CN103414513A - 一种具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量装置及方法，包括光源、第一光纤耦合器、待测脉冲光调制器、参考脉冲光调制器、第二光纤耦合器、光电探测器、数据采集与处理模块；将连续光分成的两束连续光调制出待测脉冲光、参考脉冲光，利用待测脉冲光与参考脉冲光相干耦合后的拍频光信号转换为拍频电流信号，对拍频电流信号进行处理，获得待测脉冲光的脉冲峰值光功率的电功率和基底光功率的电功率、及PD暗电流噪声的电功率，根据得出的电功率计算待测脉冲光的动态消光比。本发明通过单次测量可同时获得脉冲光的峰值、基底及光电探测器暗电流噪声三者功率相对大小，测量出脉冲光的动态消光比，测量效率高、精度高且动态范围大。

Description

一种具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲光动态消光比测量装置及方法，尤其涉及一种动态范围较大的通信或传感脉冲光动态消光比的测量，属于光纤通信和光纤传感等领域。

背景技术

近些年来，光纤通信技术与光纤传感技术发展迅速，得到越来越多的关注。脉冲光在光纤通信系统和光纤传感系统中是不可或缺的，而脉冲光的动态消光比是衡量光纤通信系统和光纤传感系统信噪比的重要参数。因此获知脉冲光动态消光比大小有利于光纤通信系统和光纤传感系统信噪比的估算，同时也利于系统性能的预估。

在仅有直流偏置的条件下测得的调制器消光比称为静态消光比，而在加载了高频电调制信号的情况下测得的调制器消光比称为动态消光比，使用动态消光比衡量脉冲光的质量更加有实际意义。随着调制器性能的提升，由其所调制的脉冲光动态消光比也随之提高。对于高动态消光比的测量，在Electronics Letters期刊第38卷23期1465-1466页刊载的文献“Background-free intensity autocorrelator employing Si avalanchephotodiode as two-photon absorber”中提到的直接测量法：使用采样示波器法与强度自相关法，由于测量动态范围(30dB左右)的限制而不适合用于较高动态消光比的测量。在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics期刊第13卷1期79-91页刊载的文献“High-speed control of lightwave amplitude,phase,andfrequency by use of electrooptic effect”中提到的光谱仪测量法,当脉冲光重复频率小于光谱仪分辨率，光谱仪无法捕捉到此脉冲光从而无法测得该脉冲光动态消光比。在IEEEPhotonics Technology Letters期刊第20卷24期2075-2077页刊载的文献“An Interferometric Method for High Extinction Ratio Measurements With60-dBDynamic Range”中提到相干测量法,虽然测量动态范围较大，但是脉冲光的峰值、基底及光电探测器暗电流噪声要分三次分别进行测量，不同时刻测量器件(如放大器)的工作点漂移量不同，这会给测量的结果带来误差，导致测量精度降低，严重的会导致测量结果出错，这种测量方法的测量过程较为繁琐费时，测量效率也不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是消除传统脉冲光动态消光比测量方法的不足，提供一种具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量装置，利用时间上同步的参考光脉冲信号与待测脉冲光信号进行相干测量，可一次性获得用于动态消光比计算的待测脉冲光的峰值、基底及光电探测器暗电流噪声三者功率相对大小，不仅测量效率高，动态范围大，而且有效抑制了测量器件工作点漂移带来的影响，可以消除传统测量方法的局限性。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量装置，包括光源、第一光纤耦合器、待测脉冲光调制器、参考脉冲光调制器、第二光纤耦合器、光电探测器、数据采集与处理模块，所述光源输出连续光至第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器将连续光分成两束连续光分别输入至待测脉冲光调制器、参考脉冲光调制器；所述待测脉冲光调制器将连续光调制成待测脉冲光输出至第二光纤耦合器；所述参考脉冲光调制器将连续光调制成参考脉冲光输出至第二光纤耦合器；所述第二光纤耦合器将接收的待测脉冲光与参考脉冲光进行相干耦合，并将耦合后的拍频光信号输出至光电探测器；所述光电探测器将拍频光信号转换成拍频电流信号输出至数据采集与处理模块，所述数据采集与处理模块将拍频电流信号转换成电功率信号，由所述电功率信号获得待测脉冲光动态消光比。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第一纤耦合器的分光比设置使得待测脉冲光与参考脉冲光的峰值功率相等；第二光纤耦合器的分光比为50:50。

作为本发明的一种优选技术方案：所述参考脉冲光调制器为电光调制器或电吸收调制器、声光调制器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述参考脉冲光的消光比大于10dB。

作为本发明的一种优选技术方案：所述数据采集与处理模块为频谱分析仪。

一种上述具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤（1）将连续光分成的两束连续光调制出待测脉冲光、参考脉冲光；其中以待测脉冲光为参考，使得参考脉冲光的脉冲峰值在时域上覆盖待测脉冲光的全部脉冲峰值及部分基底，参考脉冲光的基底在时域上覆盖待测脉冲光的剩余部分基底；

