CN103048121A - 一种光器件测量方法及测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光器件测量方法。本发明方法包括以下步骤：步骤A、利用光频梳调制器将具有固定频率及相位的微波信号调制到由光源输出的光载波上，生成光频梳；利用光子滤波器依次滤出所述光频梳的多根连续梳齿；步骤B、对于所滤出的每一根梳齿，以其作为光载波，利用基于光单边调制的光器件测量方法测量出待测光器件在该梳齿所对应的频带内的传输函数；步骤C、根据各梳齿所对应的频带内的传输函数得到待测光器件在所述多根连续梳齿所对应的频带内的宽带传输函数。本发明还公开了一种采用上述方法的光器件测量装置。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，采用光频梳调制器与光子滤波器协同工作的方式，大幅度提高了测量范围。

Description

一种光器件测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及一种光器件测量方法及测量装置，尤其涉及一种基于光单边带调制的光器件测量方法及测量装置，属于光器件测量、微波光子学技术领域。
背景技术
随着光子技术的快速发展和不断完善，光子系统对光器件的要求越来越高，要研制出高精度的光器件，必须辅以高精度的测量技术。然而，现有的光器件测量技术不足以达到如此之高的测试精度，使得高精度的光器件研制无法取得突破性进展，同时，现有的一些高精度光器件无法在光子系统中发挥最大效用。为了实现超高精度的光器件测量，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 highresolution,"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无与伦比的测量精度（理论上可达到与电频谱分析技术相同的精度），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40GHz带宽范围内光器件的传输函数，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，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高精度光器件测量技术所存在的测量范围过小的不足，提供一种光器件测量方法、测量装置，在确保测量精度的前提下，实现光器件的宽带测量。
本发明采用以下技术方案来解决上述技术问题：
一种光器件测量方法，包括以下步骤：步骤A、利用光频梳调制器将具有固定频率及相位的微波信号调制到由光源输出的光载波上，生成光频梳；利用光子滤波器依次滤出所述光频梳的多根连续梳齿；
步骤B、对于所滤出的每一根梳齿，以其作为光载波，利用基于光单边调制的光器件测量方法测量出待测光器件在该梳齿所对应的频带内的传输函数；
步骤C、根据各梳齿所对应的频带内的传输函数得到待测光器件在所述多根连续梳齿所对应的频带内的宽带传输函数。
一种光器件测量装置，包括光载波生成单元、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以微波扫频信号为参考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；所述光载波生成单元包括光源、微波源、光频梳调制器、光子滤波器，光源、光频梳调制器、光子滤波器沿光路依次连接，微波源的输出端与光频梳调制器的微波输入端连接，光子滤波器的控制端与所述主控单元连接。
为了提高测量精度，上述技术方案中，所述光源优选窄线宽激光器，所述光子滤波器优选高Q值光子滤波器。
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，采用光频梳调制器与光子滤波器协同工作的方式，依次产生多个连续频带的光载波，且相邻的光载波之间不仅频率差是固定的而且相位也是相关的。对于测得的连续频带的传输函数即可采用简单的数据处理方法得到宽的传输函数，从而实现了装置测量范围的拓展。相比现有技术，本发明可将现有的光器件测量范围拓展百倍以上。
附图说明
图1为一种现有的基于光单边带调制的光器件测量装置结构示意图；
图2为本发明的光器件测量装置的结构示意图；
图3（a）、图3（b）分别为使用本发明光器件测量装置测量光纤光栅的结构示意图、各段频谱示意图；其中A为激光器输出的光信号；B为经光频梳调制器调制后输出的光频梳；C为光子滤波器对光频梳进行光载波选取后的光信号，虚线为被滤除的梳齿，实直线为滤出的光载波，实折线为光子滤波器的频谱响应曲线；D为所选取的光载波经单边带调制器调制后的光单边带扫频信号；E为受光纤光栅作用时的光信号，虚线为光纤光栅的幅频响应曲线；F为经光电检测器拍频后的电信号；
图4为具体实施方式中所使用的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，采用光频梳与光子滤波器协同工作的方式，依次产生多个连续频带的光载波，通过测量待测光器件在各频带内的传输函数并通过数值处理即可得到宽带的传输函数，从而实现测量范围的拓展。本发明测量方法具体包括以下步骤：
