CN103091072B - 基于光单边带调制的光器件测量方法、测量装置 - Google Patents

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。本发明方法在现有基于光单边带调制的光器件测量技术基础上进行了改进，在进行光电转换时，将通过待测光器件的光单边带扫频信号等分为两路，滤除其中一路的载波并调节另一路的光路长度使得两光路等长；最后利用平衡光电探测器对这两路光信号进行平衡光电检测，得到转换后的电信号。本发明还公开了一种采用上述方法的基于光单边带调制的光器件测量装置。本发明通过采用平衡光电探测的方法消除了传统的基于光单边带调制的光器件测量技术在实际测量过程中由光单边带调制信号中众多高阶边带及残留的一阶边带拍频在测量结果中引入的误差。相比现有技术，本发明可获得更为精确的测量结果。

Description

基于光单边带调制的光器件测量方法、测量装置

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

近年来，随着激光技术的飞速发展，光子系统得到了广泛的应用，如超高精度光纤传感、长距离光纤通信等。然而，光测量技术的发展却停滞不前，不仅使得高精度光器件的研发制作举步维艰，而且也使得现有的光器件无法在光系统中发挥最大效用。例如：布拉格光纤光栅（FBG）的最小带宽已低至9MHz，而现有的光测量技术的测量精度仍为上百MHz（目前，最先进的光矢量分析仪Luna OVA5000的测量精度也仅为125MHz），无法精确地测得上述FBG的幅频响应及相频响应特性。

为了实现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。该方法将传统光矢量分析仪在光域的扫频操作搬移到电域进行，受益于成熟的电频谱分析技术，其测试精度得到了质的飞跃。我们已在38GHz的频带范围内实现了测量分辨率达78kHz的光器件测量，相比于商用光矢量分析仪的测量结果，该方法所测得的响应更加清晰地反映了待测光器件的响应。

尽管该测量方法具有无与伦比的测量分辨率，但实际调制得到的光单边带信号往往不是理想的，其频谱中不仅一个一阶边带不能被完全抑制，而且还具有很多高阶分量。传统的基于光单边带调制的光器件测量方案中，这些高阶分量和残留的一阶边带之间拍频得到的微波信号在光电探测器输出的微波信号中占有较大比例，从而使得测得的结果中包含较大的误差。因此，无法准确测得待测光器件的传输函数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于光单边带调制的光器件测量方法、测量装置，在具有极高测量分辨率的同时得到极其精确的测量结果。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

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；所述光电转换具体按照以下方法：将通过待测光器件的光单边带扫频信号等分为两路，滤除其中一路的载波并调节另一路的光路长度使得两光路等长；最后利用平衡光电探测器对这两路光信号进行平衡光电检测，得到转换后的电信号。

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、微波幅相提取模块、光电转换模块、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；光电转换模块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；微波幅相提取模块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；所述光电转换模块包括光分束器、可调光延时线、光滤波器、平衡光电探测器，光分束器的输入端与待测光器件的输出端连接，将输入的光信号等分为两路；两路光信号分别通过可调光延时线、光滤波器与所述平衡光电探测器的两个输入端连接，平衡光电探测器的输出端与所述微波幅相提取模块连接。

本发明通过采用平衡光电探测的方法消除了传统的基于光单边带调制的光器件测量技术在实际测量过程中由光单边带调制信号中众多高阶边带及残留的一阶边带拍频在测量结果中引入的误差。相比现有技术，本发明可获得更为精确的测量结果。

附图说明

图1为本发明的光器件测量装置结构框图；

图2为本发明实施例的测量装置结构框图；

图3为本发明实施例的频谱原理示意图，其中，A为窄线宽激光器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为受待测光器件作用时的频谱图，虚线为待测光器件的幅频响应曲线，D为微波矢量网络分析仪测得的待测光器件响应；

图4为本发明实施例中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：

本发明的目的在于通过消除光单边带调制信号中的众多高阶边带及残留的一阶边带在光电转换中所引入的测量误差，从而进一步提高现有基于光单边带调制的光器件测量方法的测量精确度，本发明所采用的技术方案是将通过待测光器件的光单边带扫频信号等分为两路，滤除其中一路的载波并调节另一路的光路长度使得两光路等长；最后利用平衡光电探测器对这两路光信号进行平衡光电检测，得到转换后的电信号。

