CN102638305B - 一种基于光单边带调制的光器件测量方法、测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光单边带调制的光器件测量方法。本发明用两个并联的可调谐窄线宽激光器替换原测量装置中单个输出波长固定的窄线宽激光器，并利用控制两激光器交替工作的方法将光单边带测量技术的测量范围从原来的0.4nm拓展到40nm以上，从而实现了光器件在某一波段内任意波长响应的测试。本发明还公开了一种基于光单边带调制的光器件测量装置以及该装置的使用方法。相比现有的光单边带测量技术，本发明极大地拓展了测量装置的测量范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种光器件测量方法、测量装置，尤其涉及一种基于光单边带调制的光器件测量方法、测量装置，属于光器件测量、微波光子学技术领域。
背景技术
激光技术和相关应用系统的飞速发展对光器件测试的要求越来越高，然而光测量技术，尤其是光谱测量技术，在过去十多年中却鲜有实质性的进步，不仅使高性能器件的研究难以取得重大突破，也使得高精度光器件无法在光系统中发挥最大性能。例如：布拉格光纤光栅（FBG）的最小带宽已低至9 MHz（参见[P. Yves, A. Maryse, B. Guillaume, and P. Marie-Josée, "Ultra-narrowband Notch Filtering With Highly Resonant Fiber Bragg Gratings," in BGPP 2010, p. BTuC3.]），而波长解调装置的分辨率却仍为数十MHz（参见 [A. Martinez, A. Villafranca, and R. Escorihuela, “High Resolution and Complex Optical Spectrum Analysis,” Aragon Photonics white paper, 2010.]），大大限制了光纤光栅传感的精度。此外，慢光等效应的研究需要在数百MHz带宽内精确测量器件的相位响应，但已有测试方法难以满足如此高的测量需求。
当前最先进的光器件测量设备为Luna Technologies公司推出的光矢量分析仪(Optical Vector Analyzer, OVA)OVA 5000，可以测量光器件的插入损耗、色散、偏振模色散、偏振相关损耗、琼斯矩阵、群延时、冲击响应、相位响应等参数。但其分辨率仅为125 MHz，无法满足高精度光器件（如上述带宽为9 MHz的光纤光栅）的测试需求。这是因为传统光矢量网络分析仪的扫频操作仍然在光域中进行，即通过改变激光器的波长进行频谱扫描，而这必然需要与光谱仪类似的机制确定波长的绝对值。为了解决这个问题，1998年J. E. Roman提出了基于光单边带调制的光矢量分析方法[J. E. Román, M. Y. Frankel, and R. D. Esman, "Spectral characterization of fiber gratings with high resolution," Opt. Lett., vol. 23, no. 12, pp. 939-941, Jun. 1998.]。这种方法的本质是将光域的扫频操作转换到电域进行，受益于成熟的电频谱分析技术，其测试精度有了质的飞跃。
图1是典型的基于光单边带调制的测量装置的结构示意图，主要包括主控计算机、窄线宽激光器、微波扫频源、宽带光单边带调制器、光探测器及微波幅相接收机。其工作原理如下：首先，利用宽带光单边带调制器将微波扫频源产生的微波信号调制到窄线宽激光器输出的光载波上，产生只包含光载波和一个光边带的光单边带信号；使该光单边带信号经待测器件后送至光探测器，进行光电转换；然后，以微波扫频信号为参考，利用微波幅相接收机提取光探测器输出的微波信号的幅度相位信息；最后，通过主控计算机接收、存储并处理微波幅相接收机提取的幅度相位信息，得到待测光器件的传输函数。
