CN103107841B - 一种基于偏振偏转干涉法的光器件测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振偏转干涉法的光器件测量方法，利用干涉结构使通过待测光器件的输入光信号包含两个正交偏振态，通过对待测光器件沿着两个不同偏振方向的响应进行处理，得到待测光器件参数；所述输入光信号是利用光频梳调制器将微波扫频信号调制到单一波长的光载波上，得到的梳齿间隔固定的扫频光频梳信号；对于通过待测光器件的两个不同偏振方向的扫频光频梳信号，分别利用波分复用器并行提取出光频梳的每根梳齿，得到每个梳齿所对应频段的待测光器件参数，进而得到扫频光频梳所对应的整个频段内的待测光器件参数。本发明还公开了一种基于偏振偏转干涉法的光器件测量装置。相比现有技术，本发明具有更高的测量速度和测量分辨率。

Description

一种基于偏振偏转干涉法的光器件测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光器件测量方法，尤其涉及一种基于偏振偏转干涉法的光器件测量方法及装置，属于光器件测量、微波光子学技术领域。

背景技术

随着高速光通信的迅猛发展和不断完善，为了保证系统的整体性能，必然需要精确了解系统中光器件的特性。然而，要得到精确的光器件特性，必须辅以高精度的光器件测量方法和装置。具体来看，对于光器件测量方法或装置，一般有以下几个方面的要求，（1）测量能力。对于光器件而言，表征光器件性能的参数有很多，包括插入损耗、色散、偏振相关损耗、偏振模色散等。对于光器件测量方法及装置，首先要保证能够尽可能的满足以上所有参数的测量需求，尽可能从多维度表征器件的参数性能。（2）测量范围。光器件测量方法或装置必须有足够大的测量范围，这样才能用来测量宽带响应的器件。（3）测量精度。精度越高，意味着测量得到的结果与真实值更加接近，只有在高精度测量的基础上才能发挥器件最大的作用。（4）响应时间。响应时间指的是得到测量结果所花费的时间。对于测量仪器，我们普遍需要其在保证高精度的前提下所用的时间尽可能少，只有这样才能从根本上提高效率，提高生产力。

然而，针对以上的诸多要求，现有的光器件测量方法和装置仅能满足其中的一个或几个要求，不能满足以上所有的要求。例如调制相移法（参见[T.Niemi,M.Uusimaa,and H.Ludvigsen,“Limitations of phase-shift method in measuring densegroup delay ripple of fiber Bragg gratings,”IEEE Photon.Technol.Lett.vol.13,no.12,1334-1336(2001).]）将微波信号经强度调制转换为光信号，经过待测器件后再转换回微波信号，并与原信号相比，通过比较两者之间的相位差，得到器件的传输函数。该方法能够保证较大的测量范围，但是测量精度受激光器线宽的限制，通常不高。而且，该方法需要对单个波长信号的所有偏振态情况进行数据采集和集中处理，这种串行的数据采集和数据处理模式限制了测量的响应时间。单边带调制法（参见[J.E.Román,M.Y.Frankel,andR.D.Esman,"Spectralcharacterization of fiber gratings with high resolution,"Opt.Lett.,vol.23,no.12,pp.939-941,Jun.1998.]）通过微波扫频的方式代替了传统的光波扫频，大大提高了系统的测量精度。但是由于微波扫频带宽的限制，该方法的测量范围很小，不能满足宽带器件的测试需求。而且该方法采用的同样是串行的数据采集和处理方式，在提高扫频次数的同时，测量所用的时间大大增加。还有一种方法称为偏振偏转干涉法（参见[G. D.VanWiggeren,A.R.Motamedi,and D.M.Baney，"Single-scan interferometric component analyzer,"IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.15,no.2,pp.263-265,2003]），该方法通过干涉结构保证输入待测光器件光信号包含两个正交偏振态，通过对光器件沿着两个不同偏振方向的响应进行处理，得到光器件全参数。但是，一方面采用的是光波扫频，精度不高，另一方面同样是串行处理模式，测量时间很难提高。