步骤A、利用光频梳调制器将具有固定频率及相位的微波信号调制到由光源输出的光载波上，生成光频梳；利用光子滤波器依次滤出所述光频梳的多根连续梳齿；
步骤B、对于所滤出的每一根梳齿，以其作为光载波，利用基于光单边调制的光器件测量方法测量出待测光器件在该梳齿所对应的频带内的传输函数；
步骤C、根据各梳齿所对应的频带内的传输函数得到待测光器件在所述多根连续梳齿所对应的频带内的宽带传输函数。
图2显示了本发明光器件测量装置的结构，如图所示，该测量装置包括光载波生成单元、光单边带调制器、微波扫频源、微波幅相接收机、光探测器、主控计算机；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以微波扫频信号为参考提取光探测器输出的电信号的幅度相位信息；主控计算机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。如图中虚线框中所示，本发明的光载波生成单元包括激光器、微波源、光频梳调制器、高Q值光子滤波器，激光器、光频梳调制器、高Q值光子滤波器沿光路依次连接，微波源的输出端与光频梳调制器的微波输入端连接，光子滤波器的控制端与所述主控计算机连接。
使用该装置进行光器件测量时，光频梳调制器将微波源输出的微波信号调制到窄线宽激光器输出的光信号上，调制出具有多个梳齿的光频梳；通过主控计算机控制高Q值光子滤波器的通带中心频率，从而从光频梳中滤出与该通带中心频率对应的梳齿；光单边带调制器将微波扫频源产生的扫频信号调制到高Q值光子滤波器输出的光载波上，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；然后以微波扫频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；通过主控计算机调整高Q值光子滤波器的通带中心频率，使其输出的光载波波长移至下一个频带对应的光载波波长处（即滤出光频梳的下一个梳齿），重复上述步骤，得到待测光器件在多个连续频带（梳齿）内的传输函数并将数据存储在主控单元中；最后，通过主控单元处理所存储的待测光器件在多个连续频带内的传输函数信息，得到待测光器件的宽带传输函数。如所选取的连续频带涵盖光频梳的所有梳齿，则可得到该光频梳所对应频带内待测光器件的宽带传输函数。现在已经报道的光频梳的梳齿根数已经可以达到百根以上[Tetsuya Kawanishi,TakahideSakamoto,Satoshi Shinada,and Masayuki Izutsu,“Optical frequency comb generator usingoptical fiber loops with single-sideband modulation”Journal:IEICE Electronic Express,vol.1,no.8,pp.217-221,2004]，即采用上述方法可将原有的测量范围拓展百倍以上。
为了便于公众理解本发明的技术方案，下面列举一个采用该装置测量光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)的具体实施例。
该测量装置在测量光纤光栅时，其结构如图3（a）所示，图中，A为激光器输出的光信号；B为经光频梳调制器调制后输出的光频梳；C为光子滤波器对光频梳进行光载波选取后的光信号，虚线为被滤除的梳齿，实直线为滤出的光载波，实折线为光子滤波器的频谱响应曲线；D为所选取的光载波经单边带调制器调制后的光单边带扫频信号；E为受光纤光栅作用时的光信号，虚线为光纤光栅的幅频响应曲线；F为经光电检测器拍频后的电信号。信号A～F的频谱图如图3（b）所示。本具体实施例中，采用的光单边带调制器的基本结构如图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，两输出端分别与马赫-曾德尔双臂调制器（MZM）的两微波输入端口相连，马赫-曾德尔双臂调制器的光输入端口与所述光载波生成单元相连。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。给予适当的直流偏置，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300Hz的窄线宽激光器，因此，测量装置的分辨率约为300Hz。由于光频梳的齿间隔频率由微波源的频率决定，受益于成熟的微波固态源技术（频率稳定度一般约为几Hz甚至更高），光频梳的齿间距频率的漂移可忽略不计。因此，采用高Q值的光子滤波器选择光载波的方法，可依次产生频率间隔一定相位相关的连续频带的光载波，因而可精确测量多个连续频带内待测光器件的传输函数，经数据处理即可得到光纤光栅的宽带传输函数。具体而言，使用该装置进行光纤光栅测量时，按照以下步骤：
步骤1、光载波波长选取步骤：通过扫描高Q值光子滤波器通带的中心波长，确定光载波生成单元产生各频带光载波时高Q值光子滤波器的控制电流；
