專利名稱：用于光譜反卷積與再成形的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上關(guān)于光譜分析，詳言之，關(guān)于光譜反卷積(deconvolution)和再成形，該光譜源自于譬如光衍射光柵，可調(diào)濾光器等濾光器件。
背景技術(shù)：
光纖通訊領(lǐng)域包括如光纖電纜技術(shù)和光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。光纖網(wǎng)絡(luò)承載了大量的日常生活信息，如通話信息、數(shù)據(jù)通訊(如傳真信息)、計算器對計算器之?dāng)?shù)據(jù)傳輸、有線電視、互聯(lián)網(wǎng)等等。此類信息信號在城市與城市間的各個地方傳輸。由于通訊傳輸量的快速增加，相比于較低容量的舊式金屬電纜，光纖電纜容量的增加變得越來越重要。
典型的光纖電纜由一束個別的光學(xué)纖維組成。一條單一光纖可以載送單一光波長之?dāng)?shù)千個數(shù)據(jù)和通訊信號。同一光纖也可載送復(fù)合光波長，因此其可以同時載送許多的復(fù)合光信號。每個單獨波長傳輸數(shù)據(jù)的速率可以超過10Gbit/s(百億位/秒)。
為了保持此種光網(wǎng)絡(luò)之通訊，需要對每個在光纖上傳輸?shù)墓獠ㄩL信號進(jìn)行多種感測分析，如測量光能量、波長和光信號的光信號對噪聲比。完成此類分析的工具稱之為光譜分析儀(optical spectrumanalyzer，OSA)。光譜分析儀(OSA)完成光譜分析(也稱為OSA)，即前述之測量光能量作為波長的函數(shù)。
典型的光譜分析儀(OSA)使要分析的光信號通過可調(diào)的光濾波器?！翱烧{(diào)的”是指可以調(diào)整濾波器以解析或提取出光信號的獨立成分(波長)。
三種基本類型的濾波器被廣泛應(yīng)用于光譜分析儀衍射光柵、Fabry-Perot(FP)濾波器和Michelson干擾儀。用于OSA的可調(diào)FP濾波器(TFPF)有許多優(yōu)點，主要包括設(shè)計相對簡單、尺寸小、速度快、易控制、以及對小范圍內(nèi)的光信號(也就是說，信號的頻率或波長很接近)有很強(qiáng)的辨別能力。
然而，與同為3-dB帶寬(定義為從峰值位置下3-dB處左邊光譜與右邊光譜位置間波長值或頻率值差之大小)的衍射光柵相比，可調(diào)FP濾波器(TFPF)的傳輸曲線有相對的“寬裙邊(broad skirt)”。寬裙邊是指在超出了3-dB帶寬(BW)的光譜位置，例如TFPF對頻率或波長鄰近重要信號的光信號有相對慢的舍棄率(rejection rate)衰減(decay)。此寬裙邊當(dāng)用來測量波分復(fù)用(wavelength division multiplexing，WDM)系統(tǒng)信號的光信號對噪聲比(optical-signal-to-noise-ratio，OSNR)時可視為對TFPF不可忽視的缺點。其會使鄰近的波長信號漏過而人為的提升了噪聲的最低限度。該相對的寬裙邊允許鄰近的波長劃分多路信道的串?dāng)_(cross talk)，由此限制了對于OSNR測量FP光譜分析儀的動態(tài)范圍(dynamic range，DR)。
相反地，同為3-dB帶寬的衍射光柵的傳輸曲線具有更窄的裙邊(steeper skirt)，但其對小范圍內(nèi)的光信號的辨別能力不如TFPF強(qiáng)。理論上，每個光濾波器都會允許從鄰近WDM信道來的串?dāng)_，但由于衍射光柵的窄裙邊，則與同為3-dB帶寬的FP濾波器相比，其具有更小的串?dāng)_。
因此，大幅度提高基于濾波器之FP光譜分析儀測量光信號對噪聲比的動態(tài)范圍之方法及裝置是相當(dāng)有必要的。隨著節(jié)約成本和提高效率需求的不斷增長，解決上述問題也變得越來越重要。