步骤（2）将所述待测脉冲光、参考脉冲光进行相干耦合后形成拍频光信号；

步骤（3）将所述得拍频光信号转换成拍频电流信号，对所述拍频电流信号进行单次测量，然后通过功率检波及多次累加平均得到待测脉冲光的峰值光功率的电功率P_p(t3)、待测脉冲光的基底光功率的电功率P_b(t2)及光电探测器暗电流噪声的电功率P_d(t1)；

步骤（4）根据步骤（3）得到的电功率计算获得待测脉冲光动态消光比。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（4）中，当待测脉冲光的基底光功率的电功率P_b(t2)与待测脉冲光的峰值光功率的电功率P_p(t3)叠加有光电探测器暗电流噪声时，待测脉冲光动态消光比用下式计算：

$\mathrm{DER}=10*\mathrm{lo}{g}_{10}\frac{P_{p\left(t3\right)}-P_{d\left(t1\right)}}{P_{b\left(t2\right)}-P_{d\left(t1\right)}}$

其中DER是待测脉冲光动态消光比，动态消光比DER单位为dB。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（2）中，当所述待测脉冲光与参考脉冲光之间存在移频时，利用外差相干探测法进行探测，此时移频值大于待测脉冲光宽度的倒数；当待测脉冲光与参考脉冲光的角频率相等时，利用零差相干探测法进行探测。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明利用时间上同步的参考光脉冲信号与待测脉冲光信号进行相干测量，可一次性获得用于动态消光比计算的待测脉冲光的峰值、基底及光电探测器暗电流噪声三者功率相对大小，很好的抑制了测量器件工作点漂移带来的影响，测量结果直观，测量效率较高。本发明具有广阔的应用领域，如光通信领域，光传感领域等。

附图说明

图1是本发明的脉冲光动态消光比测量装置示意图。

图2是本发明的待测脉冲光与参考脉冲光电域拍频电压信号图。

图3是本发明的待测脉冲光与参考脉冲光电域拍频功率信号图。

图4是本发明的待测脉冲光与参考脉冲光时域上的位置对应关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量装置，包括光源、第一光纤耦合器、待测脉冲光调制器、参考脉冲光调制器、第二光纤耦合器、光电探测器、数据采集与处理模块，所述光源输出连续光至第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器将连续光分成两束连续光分别输入至待测脉冲光调制器、参考脉冲光调制器；所述待测脉冲光调制器将连续光调制成待测脉冲光输出至第二光纤耦合器；所述参考脉冲光调制器将连续光调制成参考脉冲光输出至第二光纤耦合器；所述第二光纤耦合器将接收的待测脉冲光与参考脉冲光进行相干耦合，并将耦合后的拍频光信号输出至光电探测器；所述光电探测器将拍频光信号转换成拍频电流信号输出至数据采集与处理模块，所述数据采集与处理模块将拍频电流信号转换成电功率信号，由所述电功率信号获得待测脉冲光动态消光比。

所述光源输出连续光至第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器将连续光分成两部分：连续光1与连续光2，连续光1输入至待测脉冲光调制器，所述待测脉冲光调制器将连续光1调制成待测脉冲光输出至第二光纤耦合器，连续光2输入至参考脉冲光调制器，所述参考脉冲光调制器将连续光2调制成参考脉冲光输出至第二光纤耦合器。采用待测脉冲光作为参考光，参考脉冲光消光比应该不低于10dB，使得参考脉冲光的脉冲峰值(on₂)在时域上要覆盖待测脉冲光的全部脉冲峰值(on₁)与部分基底(off₁)，参考脉冲光的基底(off₂)在时域上要覆盖待测脉冲光的剩余部分基底(off₁)，所述第二光纤耦合器将待测脉冲光与参考脉冲光耦合并将耦合的拍频光信号输出至光电探测器，光电探测器将拍频光信号转换成拍频电流信号输出至数据采集与处理模块，数据采集与处理模块将拍频电流信号转换成电功率信号，由此电功率信号可获得用于计算待测脉冲光动态消光比。