本发明的基于光单边带调制的光器件测量装置，如图1所示，包括：光载波产生模块、光单边带调制器、微波扫频源、微波幅相提取模块、光电转换模块、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；光电转换模块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；微波幅相提取模块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。为了消除光单边带调制信号中的众多高阶边带及残留的一阶边带，本发明的光电转换模块如图所示，包括50：50的光分束器、光滤波器、可调光延时线、平衡光电探测器，光分束器的一路输出经由可调光延时线与平衡光电探测器的一个输入相连，另一路输出级联光滤波器后与平衡光电探测器的另一个输入相连，平衡光电探测器的输出与微波幅相提取模块的输入端相连。其中光滤波器用于将所在光路光信号中的光载波滤除，可采用相移光纤光栅、均匀布拉格光纤光栅、陡峭沿可调谐光滤波器、基于受激布里渊散射的有源光子滤波器等。

光单边带调制器将微波扫频源产生的微波信号调制到光载波生成模块输出的光载波上，生成光单边带扫频信号。当该光单边带信号通过待测光器件时，受到待测光器件传输函数的作用，其载波和各阶边的幅度和相位均发生变化。光分束器将经待测光器件的光信号等分成两路，其中一路用光滤波器滤除载波，另一路通过调节可调光延时线的延时使两光路等长。随后将两路光信号输至平衡光电探测器进行平衡光电探测，得到携带测光器件传输函数信息的微波信号。微波幅相提取模块以微波扫频源的输出为参考，提取该微波信号中所携的待测光器件的幅度和相位信息，输至主控单元。主控单元对数据进行处理得到准确的待测光器件传输函数。

本发明是利用如上所述的基于平衡光电探测器的光电转换模块来消除光单边带调制信号中的众多高阶边带及残留的一阶边带拍频所引入的测量误差，因此，测量装置中的光单边调制器、光载波生成模块可采用现有的各种技术。例如，光载波生成模块可利用传统的窄线宽激光器直接生成光载波，也可以采用一份中国发明专利（申请号为201210086930.4，申请日为2012-3-29，公开日为2012-8-15）中所公开的方案：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作为光载波；或者其它扩展测量带宽的方案，从而在降低测量误差的同时获得更宽的测量范围。

实际测量时，首先，将光载波生成模块输出的光载波波长设置在待测光器件所需测量频段的最小波长处，并将光分束器输出的两路光信号中一路的光滤波器的阻带中心对准载波，调节另一路中的可调光延时线长度，使两光路到平衡探测器的长度相同；然后移除待测光器件，将宽带光单边带调制器的输出与光分束器的输入直接相连，对微波扫频源输出的微波信号进行频率扫描，得到没有级联待测光器件情况下的系统传输函数；最后，级联待测光器件并扫描微波扫频源输出微波信号的频率，主控单元存储测得的待测光器件传输函数，并用上述没有级联待测光器件情况下得到的系统传输函数对测得的待测光器件传输函数进行校正，得到精确的待测光器件传输函数。

利用本发明的光器件测量装置可对光器件进行高分辨率的精确测量。为了便于公众理解本发明的技术方案，下面举一个光器件测量装置的具体实施例。

该光器件测量装置的结构如图2所示，包括：微波矢量网络分析仪（其中整合了微波扫频源、微波幅相提取模块以及主控单元）、窄线宽激光器、光单边带调制器、光分束器、相移光纤光栅、可调光延时线及平衡光电探测器。光单边带调制器的光输入与窄线宽激光器的输出相连，微波输入与微波矢量网络分析仪中微波扫频源的输出相连；其后依次连接待测光器件和光分束器，光分束器的一路输出经由可调谐光延时线与平衡光电探测器的一个输入相连，另一路输出级联相移光纤光栅后与平衡光电探测器的另一个输入相连。该装置的频谱原理如图3所示，其中，A为窄线宽激光器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为受待测光器件作用时的频谱图，虚线为待测光器件的幅频响应曲线，D为微波矢量网络分析仪测得的待测光器件响应。

本具体实施例中，光单边带调制器由90°微波电桥和双驱动马赫-曾德尔调制器组成；90°微波电桥的输入与所述微波扫频源的输出相连，两个输出分别与双驱动马赫-曾德尔调制器的两个微波输入相连，双驱动马赫-曾德尔调制器的光输入与所述窄线宽激光器输出相连，其原理如图3所示，通过90°微波电桥将输入的微波信号分成两路功率相等的正交信号，分别输入至双驱动马赫-曾德尔调制器的两个微波输入端口。利用该调制器，将微波信号调制到光载波上，予以适当的直流偏置，生成光单边带信号。