综上所述，一个满足全参数测量要求，测量精度很高、测量范围很宽并且测量响应时间相对较快的光器件测量方法和测量装置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不足，提供一种基于偏振偏转干涉法的光器件测量方法及装置，能够在大测量范围内实现光器件的全参数测量，且具有更高的测量分辨率以及更短的测量响应时间。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于偏振偏转干涉法的光器件测量方法，利用干涉结构使通过待测光器件的输入光信号包含两个正交偏振态，通过对待测光器件沿着两个不同偏振方向的响应进行处理，得到待测光器件参数；所述输入光信号是利用光频梳调制器将微波扫频信号调制到单一波长的光载波上，得到的梳齿间隔固定的扫频光频梳信号；对于通过待测光器件的两个不同偏振方向的扫频光频梳信号，分别利用波分复用器并行提取出光频梳的每根梳齿，得到每个梳齿所对应频段的待测光器件参数，进而得到扫频光频梳所对应的整个频段内的待测光器件参数。

一种基于偏振偏转干涉法的光器件测量装置，包括沿光路走向依次连接的输入光信号生成单元、副干涉仪、主干涉仪、偏振分束器，以及主控单元、第一光电探测单元、第二光电探测单元、第三光电探测单元；所述副干涉仪的输出端通过第一光电探测单元与所述主控单元连接，所述偏振分束器的两个输出端分别通过第二光电探测单元、第三光电探测单元与所述主控单元连接；所述副干涉仪、主干涉仪均为双光束干涉仪，副干涉仪的其中一条光路中串联有第一偏振控制器，主干涉仪与副干涉仪之间串联有第二偏振控制器；所述输入光信号生成单元包括单一波长光源、微波扫频源、光频梳调制器，光频梳调制器的光输入端、微波输入端分别与单一波长光源的输出端、微波扫频源的输出端连接，光频梳调制器的输出端与所述副干涉仪的输入端连接，微波扫频源的控制端与所述主控单元连接；所述第二光电探测单元、第三光电探测单元分别包含一个波分复用器，两个波分复用器的输入端分别与所述偏振分束器的两个输出端连接，两个波分复用器的所有输出端各自通过一个光电探测器与所述主控单元连接。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、极高的测量速度：本发明将测量范围划分成n个频段，并采用扫频光频梳同时测量n个频段内器件的响应，因此，相比于原来的单个光源的扫频操作，测量时间缩短为原来的1/n；

2、极高的测量分辨率：传统的偏振偏转干涉法扫频操作是由激光器来完成的，由于激光器的扫频间隔往往比较大（约为200MHz），因此，无法实现高分辨率的光器件测量，而本发明所采用的光频梳受益于成熟的电频谱分析技术，其扫频间隔可低至几Hz，从而可实现超高分辨率的光器件测量。

附图说明

图1为本发明光器件测量装置的结构示意图；

图2为本发明测量光纤布拉格光栅（FBG）传输函数的原理示意图。

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偏振偏转干涉法的光器件测量方法的基础上，采用基于光频梳的并行处理方式和基于微波扫频的高精度扫频方式，同时精确测量光器件在光频梳梳齿所对应的各频段的传输传输函数，并通过数值处理得到宽带的传输函数，从而实现高精度、大范围、快速的光器件全参数测量。

图1显示了本发明的光器件测量装置的基本结构，如图所示，该测量装置包括沿光路走向依次连接的输入光信号生成单元、副干涉仪、主干涉仪、偏振分束器，以及主控计算机、第一光电探测单元、第二光电探测单元、第三光电探测单元；所述副干涉仪的输出端通过第一光电探测单元（本实施例中为直接采用一个光电探测器）与所述主控计算机连接，所述偏振分束器的两个输出端分别通过第二光电探测单元、第三光电探测单元与所述主控计算机连接。所述副干涉仪、主干涉仪均为双光束干涉仪，如图所示，每个双光束干涉仪均包括一个光分束器和一个光合束器，光分束器将输入光信号分为两路，光合束器将两路光信号合为一路。其中，副干涉仪的其中一条光路中串联有第一偏振控制器，可对光信号的偏振方向及强度进行调整。主干涉仪与副干涉仪之间串联有第二偏振控制器。本发明的输入光信号生成单元如图所示，包括激光器、微波扫频源、光频梳调制器，光频梳调制器的光输入端、微波输入端分别与激光器的输出端、微波扫频源的输出端连接，光频梳调制器的输出端与所述副干涉仪的输入端连接，微波扫频源的控制端与所述主控计算机连接。本发明技术方案中，为了能够快速有效提取光频梳中的每个光梳齿，第二光电探测单元和第三光电探测单元均采用一个波分复用器与多个光电探测器组合的方式，如图1所示，波分复用器将扫频光频梳中的每根光梳齿提取出来并分配至不同的输出端口，每个输出端口均连接有一个光电探测器，将相应的光梳齿信号转换为电信号输出至主控单元。