長期以來一直在探尋上述問題之解決方法，但先前技術(shù)都未能解決，其也為本領(lǐng)域之技術(shù)人員所長期困擾的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于濾波器光譜反卷積(deconvolution)與再成形的方法及裝置。提供光譜信號的濾波器輸出以及判定在每個預(yù)定波長該光譜信號的光能量強(qiáng)度。該濾波器輸出表示輸入信號函數(shù)和濾波器函數(shù)卷積(convolution of integral)之特征。然后對該濾波器輸出執(zhí)行反卷積二函數(shù)變換使輸出濾波器光譜再成形。(convolution of integral，與integralof convolution，在本文中均簡稱為卷積。)
除了以上所述之外，本發(fā)明之某些實施例還包括其它優(yōu)點。本領(lǐng)域之技術(shù)人員在結(jié)合附圖閱讀了以下詳細(xì)說明后，這些優(yōu)點會變得顯而易見。


圖1為依照本發(fā)明的光譜分析儀的方塊圖；圖2為可調(diào)的Fabry-Perot干擾儀的示意圖；圖3為矢量圖，顯示圖2的可調(diào)的Fabry-Perot干擾儀中的光束和伴隨的電場；圖4為Lorentzian濾波器傳輸曲線的分布圖；圖5為Gaussian濾波器傳輸曲線的分布圖；圖6為圖4和圖5的Lorentzian濾波器曲線和Gaussian濾波器曲線比較圖；圖7為變換前的光譜圖，包括三個具有均衡能量的鄰近的密集波分復(fù)用(DWDM)信道，可以由Fabry-Perot光譜分析儀測量得到；圖8為光譜圖，顯示圖7的光譜經(jīng)本發(fā)明的快速Fourier變換反卷積與再成形處理后的光譜；圖9為圖7和圖8的未處理和處理后曲線比較圖；圖10為變換前的光譜圖，包括三個具有不均衡強(qiáng)度的鄰近的DWDM信道，可以由Fabry-Perot光譜分析儀測量到；圖11為光譜圖，顯示圖10的光譜經(jīng)本發(fā)明的快速Fourier變換反卷積與再成形處理后的光譜；圖12為圖10和圖11的未處理和處理后曲線比較圖；圖13為原始的未變換的光譜圖，其包括超過四十個密集的以50GHz間隔開的劃分多路信道，可以由Fabry-Perot光譜分析儀測量到；圖14為光譜圖，顯示圖13的光譜經(jīng)本發(fā)明的快速Fourier變換反卷積與再成形處理后的光譜；圖15為圖13和圖14的未處理和處理后曲線比較圖；圖16為流程圖，顯示依照本發(fā)明的用于Fabry-Perot濾波器光譜反卷積與再成形的方法。
主要組件符號說明100光譜分析儀(OSA) 102光切換器104、106、116、124 輸入口108、110、114、122 光纖112、120輸出口118可調(diào)FP濾波器(TFPF)126檢波器 128、132、136傳輸線130分析器 134顯示器138記錄器 140計算器206、208反射鏡210空腔212、214光線 216、218函數(shù)400 Lorentzian濾波器傳輸曲線分布圖402 Lorentzian濾波器曲線404 裙邊500 Gaussian濾波器傳輸曲線分布圖502 Gaussian濾波器曲線600 Lorentzian濾波器曲線402與Gaussian濾波器曲線502比較圖700、800、1000、1100、1300、1400 光譜702、802、1002、1102、1302、1402 曲線900 曲線702和曲線802的比較圖1104 弱能量信道1200 未處理曲線1002和處理后曲線1102的比較圖1500 未處理曲線1302和處理后曲線1402的比較圖1600 方法1602、1604、1606、1608、1610 方塊步驟具體實施方式
為了完全了解本發(fā)明，在下述說明中列出了多個特定的實施例。然而，顯然不使用這些特定實施例也能實現(xiàn)本發(fā)明。為避免與本發(fā)明混淆，一些現(xiàn)有電路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并未詳細(xì)揭露。同時，為清楚說明本發(fā)明，實施例的附圖是部分圖解而不是按實際情況成比例的縮減。另外，圖解中相同的數(shù)字代表了相同的或是功能相同的組件。
光譜分析儀(OSA)用于光譜分析(在本文中也稱為OSA)，通常是使光信號通過可調(diào)光濾波器。光信號又稱“光譜信號”，因為其包含了許多不同信號波長的光譜。然后可調(diào)光濾波器解析或提取出光信號的單獨波長成分。光譜信號中能被可靠解析出的兩個光譜成分間的最小波長間隔稱為光譜分析儀的光譜分辨率(spectral resolution)。為達(dá)到高的光譜分辨率，濾波器應(yīng)該具有在3-dB處足夠窄的帶寬。