虽然该测量装置具有很高的测量精度，但受微波扫频源扫频带宽（约为40GHz）限制，只能测得光载频处约40 GHz带宽范围内的光器件传输函数，难以与光器件动辄数THz的工作范围相适应。测量范围过小是该技术走向实用的最大障碍，但当前尚未有有效解决方案的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的测量范围过小的不足，提供一种基于光单边带调制的光器件测量方法、测量装置，能够在确保测量精度的前提下，实现光器件的宽带传输函数的测量，从而大幅提高测量范围。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题。
一种基于光单边带调制的光器件测量方法，利用光单边带调制器将微波扫频信号调制到光载波上，生成光单边带扫频信号；使光单边带扫频信号通过待测光器件，然后通过光电转换将其转换为电信号；结合所述微波扫频信号的幅度相位，提取所述电信号的幅度相位信息，获得待测光器件的传输函数；所述光载波为利用两个可调谐窄线宽激光器交替输出的多个连续频带光载波的组合；所述待测光器件的传输函数为根据所述各频带的传输函数处理得到的宽带传输函数。
一种基于光单边带调制的光器件测量装置，包括光载波产生模块、光单边带调制器、微波扫频源、微波幅相接收机、光探测器、主控单元；光单边带调制器将微波扫频源输出的微波扫频信号调制到光载波产生模块输出的光载波上，生成光单边带扫频信号；光探测器用于将通过待测光器件的光单边带扫频信号转换为电信号输出；微波幅相接收机用于提取光探测器输出的电信号的幅度相位信息；主控单元用于对光载波产生模块和微波扫频源进行控制，并进行数据存储、处理和结果显示；其特征在于，所述光载波生成单元包括第一和第二可调谐窄线宽激光器，两个可调谐窄线宽激光器的控制端分别与所述主控单元连接，两个可调谐窄线宽激光器的输出端同时与所述光单边带调制器的输入端连接。
所述基于光单边带调制的光器件测量装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤A、光载波波长标定步骤：
步骤A1、按照下式初步确定各频带光载波波长：
其中，为光速；为光载波初始波长；为微波扫频源扫频带宽；为可调谐窄线宽激光器频率调谐精度；
步骤A2、根据可调谐激光器控制电流与输出光载波波长的大致关系，确定控制电流的大小，控制电流的表达式如下：
其中，为第一可调谐窄线宽激光器控制电流与输出光载波波长的大致关系函数；为第二可调谐窄线宽激光器控制电流与输出光载波波长的大致关系函数；
步骤A3、通过主控单元控制光载波产生模块的控制电流，使第一可调谐窄线宽激光器的控制电流为，第二可调谐窄线宽激光器的控制电流为；将两个激光器输出的光载波同时送至光单边带调制器光输入端口，用微波扫频源产生的微波信号对其进行单边带调制，并将调制后的光信号直接送至光探测器，进行光电转换；将光探测器输出的电信号送至微波幅相接收机进行幅度相位信息的提取，并利用主控单元对所提取的幅度和相位信息进行分析，找出幅度和相位抖动最大的频点，然后根据下式确定此时第二可调谐窄线宽激光器所输出光载波精确的波长：
；
保持第二可调谐窄线宽激光器的控制电流不变，改变第一可调谐窄线宽激光器的控制电流使其控制电流为，同理可得第一可调谐窄线宽激光器此时输出的光载波的精确波长；
交替改变两个激光器的控制电流，即可得相应控制电流下对应的激光器输出光载波波长的精确值，其表达式为：
式中，为精确标定第n个光载波波长时幅度和相位发生最大抖动的频点；