上述装置中，光频梳调制器用于将微波扫频源输出的扫频微波信号调制到激光器输出的单一波长的光载波上，产生梳齿间隔固定的扫频光频梳信号；副干涉仪用于将输入的光信号转换为包含两个正交偏振态的光信号；第二偏振控制器用来控制输入至主干涉仪的光信号的偏振态，在不级联待测器件的情况下，偏振分束器两输出端口输出的光功率相等；主干涉仪用于引入待测光器件；偏振分束器用于将光信号分解到两个正交偏振方向上；三个光电探测单元用于将光信号转换为电信号；主控计算机用于控制扫频微波源、监控第一光电探测单元输出信号的强弱、存储及处理第二、第三光电探测单元输出的电信号。

该测量装置的测量过程如下：光频梳调制器将微波扫频源输出的扫频微波信号调制到激光器输出的光载波上，产生梳齿间隔固定的扫频光频梳信号；在副干涉仪内，利用光分束器将输入的扫频光频梳信号分成两路，在其中一路插入第一偏振控制器，两路信号通过光合束器重新合光成一路。副干涉仪输出信号的一部分输至第一光电探测单元，第一光电探测单元将探测到的光信号的信息输至主控计算机。通过调节副干涉仪内的第一偏振控制器，主控计算机监控副探测器输出功率的大小，使之最小，从而保证副干涉仪输出的光信号有包含两个沿着正交方向的分量。在主干涉仪内，同样通过光分束器将光信号分成两路。在未接待测光器件时，调节第二偏振控制器，使光信号在偏振分束器两个偏振方向上的输出光强相同。随后，在主干涉仪的其中一条光路中插入光待测器件，两路光信号通过光合束器重新合光成一路。主干涉仪的输出与偏振分束器的输入端相连，偏振分束器的两个输出端分别与第二、第三光电探测单元的输入端（即两个波分复用器的输入端）相连。对于偏振分束器输出的两个正交偏振方向的光信号，第二、第三光电探测单元首先采用波分复用器依次划分出光频梳的每根梳齿对应频段并分配输出端口，在每个输出端口都连接光电探测器，这些光电探测器将接收到的光信号转换成电信号，并行传输至主控单元；主控单元整合并行输至其中的各光梳齿所对应频段内测得的传输函数信息，从而得到整个扫频光频梳频段内待测器件的传输函数。

实际测量时，首先进行系统校准，在主干涉仪的两支路上未接待测器件时，将测得的系统的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，测得待测光器件的传输函数；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，从而得到待测光器件精确的传输函数。

下面对该光器件测量装置的工作原理进行简要介绍。

由于光频梳可以看做是一个多波长的激光源，所以，以其中第i个梳齿所确定的子带为例，假设该子带的光载波为其中为表示偏振态的单位矢量，ω为该梳齿的角频率。该光信号在经过副干涉仪后的输出可以表示为：

$=\hat{m}\exp [-\mathrm{i\ω}(t-{\mathrm{\τ}}_0)]+\hat{n}\exp [-\mathrm{i\ω}(t-{\mathrm{\τ}}_1)]$

其中代表副干涉仪内两路所对应的矩阵算子，τ₀、τ₁表示光信号在通过副干涉仪两路时所引入的时延，代表输出信号偏振方向的单位矢量。在这里，为了保证输出信号的两个偏振态正交，即正交，需要调节副干涉仪内的第一偏振控制器，保证副探测器的输出为最小。