對于多種測量，所要測量之各種光譜成分其振幅并不相等。一個例子為分布式反饋雷射的側(cè)邊模式抑制(side-mode suppression)之測量。(“側(cè)邊模式抑制”是指所期望的縱向模式的任一側(cè)不需要的縱向傳播模式的抑制。不需要模式的抑制程度稱為“側(cè)邊模式抑制率”。)對于此種測量方式，不只要考慮3-dB濾波器帶寬，濾波器形狀也是很重要的，濾波器形狀確定了一定距離處的光抑制比(optical rejection ratio，ORR)，例如，在偏離主傳輸頻率±25GHz處。
Fabry-Perot(FP)濾波器是光譜分析儀中常用的其中一種濾波器。該濾波器包括空腔，該空腔的各端由兩個平行的、部分鍍銀的、具有高反射率且可以相對移動的反射鏡為邊界。FP空腔的傳輸光譜為波長函數(shù)，顯示了對應(yīng)于空腔之諧振頻率的大傳輸之波峰。
兩個反射面間之多個反射光之間的干擾會產(chǎn)生FP空腔的不同的傳輸函數(shù)。如果傳輸光束是同相位，則會產(chǎn)生建設(shè)性的干擾，其對應(yīng)有FP空腔之高傳輸波峰。如果傳輸光束是不同相位，則會產(chǎn)生破壞性的干擾，其對應(yīng)有傳輸最小值。是否多個反射光束是同相位還是不同相位，取決于光的波長、光通過空腔的角度、反射鏡表面之間的距離(也就是空腔的長度)、反射面間介質(zhì)的折射率。
因為可以移動反射鏡來改變他們的反射面間的距離，所以FP空腔是一個可調(diào)的濾波器。此種可調(diào)FP濾波器(TFPF)帶寬可調(diào)成有非常窄的3-dB，但其也可以有相對較寬的20-dB帶寬，即“寬裙邊”。(參見圖4中Lorentzian濾波器曲線402之裙邊404。)FP濾波器的其中一個主要優(yōu)點是其有非常窄的3-dB帶寬。因此基于FP濾波器的光譜分析儀具有很高的光譜分辨率，例如，其可測量雷射線性調(diào)頻脈沖(chirp)(也就是說，脈沖期間之雷射光的頻率閃爍(wavering))。然而，由于其有寬裙邊，可調(diào)FP濾波器的光抑制比(ORR)受到了限制。舉例來說，精細(xì)度(finesse)值高達(dá)7200以及180nm自由光譜范圍(Free Sprctrum Range，F(xiàn)SR)的TFPF在±25GHz的光抑制比少于25.0dB。(“精細(xì)度”為光譜線間隔一系列規(guī)則間隔開之干擾儀邊紋線之線寬的比例。)此種寬裙邊對某些應(yīng)用是不適合的。例如，在間隔為50GHz的密集波分復(fù)用(dense wavelength division multiplexing，DWDM)系統(tǒng)中，在±25GHz處要求光抑制比高達(dá)35.0dB。否則，TFPF的寬裙邊傳輸曲線會引入鄰近的DWDM信道的串?dāng)_或干擾，其限制了光抑制比以及光譜分析儀測量光信號對噪聲比(OSNR)的動態(tài)范圍(DR)。
如本發(fā)明所述，數(shù)學(xué)反卷積與再成形的方法可以解決并克服FP濾波器的這種重要缺點，并且可以大大地提高基于FP濾波器的光譜分析儀(OSA)測量OSNR的動態(tài)范圍(DR)。在本發(fā)明之一個態(tài)樣，該濾波器輸出首先特征為兩個數(shù)學(xué)函數(shù)之卷積。第一函數(shù)為濾波器前的輸入光信號函數(shù)。第二函數(shù)為濾波器函數(shù)，在此情況為可調(diào)FP濾波器的傳輸函數(shù)。光信號與可調(diào)濾波器相互作用產(chǎn)生從FP濾波器的輸出，該輸出是兩個數(shù)學(xué)函數(shù)的數(shù)學(xué)卷積。
然后本發(fā)明提出并運(yùn)用合適的變換于FP濾波器輸出，有效地移除具有從輸出送來的寬裙邊的FP濾波器函數(shù)，再加入需要的具有窄裙邊的另一濾波器函數(shù)(譬如Gaussian函數(shù))，由此輸出光信號光譜可以再成形并且改善了測量信號對噪聲比的動態(tài)范圍。這樣使得基于FP濾波器的光譜分析儀不僅有高的光譜分辨率，而且還有高的光抑制比。此響應(yīng)特征是非常需要的，不僅適用于DWDM光譜監(jiān)測，也適用于其它許多應(yīng)用。