步骤B、测量装置校准步骤：将光单边带调制器的输出端口与光探测器的输入端口直接相连，主控单元按照步骤A中确定的控制电流控制第一和第二可调谐窄线宽激光器交替工作，使第一和第二可调谐窄线宽激光器依次交替地输出各个频带的光载波；在每个频带内通过对微波扫频源频率的扫描得到各频带的传输函数，主控单元存储这些传输函数并进行处理，得到系统的宽带传输函数；
步骤C、测量步骤：接入待测光器件，待测光器件的输入、输出端口分别与光单边带调制器的输出端口、光探测器的输入端口相连；主控单元按照步骤A中确定的控制电流控制第一和第二可调谐窄线宽激光器交替工作，使第一和第二可调谐窄线宽激光器依次交替地输出各个频带的光载波，在每个频带内通过对微波扫频源频率的扫描得到各频带的传输函数；主控单元存储这些传输函数并对其进行数据处理得到宽带传输函数，再利用步骤B中所得的系统的宽带传输函数对测得的宽带传输函数进行校正，得到待测光器件精确的宽带传输函数。
本发明在现有基于光单边带调制的光器件测量方法基础上，将原有的单个输出波长固定的窄线宽激光器替换成两个并联的可调谐窄线宽激光器，通过控制两激光器交替工作的方法拓展了装置的测量范围。
附图说明
图1为一种现有基于光单边带调制的测量装置的结构示意图；
图2为本发明基于光单边带调制的光器件测量装置的结构示意图；
图3（a）为使用本发明测量装置测量光纤光栅的示意图；
图3（b）为使用本发明测量装置测量光纤光栅的频谱原理示意图；
图4为本发明实施例中宽带光单边带调制器的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的思路是在现有基于光单边带调制的光器件测量方法基础上，将原有的单个输出波长固定的窄线宽激光器替换成两个并联的可调谐窄线宽激光器，通过控制两激光器交替工作的方法拓展装置的测量范围。
图2显示了本发明基于光单边带调制的光器件测量装置的结构示意图，如图所示，该测量装置包括：
主控计算机，控制光载波产生模块和微波扫频源，同时存储各个频带的传输函数，并进行数据处理和结果显示；
光载波产生模块，由两个并联的可调谐窄线宽激光器组成，在主控计算机的控制下交替输出不同频带的光载波，从而形成由多个连续频带构成的宽带光载波；
微波扫频源，产生频率可调谐的微波信号；
光单边带调制器，对光载波进行单边带调制，产生光单边信号，其光输入端口与光载波产生模块输出端口相连，微波输入端口与微波扫频源输出端口相连；
待测光器件，是需要进行频谱特性及偏振参数测量的光器件；
光探测器，接收光信号，并进行光电转换；
微波幅相接收机，以微波扫频信号为参考，提取光探测器输出电信号的幅度相位信息；
主控计算机的控制信号输出端口分别与两个可调谐窄线宽激光器及微波扫频源的控制端口相连，以控制光载波波长及微波扫频源频率；光单边带调制器的光输入端口与光载波产生模块输出端口相连，微波输入端口与微波扫频源的输出端口相连，其后依次连接待测光器件、光探测器、微波幅相接收机，微波幅相接收机的输出端口与主控计算机输入端口相连。
使用时首先利用宽带光单边带调制器将微波扫频源产生的扫频信号调制到光载波产生模块输出的光载波上，生成光单边带扫频信号，并使该光单边带信号经待测光器件后送至光探测器，进行光电转换；然后以微波信号源的输出信号为参考，利用微波幅相接收机提取光探测器输出信号的幅度相位信息并存储于主控计算机中；通过主控计算机控制光载波产生模块，使其产生的光载波波长移至下一个频带所标定的光载波处，重复上述步骤，测量多个连续频带的传输函数并将数据存在主控计算机中；最后，通过主控计算机处理所存的各频带传输函数信息，得到待测光器件的宽带传输函数。
实际测量时，首先，对光载波波长进行标定；接着进行系统校准，在两个测试端口直接相连的情况下，将测得的系统的宽带传输函数储存在主控计算机中；然后，在该装置中级联待测光器件，测得待测器件的宽带传输函数；最后，运用系统校准时得到的系统传输函数对测得的器件传输函数进行校正，得到待测器件的宽带传输函数。
