频率和相位调制器的驱动频率一致才能产生时间透镜。当强度调制器工作在RZ-33的调制格式下，强度调制器的驱动频率为相位调制器的驱动频率一半才能产生时间透镜。在本发明的实施方式中，强度调制器只有一个，但可以设置多个串联的相位调制器来提升系统的观测带宽。

由于周期性光滤波器和用于实现时间透镜的电光调制器都有成熟的集成方案，因此本发明实施例中提出的系统有良好的集成潜力。可以克服现有技术中利用色散对超短脉冲的包络拉伸效应来实现对超短光脉冲的测量时体积过大的缺陷。

图2-图4示出了本发明一些实施例中输入脉冲与输出脉冲对比结果。其中，图2中的(a)和(b)分别为本发明一实施例中输入脉冲的频谱和时域波形，其中，输入脉冲是通过仿真得到的。图3中的(a)和(b)分别本发明一实施例中输出脉冲的频谱和时域波形，频谱压缩倍数为73，时域包络拉伸倍数为73。图4中的(a)和(b)分别本发明一实施例中输出脉冲的频谱和时域波形，频谱压缩倍数为85，时域包络拉伸倍数为85。图3和图4均为实验结果，为了方便相位和包络的比较，输出信号都在数字上变换到基频。

通过图2-4的对比可以看出，本系统可以很好地完成超短脉冲的时域包络拉伸，并且在拉伸的过程中输入信号的相位信息也可以得到保留，输出结果与理论分析表现出良好的一致性。

传统方案中利用色散对超短脉冲的包络拉伸效应来实现对超短光脉冲的测量。这种方案依赖于大色散介质，使得系统体积大、传输延时大。并且，基于色散的方案是无法直接测量输入光脉冲的相位信息的。而本发明彻底摆脱了对于大色散的依赖并且极大降低了系统的传输延时。本发明可以直接测量输入信号的相位而不需要额外的数字信号处理，大大提升了超短脉冲测量的实时性。

与前述系统相应地，本发明还提供了一种超短光脉冲测量方法，如图5所示，该方法包括以下步骤：

步骤S110，利用第一光滤波器对待测超短光脉冲进行频谱采样，得到离散的频率成分。其中所述第一光滤波器为周期性光滤波器。

步骤S120，通过时间透镜将步骤S110频谱采样得到的离散的频率成分进行下变频，得到多组压缩后的频谱组分。

步骤S130，利用第二光滤波器从多组压缩后的频谱组分中过滤出预定频率值的频率成分。

步骤S140，利用连续光激光器来产生连续波长的激光信号，以与第二光滤波器输出的光脉冲进行混合。

步骤S150，利用光电探测器(如平衡光电探测器)来对第二光滤波器输出的光脉冲和连续光激光器输出的光脉冲进行相干探测，并将探测得到的信号下变频至射频域。

由此，实现了光脉冲信号带宽的压缩。

如上描述的本发明的超短光脉冲测量系统和方法，通过对信号进行带宽压缩来实现对信号的持续时长进行拉伸，从而实现了超短光脉冲的测量。此外，通过周期性光滤波器对输入光脉冲进行频率采样，然后利用基于电光调制器的时间透镜对离散频率成分进行汇聚，从而等效实现带宽压缩。其中，时间透镜的频率相位响应是线性的，非线性的相位响应通过色散介质而被消除。进一步地，光滤波器后的输出，可以与连续光激光器混合后进行相干探测，实现输入脉冲强度和相位的测量。本发明在不需要测量相位信息的场合中，也可以通过光电探测器直接探测，同样可以实现脉冲时域包络的拉伸。

需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。