現(xiàn)在參考圖1，其以方塊圖顯示了本發(fā)明的光譜分析儀(OSA)100。該OSA 100包括光切換器(optical switch)102，具有輸入口104和106。輸入口104位于該光切換器102的一個分支上，該輸入口104與載送將被測試的光信號的單模光纖108相連接。光纖108和輸入口104共同作用為用于OSA 100的光信號輸入。
以相似方式，輸入口106位于該光切換器102的另一分支，并與載送參考波長光信號的單模光纖110相連接。光纖110和輸入口106共同作用為用于OSA 100的參考波長信號輸入。
光切換器102的輸出口112由光纖114連接至可調(diào)FP濾波器(TFPF)118的輸入口116。接著，TFPF 118的輸出口120由光纖122連接至檢波器126的輸入口124。該檢波器126為接收器，接收由TFPF 118所選擇的光信號，該檢波器通過傳輸線128連接至分析器130。傳輸線132連接分析器130和顯示器134(如視頻顯示器或者圖形顯示器)。傳輸線136連接分析器130和記錄器138。當(dāng)需要時，光譜分析儀(OSA)100的運(yùn)作可由計算器140協(xié)調(diào)操作，該計算器與光切換器102、可調(diào)FP濾波器118、檢波器126、分析器130、顯示器134、以及記錄器138相連接。檢波器126、分析器130和計算器140以不同的方式共同組成適當(dāng)?shù)碾娐?，以施行在此所述的本發(fā)明的各項功能。
現(xiàn)在參考圖2，顯示了典型的可調(diào)FP干擾儀(TFPI)的示意圖，應(yīng)用于本發(fā)明即是光譜分析儀(OSA)100(圖1)中之可調(diào)FP濾波器(TFPF)118。該TFPF 118包括部分反射之反射鏡206和208。反射鏡206和208被譬如空腔210之間隙隔開，其中填滿了特殊電介質(zhì)如空氣、玻璃等。光線212射入并穿過TFPF 118，再從TFPF 118射出后即為濾波器光線214。
如前所述，該可調(diào)濾波器的卷積輸出其特征光輸入信號函數(shù)和可調(diào)濾波器函數(shù)的卷積。詳言之，具有欲被分析的光譜分布的光線212然后用光輸入信號函數(shù)216表現(xiàn)特征。作用于光輸入信號函數(shù)216之TFPF 118的效果，由TFPF 118的濾波器函數(shù)218表現(xiàn)特征。在TFPF的調(diào)諧過程中，合成的濾波器光線214用光輸入信號函數(shù)216和可調(diào)濾波器函數(shù)218的卷積220表現(xiàn)特征。
參考圖3，其為矢量圖300，顯示于TFPF 118中(圖2)的入射、反射、及傳輸光束和他們的伴隨電場之相互作用和分析。光線212的入射電場R0在反射鏡206以反射因子r0(在空腔210“外反射”)部分反射，另外以傳輸因子ti(在空腔210“內(nèi)傳輸”)部分傳輸。當(dāng)傳輸電場以空腔210內(nèi)的傳輸因子ti通過反射鏡208穿過空腔210時，其會以因子to在反射鏡208后延遲和倍增。當(dāng)下述等式成立時，自反射鏡206之反射光R1、R2、R3等會受到最大的破壞性的干擾，而自反射鏡208之傳輸光T1、T、T3等會受到最大的建設(shè)性的增強(qiáng)
2πnLλ=mπ,---(1)]]>其中m為任意正整數(shù)，L為諧振腔(如空腔210)之長度，n為諧振腔內(nèi)介質(zhì)的折射率，λ為光信號之波長，而因此傳輸光波。下述等式確定FP空腔的諧振頻率fmfm=c2Lnm---(2)]]>FPI的FSR定義為模間隔(mode spacing)。
以光波頻率f表示，F(xiàn)SR為FSR(f)=c2Ln---(3)]]>以光波波長λ表示，F(xiàn)SR為FSR(λ)=λ22Ln---(4)]]>FP濾波器的傳輸帶寬定義為在一半最大值之全寬度(FWHM)或3-dB。其由下述等式定義B=1-rrc2πnL---(5)]]>相關(guān)帶寬和模間隔FSR產(chǎn)生精細(xì)度FF=FSRB=πr1-r---(6)]]>FP空腔的傳輸曲線可由空氣函數(shù)(Airy Function)說明A(λ)=I01+(2Fπsin2πnLλ)2,---(7)]]>其中I0為峰值傳輸光強(qiáng)度。