利用本发明的光器件测量装置即可实现对光器件传输函数的宽带精确测量。为了便于公众理解本发明的技术方案，下面举一个采用该装置测量光纤光栅(FBG)的具体实施例。
该测量装置测量光纤光栅的结构如图3（a）所示，由主控计算机、光载波产生模块、微波扫频源、宽带光单边带调制器、待测光器件、光探测器、微波幅相接收机组成。其中，光载波产生模块包括两个并联的可调谐窄线宽激光器：激光器1和激光器2，激光器1和激光器2的控制端分别与主控计算机连接，输出端同时与宽带光单边带调制器的输入端连接。该测量装置的频谱原理如图3（b）所示，A为光载波产生模块输出的光载波频谱图，B为经单边带调制器调制后得到的光单边带信号的频谱，C为受光纤光栅作用时的频谱图，虚线为光纤光栅的幅频响应曲线，D为经拍频后将光纤光栅光域幅频响应曲线移至电域，以便于被微波幅相接收机所检测。本具体实施例中，宽带光单边带调制器如图4所示，由90°微波定向耦合器和马赫-曾德尔双臂调制器组成；90°微波定向耦合器的输入端与所述微波扫频源的输出端连接，两个输出端分别与马赫-曾德尔双臂调制器（MZM）的两个微波输入端连接，马赫-曾德尔双臂调制器的光输入端口与所述光载波产生模块相连。通过90°微波定向耦合器将输入的微波信号分成两路功率相等的正交信号，分别输至马赫-曾德尔双臂调制器的两个微波输入端口。利用该调制器，将从微波输入端口输入的两路正交微波信号调制在从光输入端口输入的光载波上，产生由光载波和一个光边带组成的光单边带信号。
基于光单边带调制的测量装置本身具有很高的分辨率，一般采用线宽为100kHz的可调谐窄线宽激光器，因此，测量装置的分辨率约为100kHz。但由于现有可调谐窄线宽激光器的频率调谐精度约为±20pm（±2.5GHz），为了在采用本发明测量方法实现测量范围的拓宽的同时，又不降低测量精度，本发明在使用本发明测量装置时首先对各频带光载波的波长进行精确地标定，标定精度约为激光器线宽的两倍。具体而言，使用该装置进行光纤光栅的测量时，按照以下步骤：
步骤A、光载波波长标定步骤：
步骤A1、按照下式初步确定各频带光载波波长：
其中，为光速；为光载波初始波长；为微波扫频源扫频带宽；为可调谐窄线宽激光器频率调谐精度；
步骤A2、根据可调谐激光器控制电流与输出光载波波长的大致关系，确定控制电流的大小，控制电流的表达式如下：
其中，为激光器1控制电流与输出光载波波长的大致关系函数；为激光器2控制电流与输出光载波波长的大致关系函数；
步骤A3、通过主控计算机控制光载波产生模块的控制电流，使激光器1的控制电流为，激光器2的控制电流为；将两个激光器输出的光载波同时送至宽带光单边带调制器光输入端口，用微波扫频源产生的微波信号对其进行单边带调制，并将调制后的光信号直接送至光探测器，进行光电转换；将光探测器输出的电信号送至微波幅相接收机进行幅度相位信息的提取，并利用主控计算机对所提取的幅度和相位信息进行分析，找出幅度和相位抖动最大的频点，然后根据下式确定此时激光器2所输出光载波精确的波长：
；
保持激光器2的控制电流不变，改变激光器1的控制电流使其控制电流为，同理可得激光器1此时输出的光载波的精确波长；
交替改变两个激光器的控制电流，即可得相应控制电流下对应的激光器输出光载波波长的精确值，其表达式为：
式中，为精确标定第n个光载波波长时幅度和相位发生最大抖动的频点；
步骤B、测量装置校准步骤：将宽带光单边带调制器的输出端口与光探测器的输入端口直接相连，主控计算机按照步骤A中确定的控制电流控制激光器1和激光器2交替工作，使激光器1和激光器2依次交替地输出各个频带的光载波；在每个频带内通过对微波扫频源的频率进行扫描得到各频带的传输函数，主控单元存储这些传输函数并进行处理，得到系统的宽带传输函数；