实际使用上述光器件测量装置时，按照以下步骤：

系统设置步骤：将窄线宽激光器输出的光载波波长设置在待测光器件所需测量频率范围的最小波长处，将光分束器输出的两路光信号中一路的相移光纤光栅的阻带中心对准载波，调节另一路中的可调光延时线长度，使两光路到平衡探测器的长度相同；

校准步骤：移除装置中的待测光器件，将宽带光单边带调制器的输出与光分束器的输入直接相连，其他装置不变，应用矢量网络分析仪中自带的直通校准方法对系统进行校准；

测试步骤：在宽带光单边带调制器的输出与光分束器的输入之间级联待测光器件，采用矢量网络分析仪测得待测光器件的响应。

下面对该光器件测量装置的工作原理进行简要介绍：

若90°定向耦合器输出的两路微波信号分别为S_e1=Vcos(ω_et)和S_e2=Vsin(ω_et)，光载波信号为S_o=E_oexp(iω_ot)，予以适当的直流偏置，调制得到的光单边带信号为：

$E_{\mathrm{SSB}}\left(t\right)\∝\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{o}t\right)\exp \left\{i\right[\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{S}_{e1}-\mathrm{\π}/2\left]\right\}+\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{o}t\right)\exp \left[i\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{S}_{e2}\right]$

$=\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{o}t\right)\exp \left\{i\right[\mathrm{\β}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)-\mathrm{\π}/2\left]\right\}+\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{o}t\right)\exp \left[\mathrm{i\β}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)\right]$

$=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{J_m\left(\mathrm{\β}\right)(i^{m-1}+1)\exp \right[i({\mathrm{\ω}}_o+m{\mathrm{\ω}}_e)t\left]\right\}$

其中，β为调制系数，β=πV/Vπ。

假设PS-FBG（移相光纤光栅）对下路探测信号中的光载波的衰减为αexp(iβ₀)

下路光路比上路长ΔL

信号在光纤中的传播速度为v

上路测量信号经PD（光电探测器）探测后得到的RF信号为

$i_{\mathrm{PD},{\mathrm{\ω}}_e}^{\mathrm{up}}\left(t\right)=2\mathrm{\η}\underset{m\≠0}{\overset{\∞}{\underset{m=-\∞}{\mathrm{\Σ}}}}\{(i^m+1){(i^{m-1}+1)}^{*}{J}_{m+1}\left(\mathrm{\β}\right)J_m\left(\mathrm{\β}\right)H[{\mathrm{\ω}}_o+(m+1){\mathrm{\ω}}_e]H^{*}({\mathrm{\ω}}_o+{\mathrm{m\ω}}_e)\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{e}t\right)\}$

$+2\mathrm{\η}(1+i)J_1\left(\mathrm{\β}\right)J_0\left(\mathrm{\β}\right)H({\mathrm{\ω}}_o+{\mathrm{\ω}}_e)H^{*}\left({\mathrm{\ω}}_o\right)\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{e}t\right)$

下路测量信号经PS-FBG后PD探测到的RF信号为

$i_{\mathrm{PD},{\mathrm{\ω}}_e}^{\mathrm{down}}\left(t\right)=2\mathrm{\η}\underset{m\≠0}{\overset{\∞}{\underset{m=-\∞}{\mathrm{\Σ}}}}\left\{(i^m+1){(i^{m-1}+1)}^{*}{J}_{m+1}\left(\mathrm{\β}\right)J_m\left(\mathrm{\β}\right)H\right[{\mathrm{\ω}}_o+(m+1){\mathrm{\ω}}_e\left]H^{*}({\mathrm{\ω}}_o+m{\mathrm{\ω}}_e)\exp \right[{\mathrm{i\ω}}_e(t+\frac{\mathrm{\ΔL}}{v})\left]\right\}$

$+2\mathrm{\η}(1+i)J_1\left(\mathrm{\β}\right)J_0\left(\mathrm{\β}\right)H({\mathrm{\ω}}_o+{\mathrm{\ω}}_e)H^{*}\left({\mathrm{\ω}}_o\right)\exp \left[{\mathrm{i\ω}}_e(t+\frac{\mathrm{\ΔL}}{v})\right]\mathrm{\αexp}\left({\mathrm{i\β}}_0\right)$