上述空氣函數(shù)可近似于下述Lorentzian分布函數(shù)L(f)=I01+4(f-f0B)2,]]> 其中f0為峰值傳輸頻率。
Lorentzian分布的3-dB帶寬由B=1-rrc2πnL]]>表示，其中r為濾波器鏡的反射率，c為光在真空中的傳播速度，L為濾波器腔(如空腔210)的長度。此類具有Lorentzian傳輸曲線的濾波器稱為“Lorentzian濾波器”。
與此相反，傳統(tǒng)的衍射光柵的傳輸曲線用Gaussian分布函數(shù)表示G(f)=I0e(1-I0)2I02---(9)]]>其中σ定義Gaussian分布的BW。此類具有Gaussian傳輸曲線的濾波器稱為“Gaussian濾波器”。
可調(diào)FP濾波器(TFPF)和衍射光柵都可以用于構(gòu)建光譜分析儀(OSA)。然而如先前所述，對于譬如DWDM之應(yīng)用使用TFP OSA，其主要問題之一在于，與同為3.0-dB帶寬的衍射光柵的傳輸曲線相比，該濾波器的傳輸曲線有相對寬的裙邊。此TFPF的較寬裙邊意味著濾波器極易從很窄的間隔，靠近鄰近的信道發(fā)現(xiàn)信號，而因此掩蓋了真正要關(guān)注的信號。
參考圖4，其中顯示Lorentzian濾波器傳輸曲線分布圖400的例子，由Lorentzian濾波器曲線402表示。如圖中所示，該濾波器具有3-dB帶寬(BW)約為6.6GHz。離開主傳輸峰值，如裙邊404所示，在±50GHz時該濾波器的光抑制比(ORR)約為23.0dB，而在±100GHz時的ORR為29.0dB。
參考圖5，其為Gaussian濾波器傳輸曲線分布圖500的例子，由Gaussian濾波器曲線502表示。該濾波器具有3-dB帶寬約為33GHz。離開主傳輸峰值，如裙邊504所示，在±50GHz時該濾波器的ORR約為25.0dB(與Lorentzian濾波器相近)，而在±100GHz時的ORR大于70.0dB。
參考圖6，其為Lorentzian濾波器曲線402和Gaussian濾波器曲線502之比較圖600。雖然Lorentzian濾波器曲線402的3-dB帶寬僅為Gaussian濾波器曲線502的1/5，但由于Lorentzian濾波器曲線之寬裙邊404，其在離開濾波器傳輸峰值大于±50GHz時有低得多的ORR。因此圖6說明了基于FP濾波器的光譜分析儀測量光信號對噪聲比(OSNR)的動態(tài)范圍(DR)比基于衍射光柵的光譜分析儀小得多的原因。
從數(shù)學(xué)觀點解釋，任一測量光譜都是構(gòu)成OSA的濾波器函數(shù)和輸入光信號之卷積。因此，如果輸入光信號由函數(shù)R(f)表示，用Lorentzian濾波器測量的輸出光譜由PL(f)表示，以及用Gaussian濾波器測量的輸出光譜由PG(f)表示，那么下述等式成立PL(f)=∫-∞∞R(f0)L(f-f0)df0,---(10)]]>PG(f)=∫-∞∞R(f0)G(f-f0)df0,---(11)]]>其中L(f-f0)和G(f-f0)分別代表以f0為中心的Lorentzian分布函數(shù)和Gaussian分布函數(shù)。
根據(jù)卷積的Fourier變換法則F[PL(f)]＝F[R(f)]·F[L(f)]， (12)F[PG(f)]＝F[R(f)]·F[G(f)]， (13)其中F[PL(f)、F[R(f)]、F[L(f)]、F[PG(f)]以及F[G(f)]分別代表PL(f)、R(f)、L(f)、PG(f)以及G(f)的Fourier變換。由此導(dǎo)出下述本發(fā)明之反卷積與再成形方法之等式，具體表示如下PG(f)=F-1[F[PL(f)]F[L(f)],F[G(f)]],---(14)]]>在本發(fā)明之一個實施例中，使用TFPF的光譜分析儀(OSA)，施行密集波分復(fù)用(DWDM)的S、C和L頻帶波長范圍為1470nm至1630nm。所使用的TFPF之自由光譜范圍(FSR)約為180nm，精細(xì)度約為7200，3-dB帶寬約為25pm。此種濾波器在離開濾波器傳輸波峰25.0GHz和50.0GHz時的光抑制比(ORR)分別為大約24.5dB和30.0dB。這就表示該OSA能測量之最高光信號對噪聲比(OSNR)在50GHz隔離DWDM信道要低于24.5dB，而對于100GHz隔離DWDM信道要低于30.0dB。