接着，副干涉仪的输出经过第二偏振控制器后输入主干涉仪。主干涉仪中的光也被分成两路，假设上路插入一个光待测器件（如图1所示），则下路为参考光。且参考光在通过下路时，需调节第二偏振控制器，使之在偏振分束器的两路光强相同，其输出可以表示为：

$=\frac{1}{\sqrt{2}}(\hat{s}+\hat{p})\exp [-\mathrm{i\ω}(t-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_{D0})]$

$+\frac{1}{\sqrt{2}}(\hat{s}+\hat{p})\exp [-\mathrm{i\ω}(t--{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_{D0})]$

其中代表第二偏振控制器的传输函数，为主干涉仪下路所对应的传输矩阵，τ_D0为下路所引入的光时延，为偏振分束器两路正交输出的单位矢量。

主干涉仪的上路光信号通过光待测器件。在经过待测器件时，光信号的输出可以表示为：

$+\stackrel{=}{H}\stackrel{=}{P_2}\hat{n}\mathrm{expexp}[-\mathrm{i\ω}(t-{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_{D1})]$

其中τ_D1为主干涉仪上路所引入的光时延。

随后，偏振分束器将输出光强（包括参考光输出和经过该器件的信号光输出）沿着所确定的正交方向，分解成两个正交分量：

$\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right\{\exp [-\mathrm{i\ω}(t-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_{D0})]+\exp [-\mathrm{i\ω}(t--{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_{D0})]\}$

$+[\left(\stackrel{=}{H}{\stackrel{=}{P}}_2\hat{m}\right)\·\hat{s}]\×\exp [-\mathrm{i\ω}(t-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_{D1})]+[\left(\stackrel{=}{H}{\stackrel{=}{P}}_2\hat{n}\right)\·\hat{s}]\×\exp [-\mathrm{i\ω}(t-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_{D1})])\hat{s}$

$\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right\{\exp [-\mathrm{i\ω}(t-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_{D0})]+\exp [-\mathrm{i\ω}(t--{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_{D0})]\}$

$+[\left(\stackrel{=}{H}{\stackrel{=}{P}}_2\hat{m}\right)\·\hat{p}]\×\exp [-\mathrm{i\ω}(t-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_{D1})]+[\left(\stackrel{=}{H}{\stackrel{=}{P}}_2\hat{n}\right)\·\hat{s}]\hat{p}\×\exp [-\mathrm{i\ω}(t-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_{D1})])\hat{p}$

在这里，值得说明的时，测量装置引入的偏转，对待测器件的线性参数测量没有影响。所以，我们引入一个可逆的矩阵R，用以表征测量装置对待测响应的偏转，且假设第二偏振控制器引入的偏振模色散可以忽略不计，那么实际待测器件的实际传输矩阵可以修正为

通过选择合适的偏振矩阵R，使得任意偏振方向的光都偏转到所确定的方向上，即 为了简化计算，我们引入一个诸如的符号，和两个表示时延差的变量，τ=τ₁-τ₀，τ_D=τ_D1-τ_D0。第二、第三光电探测单元内对应该频段输出端光电探测器的电信号输出分别可以表示为：

I_p(ω)=Eⁱ _pEⁱ _p ^*∝Re{H_pp exp[iω(τ_D+τ)]-H_spexp[iω(τ_D-τ)]}+...

I_s(ω)=Eⁱ _sEⁱ _s ^*∝Re{H_ps expiω(τ_D+τ)]-H_ssexpiω(τ_D-τ)]}+...

由上式可以得到表征器件传输函数相关的四个量，分别为：H_pp、H_sp、H_ps、H_ss。由上式可以看出，当光载波频率ω为扫频信号时，即可得到该频段内不同波长下的待测器件响应，即对应于第i个子带的所有响应信息。将光频梳所有梳齿所对应子带内的待测器件传输函数在主控计算机内通过数值处理即可得到宽带的传输函数。