步骤2、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，主控计算机按照步骤1中确定的控制电流控制高Q值光子滤波器的通带中心频率，使其依次输出各个频带的光载波，并在对应的频带内测量系统的传输函数，主控单元存储这些传输函数并进行处理，得到宽带的系统传输函数；
步骤3、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1中确定的控制电流控制高Q值光子滤波器的通带中心频率，使其依次输出各个频带的光载波，在对应频带内测量光纤光栅的传输函数；主控单元存储这些传输函数并对其进行数据处理得到光纤光栅的宽带传输函数，再利用步骤B中所得的系统传输函数对测得的光纤光栅的宽带传输函数进行校正，从而得到消除系统误差后的待测光纤光栅的宽带传输函数。
下面对该光器件测量装置的工作原理进行简要介绍。
光单边带调制器将微波扫频源产生的微波信号
Figure BDA00002637774700051
调制到光载波生成模块输出的一个光载波
Figure BDA00002637774700052
上，产生由光载波与一个光边带组成的光单边带信号
Figure BDA00002637774700053
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H(ω)+H’(ω)的作用，幅度和相位发生相对变化。得到的光单边带信号为：
Figure BDA00002637774700054
Figure BDA00002637774700055
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Ei(ωe)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
Figure BDA00002637774700061
是固定的，因此，
Figure BDA00002637774700062
是一个复常数，且α、
Figure BDA00002637774700063
Figure BDA00002637774700064
Figure BDA00002637774700065
和
Figure BDA00002637774700066
均为已知常数，所以可得
Figure BDA00002637774700067
其中α为光探测器响应系数，
Figure BDA00002637774700068
为单边带信号中光载波的幅度，
Figure BDA00002637774700069
为单边带信号中光边带的幅度，
Figure BDA000026377747000610
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，
Figure BDA000026377747000612
为单边带信号中光载频处待测器件传输函数值的共轭，Ei(ωe)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H’(ω)对得到的待测器件传输函数H(ω)进行校正，得到实际的待测器件传输函数：
Figure BDA000026377747000613
Figure BDA000026377747000614
为第i个频段内待测光器件的传输函数，在这里略小于ωe。若测量n个连续频带内的传输函数即可得到
Figure BDA000026377747000616
范围内待测光器件的传输函数。

Claims (4)

1.一种光器件测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、利用光频梳调制器将具有固定频率及相位的微波信号调制到由光源输出的光载波上，生成光频梳；利用光子滤波器依次滤出所述光频梳的多根连续梳齿；
步骤B、对于所滤出的每一根梳齿，以其作为光载波，利用基于光单边调制的光器件测量方法测量出待测光器件在该梳齿所对应的频带内的传输函数；
步骤C、根据各梳齿所对应的频带内的传输函数得到待测光器件在所述多根连续梳齿所对应的频带内的宽带传输函数。
2.一种光器件测量装置，包括光载波生成单元、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以微波扫频信号为参考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光源、微波源、光频梳调制器、光子滤波器，光源、光频梳调制器、光子滤波器沿光路依次连接，微波源的输出端与光频梳调制器的微波输入端连接，光子滤波器的控制端与所述主控单元连接。
3.如权利要求2所述光器件测量装置，其特征在于，所述光源为窄线宽激光器。
4.如权利要求2所述光器件测量方法，其特征在于，所述光子滤波器为高Q值光子滤波器。
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