參考圖7，顯示光譜700，由曲線702表示從三個鄰近的DWDM信道來之原始的、未處理的光數(shù)據(jù)。該光譜700也可以由Fabry-Perot光譜分析儀測量得到。
參考圖8，顯示光譜800，由曲線802表示光譜700(圖7)通過本發(fā)明之快速Fourier變換(FFT)反卷積與再成形處理后之情況。
參考圖9，顯示未處理曲線702和處理后曲線802之比較圖900。反卷積和再成形光譜800(圖8)也顯示了在±25GHz光抑制比增加超過15.0dB以上，這是由于FFT反卷積與再成形使濾波器函數(shù)的裙邊變得更陡。根據(jù)未處理數(shù)據(jù)的光譜700(圖7)的OSNR測量值約為20.0dB。然而，經(jīng)本發(fā)明之FFT反卷積與再成形變換(處理及再成形)后根據(jù)光譜800之OSNR測量值相似地約為40.0dB。
參考圖10，顯示光譜1000，其顯示三個具有不均衡能量的鄰近的DWDM信道之原始的、未處理的光數(shù)據(jù)曲線1002。中間信道的能量約為-34.5dBm，另兩個信道約為0.0dBm。能量不均衡差大于34.0dB。未處理資料的光譜1000，用FP OSA測量，僅解析弱能量信道，因為該弱能量信道涵蓋于左右兩個鄰近DWDM信道的裙邊下。
參考圖11，顯示光譜1100，其顯示光譜1000(圖10)通過本發(fā)明之快速Fourier變換(FFT)反卷積與再成形處理后的曲線1102。該反卷積與再成形光譜1100清楚的解析了弱能量信道1104。能量串?dāng)_藉由FFT反卷積與再成形幾乎完全被移除，其給予弱能量信道1104更清晰的對比。
參考圖12，顯示未處理曲線1002和處理后曲線1102之比較圖1200。
參考圖13，顯示光譜1300，系用包括多于四十個50GHz間隔開的DWDM信道之原始未處理的光譜曲線1302表示。該光譜1300用FP OSA測量到。
參考圖14，顯示光譜1400，系用光譜1300(圖13)通過本發(fā)明之FFT反卷積與再成形處理后的曲線1402表示。
參考圖15，顯示未處理曲線1302和處理后曲線1402之比較圖1500。該比較圖再次說明了本發(fā)明之FFT反卷積與再成形的方法是很有效的。詳言之，未處理曲線1302與處理后曲線1402之比較圖1500顯示于鄰近信道中間處的光抑制比(ORR)已增加超過15dB以上。
因此依照本發(fā)明之FFT反卷積與再成形的方法及裝置由使濾波器傳輸曲線“再成形”而增加基于FP濾波器的光譜分析儀(OSA)的動態(tài)范圍(DR)?；诒景l(fā)明所揭露之實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可清楚了解，濾波器傳輸曲線可藉由使用硬件、軟件或兩者結(jié)合的方式得以再成形。
例如，如果使用硬件方式使濾波器傳輸曲線再成形，則需要使用另一具有特殊設(shè)計的傳輸曲線的濾波器。附加的濾波器與FP濾波器疊加得到兩個濾波器的合成傳輸曲線，其近似于Gaussian濾波器。此種趨近方式能夠達(dá)到，但很困難。
因此本發(fā)明提出了一種難度較小的軟件FFT反卷積與再成形方法，即“軟件濾波器”，其作用更勝于硬件濾波器。其總效應(yīng)等效于將該軟件濾波器與硬件FP濾波器疊加得到合適的合成Gaussian傳輸曲線。
如前詳細(xì)說明，依照本發(fā)明之反卷積與再成形光信號之FP濾波器光譜之方法通過以下步驟實現(xiàn)1.特征表現(xiàn)FP濾波器光譜為光輸入信號函數(shù)與濾波器函數(shù)之卷積。對FP濾波器光譜執(zhí)行快速Fourier變換(FFT)。
2.建立具有最佳帶寬的合適的Lorentzian函數(shù)并對其執(zhí)行FFT。
3.建立具有最佳帶寬的合適的Gaussian函數(shù)并對其執(zhí)行FFT或者僅建立合適的函數(shù)，其相當(dāng)于Gaussian函數(shù)的FFT。
4.將步驟1之結(jié)果除以步驟2之結(jié)果。
5.將步驟4之結(jié)果乘以步驟3之結(jié)果。
6.對步驟5之結(jié)果執(zhí)行FFT反變換。
“最佳帶寬”是指濾波器的帶寬能使其后的反卷積最有效。