步骤C、测量步骤：接入待测光纤光栅，待测光纤光栅的输入、输出端口分别与宽带光单边带调制器的输出端口、光探测器的输入端口相连；主控计算机按照步骤A中确定的控制电流控制激光器1和激光器2交替工作，使激光器1和激光器2依次交替地输出各个频带的光载波，在每个频带内通过对微波扫频源的频率进行扫描得到各频带的传输函数；主控计算机存储这些传输函数并对其进行数据处理得到宽带传输函数，再利用步骤B中所得的系统的宽带传输函数对测得的宽带传输函数进行校正，得到待测光器件精确的宽带传输函数。
下面对该光器件测量装置的工作原理进行简要介绍。
宽带光单边带调制器将微波扫频源产生的微波信号调制到窄线宽激光器输出的光载波上，产生由光载波与一个光边带组成的光单边带信号。当光单边带信号通过待测器件时，其光载波和边带受到系统传输函数的作用，幅度和相位发生相对变化。得到的光单边带信号为：
在光探测器里，光单边带信号的载波与边带拍频得到微波信号：
此微波信号携带了待测器件传输函数的信息。通过微波幅相接收机可获得相对于其输出的微波信号的幅度和相位的变化信息。由于载频是固定的，因此，是一个复常数，且、、、和均为已知常数，所以可得
其中为光探测器响应系数，为单边带信号中光载波的幅度，为单边带信号中光边带的幅度，为单边带信号中光载波的初始相位，为单边带信号中光边带的初始相位，为单边带信号中光载频处待测器件传输函数值的共轭，为检测到的光探测器输出的微波信号相对于微波调制信号的幅度和相位变化。
用没有级联待测器件情况下得到的系统传输函数对得到的待测器件传输函数进行校正，得到实际的待测器件传输函数：
本发明在保持测量精度不降低的前提下，极大地拓宽了基于光单边带调制的光器件测量技术的测量范围，理论上，本发明方法的测试范围决定于可调谐激光器的调谐范围，如安捷伦(Agilent)公司的81989A可调型激光源的调谐范围已达110 nm，采用该激光源即可测得110 nm范围内的传输函数。即便受系统器件工作波长范围（约40 nm）的限制，实际只能测得40 nm波长范围内的器件传输函数，但相比于现有技术不到0.4 nm的测量范围，也将测量范围提高了两个量级。
Claims (2)
1.一种基于光单边带调制的光器件测量方法，利用光单边带调制器将微波扫频信号调制到光载波上，生成光单边带扫频信号；使光单边带扫频信号通过待测光器件，然后通过光电转换将其转换为电信号；结合所述微波扫频信号的幅度相位，提取所述电信号的幅度相位信息，获得待测光器件的传输函数；其特征在于，所述光载波为利用两个可调谐窄线宽激光器交替输出的多个连续频带光载波的组合，所述多个连续频带光载波的波长按照以下方法标定得到：
步骤1、按照下式初步确定各频带光载波波长：
其中，为光速；为光载波初始波长；为微波扫频带宽；为可调谐窄线宽激光器频率调谐精度；
步骤2、根据可调谐激光器控制电流与输出光载波波长的关系，确定控制电流的大小如下：
其中，为第一个可调谐窄线宽激光器控制电流与输出光载波波长的大致关系函数；为第二个可调谐窄线宽激光器控制电流与输出光载波波长的大致关系函数；
步骤3、使第一个可调谐窄线宽激光器的控制电流为，第二个可调谐窄线宽激光器的控制电流为；将两个激光器输出的光载波同时送至光单边带调制器光输入端口，用微波扫频源产生的微波信号对其进行单边带调制，并将调制后的光信号进行光电转换；提取光电转换后电信号的幅度相位信息，找出幅度和相位抖动最大的频点，然后根据下式确定此时第二个可调谐窄线宽激光器所输出光载波精确的波长：
；
保持第二个可调谐窄线宽激光器的控制电流不变，改变第一个可调谐窄线宽激光器的控制电流使其控制电流为，同理可得第一可调谐窄线宽激光器此时输出的光载波的精确波长；
交替改变两个激光器的控制电流，即可得相应控制电流下对应的激光器输出光载波波长的精确值，其表达式为：