为便于公众理解，下面以光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)的测量为例来对本发明技术方案进行说明。测量原理示意图如图2所示，首先，将所需测量的范围分成多个测量频段（如阴影区所示），且光频梳的每根梳齿（图中标注为n，n+1,n+2……）对应一个测量频段；其次，通过对光频梳的扫频测量每根梳齿所对应频段内待测FBG的光谱响应；最后，通过数据处理得到待测FBG在整个频段内的光谱响应。首先光信号生成单元内的单波长光载波信号经光频梳调制器产生梳齿间隔固定的光频梳信号。同时，扫频微波源调制该光频梳信号，产生梳齿间隔固定、且在每个梳齿所决定子带内扫频的扫频光频梳信号。将生成的光信号通过副干涉仪、插入FBG的主干涉仪，测量待测FBG的传输函数（如图2中虚线所示）。主干涉仪的输出信号经偏振分束器分成两束分别送入第二、第三光探测单元。在每个探测单元内，首先通过波分复用解复用器依次划分每个梳齿所决定的频段并分配输出端口，每个端口都连接光电探测器。光探测器将接收的光信号转换为电信号并传输至主控计算机。主控计算机经处理得到每个梳齿对应频段的传输函数信息，并最后经校准得到整个光频梳频段内FBG的传输函数。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1、光载波波长校准：通过波长参考源，校准光源输出的光载波信号波长，消除扫描范围的起始波长误差；

步骤2、控制偏振态正交：调节副干涉仪内的第一偏振控制器，通过主控计算机监控第一光电探测器输出的电信号强弱，使得该信号强度最小，从而保证副干涉仪两路信号偏振态正交；

步骤3、控制分光比：断开主干涉仪的上路信号，测量偏振分束器两端的光信号输出，通过控制第二偏振控制器，保证两路信号的功率大小相同；

步骤4、测量装置校准步骤：将主干涉仪的上路直接相连并与下路合光，在该情况下测量第二、第三光电探测单元的输出，作为系统传输函数存储在主控计算机内；

步骤5、测量步骤：将光纤光栅级联在主干涉仪的上路（或者下路）中，主控计算机存储第二、第三光电探测单元输出的电信号，并进行处理。再利用步骤4所得到的系统传输函数对测得的光纤光栅的传输函数进行校准，消除系统误差对光纤光栅传输函数的影响。

由于本发明的光器件测量方案采用了基于光频梳的并行处理技术，大大缩短了数据采集和处理所用的时间。另外，因为现在报道的光频梳梳齿数已达到百根以上，因此利用窄带的微波扫频源即可保证宽带的测量范围，而且受益于极高的微波扫频分辨率，系统的分辨率显著提升。

Claims (2)

1.一种基于偏振偏转干涉法的光器件测量方法，利用干涉结构使通过待测光器件的输入光信号包含两个正交偏振态，通过对待测光器件沿着两个不同偏振方向的响应进行处理，得到待测光器件参数；其特征在于，所述输入光信号是利用光频梳调制器将微波扫频信号调制到单一波长的光载波上，得到的梳齿间隔固定的扫频光频梳信号；对于通过待测光器件的两个不同偏振方向的扫频光频梳信号，分别利用波分复用器并行提取出光频梳的每根梳齿，得到每个梳齿所对应频段的待测光器件参数，进而得到扫频光频梳信号所对应的整个频段内的待测光器件参数。

2.一种基于偏振偏转干涉法的光器件测量装置，包括沿光路走向依次连接的输入光信号生成单元、副干涉仪、主干涉仪、偏振分束器，以及主控单元、第一光电探测单元、第二光电探测单元、第三光电探测单元；所述副干涉仪的输出端通过第一光电探测单元与所述主控单元连接，所述偏振分束器的两个输出端分别通过第二光电探测单元、第三光电探测单元与所述主控单元连接；所述副干涉仪、主干涉仪均为双光束干涉仪，副干涉仪的其中一条光路中串联有第一偏振控制器，主干涉仪与副干涉仪之间串联有第二偏振控制器；其特征在于，所述输入光信号生成单元包括单一波长光源、微波扫频源、光频梳调制器，光频梳调制器的光输入端、微波输入端分别与单一波长光源的输出端、微波扫频源的输出端连接，光频梳调制器的输出端与所述副干涉仪的输入端连接，微波扫频源的控制端与所述主控单元连接；所述第二光电探测单元、第三光电探测单元分别包含一个波分复用器，两个波分复用器的输入端分别与所述偏振分束器的两个输出端连接，两个波分复用器的所有输出端各自通过一个光电探测器与所述主控单元连接。