最后分析結(jié)果是類似于Gaussian濾波器輸出的光譜。因此，第一濾波器函數(shù)(如FP濾波器函數(shù))被移除，而加入具有最佳帶寬(例如在±25GHz時，DR至少增加了15.0dB)的第二濾波器函數(shù)(如Gaussian)，使濾波器輸出光譜再成形。
當(dāng)光譜仍由Lorenzian濾波器表示時，在FFT反卷積與再成形前，光譜峰值的位置和強(qiáng)度首先被定位和保存。然后應(yīng)用反卷積與再成形改善光信號的OSNR和動態(tài)范圍。于此方式，本發(fā)明利用FP濾波器之陡窄3-dB帶寬找出輸入光信號的精細(xì)光譜結(jié)構(gòu)，然后應(yīng)用反卷積與再成形處理得到測量OSNR的更精確的OSNR結(jié)果和更佳的動態(tài)范圍(DR)。經(jīng)此過程得到的光譜峰值通常較佳而為Gaussian形態(tài)，其勝于Lorentzian形態(tài)。該方法可重復(fù)用于光譜信號的光譜中各所需波長以確定對各個別所需波長之對應(yīng)離散信號功率。
參考圖16，顯示本發(fā)明的濾波器光譜反卷積與再成形的方法1600的流程圖。該方法1600包括方塊1602，提供光譜信號濾波器輸出；方塊1604，確定光譜信號每個峰值的位置和強(qiáng)度；方塊1606，特征表現(xiàn)濾波器輸出為輸入光信號函數(shù)與濾波器函數(shù)之卷積；方塊1608，對兩個函數(shù)的濾波器輸出執(zhí)行反卷積變換；以及方塊1610，移除FP濾波器函數(shù)并加入合適的Gaussian濾波器函數(shù)。
因此本發(fā)明提供了一種新穎的、改善的、且不明顯的基于FP濾波器構(gòu)建而成的光譜分析儀(OSA)，其使用反卷積與再成形以增加測量光信號對噪聲比(OSNR)的光抑制比(ORR)和動態(tài)范圍(DR)。在一個實施例中，使用新穎的且不明顯的反卷積與再成形使基于FP濾波器構(gòu)建而成的OSA在±25.0GHz時的DR至少增加15.0dB。因此本發(fā)明的反卷積與再成形方法解決了在OSA中使用FP濾波器難以達(dá)到高DR這一主要問題。
在此所述，基于FP構(gòu)建而成的光譜分析儀不僅能夠提供精確的光譜解析，還可以提供用于DWDM測量OSNR很高的動態(tài)范圍，以及其它更好的應(yīng)用?；诒景l(fā)明所揭露的，顯然同樣也適合于更多的OSA應(yīng)用。如此處所述，根據(jù)近來的需要和/或應(yīng)用，還可以考慮使用其它的濾波器函數(shù)(例如Butterworth濾波器)和其它的反卷積與再成形。
同樣地，如本發(fā)明所述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚了解本發(fā)明之反卷積與再成形的方法及裝置也適用于其它信號和光譜信息。例如，其可應(yīng)用于紅外線、微波、兆赫(terahertz)以及其它射頻信號和信號擴(kuò)展。其也可以例如應(yīng)用于醫(yī)學(xué)光譜(如人體血液傳輸光譜)。
因此，本發(fā)明之FP濾波器光譜反卷積與再成形的方法及裝置是目前為止提供給基于FP濾波器構(gòu)建而成的光信號分析儀增加動態(tài)范圍(DR)和使FP濾波器傳輸曲線再成形的重要而尚未知和尚未利用的解決方法，其性能好，功能性強(qiáng)。其過程與結(jié)構(gòu)是易懂的、經(jīng)濟(jì)的、簡單的、通用的、精確的、靈敏的以及有效的，其在制造和應(yīng)用中配合習(xí)知組件即可實現(xiàn)。
雖然已結(jié)合特定優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域之技術(shù)人員會了解，根據(jù)上述說明尚可進(jìn)行多種替代、修改及變換。因此，本發(fā)明包含落入權(quán)利要求的所有替代、修改及變換。所有在此所述或附圖所示是說明性的而非限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于濾波器光譜(700)反卷積與再成形的方法(1600)，包括步驟提供(1602)光譜信號(212)的濾波器輸出(214)；在每個光譜波峰確定(1604)該光譜信號(212)的強(qiáng)度和波長；特征表現(xiàn)(1606)該濾波器輸出(214)為輸入光譜信號函數(shù)(216)和第一濾波器函數(shù)(218)之卷積；對該濾波器輸出(214)之兩個函數(shù)(216、218)執(zhí)行(1608)反卷積變換；以及移除(1610)該第一濾波器函數(shù)(218)并加入具有預(yù)定的最佳帶寬的第二濾波器函數(shù)(502)使濾波器輸出(214)光譜(700)再成形。