平衡探测器输出的RF信号为

$i_{\mathrm{PD}}\left(t\right)=i_{\mathrm{PD},{\mathrm{\ω}}_e}^{\mathrm{up}}\left(t\right)-i_{\mathrm{PD},{\mathrm{\ω}}_e}^{\mathrm{down}}\left(t\right)$

$=\mathrm{2\η}\underset{m\≠0}{\overset{\∞}{\underset{m=-\∞}{\mathrm{\Σ}}}}\left\{(i^m+1){(i^{m-1}+1)}^{*}{J}_{m+1}\left(\mathrm{\β}\right)J_m\left(\mathrm{\β}\right)H\right[{\mathrm{\ω}}_o+(m+1){\mathrm{\ω}}_e\left]H^{*}({\mathrm{\ω}}_o+{\mathrm{m\ω}}_e)\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{e}t\right)\right[1-\exp \left({\mathrm{i\ω}}_e\frac{\mathrm{\ΔL}}{v}\right)\left]\right\}$

$+2\mathrm{\η}(1+i)J_1\left(\mathrm{\β}\right)J_0\left(\mathrm{\β}\right)H({\mathrm{\ω}}_o+{\mathrm{\ω}}_e)H^{*}\left({\mathrm{\ω}}_o\right)\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{e}t\right)[1-\mathrm{\αexp}({\mathrm{i\ω}}_e\frac{\mathrm{\ΔL}}{v}+i{\mathrm{\β}}_0)]$

其中η为光探测器响应系数，H*(ω_o)为待测光器件在光单边带信号中载频处传输值的共轭。

可见，测量结果随微波信号的频率ω_e的变化而变化，同时，引入的误差量也随其变化。当且仅当ΔL=0时，由高阶边带和残留的一阶边带拍频引入的误差（即上式第一项）为0，此外，第二项不随微波信号频率变化。因此，要实现基于平衡光电探测器的高精度光矢量网络分析（Optical Vector Network Analyzer，OVNA），须调节可调光延时线的长度确保上下两光路等长，即ΔL=0。

当满足条件ΔL=0时，由平衡光电探测器得到的RF信号为

i_PD(t)=2η(1+i)J₁(β)J₀(β)H(ω_o+ω_e)H^*(ω_o)exp(iω_et)[1-αexp(iβ₀)]

此时，可得待测光器件的传输函数为

$H({\mathrm{\ω}}_o+{\mathrm{\ω}}_e)=\frac{i_{\mathrm{PD}}\left(t\right)}{2\mathrm{\η}(1+i)J_1\left(\mathrm{\β}\right)J_0\left(\mathrm{\β}\right)H^{*}\left({\mathrm{\ω}}_o\right)\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{e}t\right)[1-\mathrm{\αexp}\left(\mathrm{i\β}\right)]}.$

Claims (6)

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，所述光电转换具体按照以下方法：将通过待测光器件的光单边带扫频信号等分为两路，滤除其中一路的载波并调节另一路的光路长度使得两光路等长；最后利用平衡光电探测器对这两路光信号进行平衡光电检测，得到转换后的电信号。

2.如权利要求1所述基于光单边带调制的光器件测量方法，其特征在于，利用相移光纤光栅滤除其中一路的载波。

3.如权利要求1所述基于光单边带调制的光器件测量方法，其特征在于，利用级联于另一路光路中的可调光延时线进行光路长度调节。

4.一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、微波幅相提取模块、光电转换模块、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；光电转换模块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；微波幅相提取模块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，所述光电转换模块包括光分束器、可调光延时线、光滤波器、平衡光电探测器，光分束器的输入端与待测光器件的输出端连接，将输入的光信号等分为两路；两路光信号分别通过可调光延时线、光滤波器与所述平衡光电探测器的两个输入端连接，平衡光电探测器的输出端与所述微波幅相提取模块连接。

5.如权利要求4所述基于光单边带调制的光器件测量装置，其特征在于，所述光滤波器为相移光纤光栅。

6.如权利要求4所述基于光单边带调制的光器件测量装置，其特征在于，所述光单边带调制器由90°微波电桥和双驱动马赫-曾德尔调制器组成；90°微波电桥的输入与所述微波扫频源的输出相连，两个输出分别与双驱动马赫-曾德尔调制器的两个微波输入端相连，双驱动马赫-曾德尔调制器的光输入端与所述光载波产生模块的输出端相连。