式中，为精确标定第n个光载波波长时幅度和相位发生最大抖动的频点；
所述待测光器件的传输函数为根据所述各频带的传输函数处理得到的宽带传输函数，按照以下方法得到：按照上述标定方法所确定的控制电流控制第一个和第二个可调谐窄线宽激光器交替工作，使第一个和第二个可调谐窄线宽激光器依次交替地输出各个频带的光载波；在每个频带内通过对微波扫频信号的扫描得到各频带的传输函数，将各频带的传输函数进行处理得到待测光器件的宽带传输函数。
2.一种基于光单边带调制的光器件测量装置的使用方法，所述基于光单边带调制的光器件测量装置，包括光载波产生模块、光单边带调制器、微波扫频源、微波幅相接收机、光探测器、主控单元；光单边带调制器将微波扫频源输出的微波扫频信号调制到光载波产生模块输出的光载波上，生成光单边带扫频信号；光探测器用于将通过待测光器件的光单边带扫频信号转换为电信号输出；微波幅相接收机用于提取光探测器输出的电信号的幅度相位信息；主控单元用于对光载波产生模块和微波扫频源进行控制，并进行数据存储、处理和结果显示；所述光载波产生模块包括第一和第二可调谐窄线宽激光器，两个可调谐窄线宽激光器的控制端分别与所述主控单元连接，两个可调谐窄线宽激光器的输出端同时与所述光单边带调制器的输入端连接；所述使用方法包括以下步骤：
步骤A、光载波波长标定步骤：
步骤A1、按照下式初步确定各频带光载波波长：
其中，为光速；为光载波初始波长；为微波扫频源扫频带宽；为可调谐窄线宽激光器频率调谐精度；
步骤A2、根据可调谐激光器控制电流与输出光载波波长的关系，确定控制电流的大小，控制电流的表达式如下：
其中，为第一可调谐窄线宽激光器控制电流与输出光载波波长的大致关系函数；为第二可调谐窄线宽激光器控制电流与输出光载波波长的大致关系函数；
步骤A3、通过主控单元控制光载波产生模块的控制电流，使第一可调谐窄线宽激光器的控制电流为，第二可调谐窄线宽激光器的控制电流为；将两个激光器输出的光载波同时送至光单边带调制器光输入端口，用微波扫频源产生的微波信号对其进行单边带调制，并将调制后的光信号直接送至光探测器，进行光电转换；将光探测器输出的电信号送至微波幅相接收机进行幅度相位信息的提取，并利用主控单元对所提取的幅度和相位信息进行分析，找出幅度和相位抖动最大的频点，然后根据下式确定此时第二可调谐窄线宽激光器所输出光载波精确的波长：
；
保持第二可调谐窄线宽激光器的控制电流不变，改变第一可调谐窄线宽激光器的控制电流使其控制电流为，同理可得第一可调谐窄线宽激光器此时输出的光载波的精确波长；
交替改变两个激光器的控制电流，即可得相应控制电流下对应的激光器输出光载波波长的精确值，其表达式为：
式中，为精确标定第n个光载波波长时幅度和相位发生最大抖动的频点；
步骤B、测量装置校准步骤：将光单边带调制器的输出端口与光探测器的输入端口直接相连，主控单元按照步骤A中确定的控制电流控制第一和第二可调谐窄线宽激光器交替工作，使第一和第二可调谐窄线宽激光器依次交替地输出各个频带的光载波；在每个频带内通过对微波扫频源频率的扫描得到各频带的传输函数，主控单元存储这些传输函数并进行处理，得到系统的宽带传输函数；
步骤C、测量步骤：接入待测光器件，待测光器件的输入、输出端口分别与光单边带调制器的输出端口、光探测器的输入端口相连；主控单元按照步骤A中确定的控制电流控制第一和第二可调谐窄线宽激光器交替工作，使第一和第二可调谐窄线宽激光器依次交替地输出各个频带的光载波，在每个频带内通过对微波扫频源频率的扫描得到各频带的传输函数；主控单元存储这些传输函数并对其进行数据处理得到测得的宽带传输函数，再利用步骤B中所得的系统的宽带传输函数对测得的宽带传输函数进行校正，得到待测光器件精确的宽带传输函数。
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