2.如權(quán)利要求1所述的方法(1600)，其中提供光譜信號(212)的濾波器輸出(214)進(jìn)一步包括用可調(diào)Fabry-Perot濾波器(118)測量光譜信號(212)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法(1600)，其中提供光譜信號(212)的濾波器輸出(214)進(jìn)一步包括提供光譜信號(212)的濾波器輸出(214)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法(1600)，其中提供光譜信號(212)的濾波器輸出(214)進(jìn)一步包括提供密集波分復(fù)用DWDM的光譜信號(700)的濾波器輸出(214)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法(1600)，進(jìn)一步包括對光譜信號(212)的光譜(700)中各種需要波長重復(fù)該提供(1602)、確定(1604)、特征表現(xiàn)(1606)、執(zhí)行變換(1608)、以及移除操作(1610)，以確定對各需要個別波長對應(yīng)的離散信號功率。
6.一種用于濾波器光譜(700)反卷積與再成形的裝置(100)，包括濾波器(118)，用于提供光譜信號(212)的濾波器輸出(214)；檢波器(126)，用于在每個光譜波峰確定該光譜信號(212)的強(qiáng)度和波長；用于特征表現(xiàn)該濾波器輸出(214)為輸入光譜信號函數(shù)(216)和第一濾波器函數(shù)(218)的卷積的電路(140)；用于對該濾波器輸出(214)的兩個函數(shù)(216、218)執(zhí)行反卷積變換的電路(140)；以及用于移除該第一濾波器函數(shù)(218)并加入具有預(yù)定的最佳帶寬的第二濾波器函數(shù)(502)使濾波器輸出(214)光譜(700)再成形的電路(140)。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置(100)，其中該濾波器(118)進(jìn)一步包括可調(diào)Fabry-Perot濾波器(118)。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置(100)，其中該濾波器(118)進(jìn)一步包括用于提供光譜信號(212)濾波器輸出(214)的濾波器。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置(100)，其中該濾波器(118)進(jìn)一步包括用于提供密集波分復(fù)用DWDM光譜信號(700)的濾波器輸出(214)的濾波器。
10.如權(quán)利要求6所述的裝置(100)，進(jìn)一步包括用于對光譜信號(212)的光譜(700)中各種需要波長重復(fù)該提供、確定、特征表現(xiàn)、執(zhí)行變換、以及移除操作的電路(140)，以確定對各需要個別波長對應(yīng)的離散信號功率。
全文摘要
一種用于濾波器光譜反卷積與再成形的方法及裝置，包括提供光譜信號的濾波器輸出以及在每個光譜波峰確定該光譜信號的強(qiáng)度和波長。該濾波器輸出的特征為光譜信號函數(shù)和濾波器函數(shù)的卷積。然后對該濾波器輸出執(zhí)行反卷積變換并移除不需要的濾波器函數(shù)和加入需要的濾波器函數(shù)使輸出濾波器光譜再成形。
文檔編號H04J14/02GK1981468SQ200580022780
公開日2007年6月13日 申請日期2005年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月3日
發(fā)明者K-C·曾, X·華 申請人:升陽電信公司