本发明利用相干探测法来获得待测脉冲光的动态消光比，具体如下：

待测脉冲光电场幅度为：

参考脉冲光电场幅度为：

其中E_S(t)与E_L(t)，ω_S与ω_L，

与

分别为待测脉冲光与参考脉冲光的初始电场幅度、角频率及初始相位。

E_S(t)与E_L(t)相对于ω_S与ω_L为慢变项，则待测脉冲光与参考脉冲光的光功率分别为：

P_S(t)＝0.5K·E_S ²(t)   （3）

P_L(t)＝0.5K·E_L ²(t)   （4）

理想情况下，光电探测器响应时间为0，其输出光电流为：

其中K为比例系数，ρ为光电探测器的响应度。

考虑光电探测器的时间平均作用，当(ω_S-ω_L)小于光电探测器截止响应频率时，光电流i可表示为：

其中中频交流分量为：

当ω_S＝ω_L时，相干探测被称为零差探测；当ω_S≠ω_L时，相干探测被称为外差探测，此时移频值大于待测脉冲光宽度的倒数。

探测器输出的电压功率：

P(t)∝P_S(t)P_L(t)   （8）

可见光电探测器输出功率分别与待测脉冲光与参考脉冲光的光功率成正比，利用这种相干探测法，可在光电探测器后得到一个时域拍频电流信号，此电流信号接入示波器后得到拍频电压信号如图2所示，经过单次测量，然后结合功率检波及多次累加平均，即可一次性获得用于动态消光比计算的待测脉冲光的峰值、基底及光电探测器暗电流噪声三者功率相对大小，如图3所示，时域上t1时间内参考脉冲光的基底(off₂)与待测脉冲光的基底(off₁)耦合得到代表光电探测器(PD)暗电流带来的噪声功率的电功率P_d(t1)；时域上t2时间内参考脉冲光的脉冲峰值(on₂)与待测脉冲光的基底(off₁)耦合得到代表待测脉冲光基底光功率的电功率P_b(t2)；时域上t3时间内参考脉冲光的脉冲峰值(on₂)与待测脉冲光的脉冲峰值(on₁)耦合得到代表待测脉冲光峰值光功率的电功率P_p(t3)。P_d(t1)、P_b(t2)及P_p(t3)都是经多次累加得到的结果，且P_b(t2)与P_p(t3)都叠加有PD暗电流噪声，要精确的计算出待测脉冲光动态消光比则必须在参量P_b(t2)与P_p(t3)中扣除PD暗电流噪声即P_d(t1)的大小。

待测脉冲光动态消光比可用下式计算：

$\mathrm{DER}=10*\mathrm{lo}{g}_{10}\frac{P_{p\left(t3\right)}-P_{d\left(t1\right)}}{P_{b\left(t2\right)}-P_{d\left(t1\right)}}---\left(9\right)$

其中DER是待测脉冲光动态消光比，公式中参与计算的参数单位都是mW，动态消光比DER单位为dB。

图1显示了本发明的脉冲光动态消光比测量装置结构图。光源可以是DFB激光器，输出波长1550nm，线宽300kHz，输出功率16dBm。DFB激光器输出连续保偏光被第一光纤耦合器分为两路：连续光1与连续光2，由于待测脉冲光调制器与参考脉冲光调制器插损接近，第一纤耦合器的分光比设置应使得待测脉冲光与参考脉冲光的峰值功率接近或相等，第一光纤耦合器分光比为50:50时，光电探测器接收到的耦合光信号功率最强。连续光1被待测脉冲光调制器调制成待测脉冲光输出至第二光纤耦合器，此处待测脉冲光调制器可以是电光调制器(EOM)；连续光2被参考脉冲光调制器调制成相干探测的参考脉冲光输出至第二光纤耦合器，此处参考脉冲光调制器可以是声光调制器(AOM)或电吸收调制器(EAM)或者声光调制器(AOM)，AOM消光比在50dB左右。参考脉冲光的脉冲峰值(on₂)在时域上要覆盖待测脉冲光的全部脉冲峰值(on₁)与部分基底(off₁)，参考脉冲光的基底(off₂)在时域上要覆盖待测脉冲光的剩余部分基底(off₁)。第二光纤耦合器将待测脉冲光与参考脉冲光耦合并将耦合的拍频光信号输出至光电探测器，第二光纤耦合器的分光比是50:50，待测脉冲光与参考脉冲光通过第二光纤耦合器来耦合时，两路光的能量无法被完全耦合到一路输出端口，若使用单个光电探测器进行光电转换，仅部分待测脉冲光与参考脉冲光的功率被利用，为提升功率利用率，常使用平衡探测器配合50/50耦合器实现相干探测。平衡探测器将拍频光信号转换成拍频电流信号输出至数据采集与处理模块，数据采集与处理模块将拍频电流信号转换成电功率信号，上述数据采集与处理模块功能可通过频谱分析仪(ESA)的“zero-span”模式及自带的累加平均模式来实现，所以平衡探测器输出的电流信号可直接输入ESA中得到电功率信号，由此电功率信号可获得用于计算待测脉冲光动态消光比的脉冲峰值、基底及平衡探测器暗电流噪声的信息。

由于EOM对连续保偏光没有移频，而AOM对连续保偏光有一个40MHz的移频，所以平衡探测器会输出一个含有40MHz拍频交流量的电流信号，此信号经过40MHz带通滤波器后接入示波器，示波器显示的电压信号如图2所示，可看出此电压信号包含了三种幅度不同的拍频交流信号1、2、3，信号1反映了平衡探测器暗电流噪声信息，信号2反映了待测脉冲光基底信息，信号3反映了待测脉冲光峰值信息。AOM移频为了实现外差探测，在40MHz交流量上探测拍频信号有利于排除直流噪声对测量的干扰。

图3显示了ESA上显示的待测脉冲光与参考脉冲光拍频功率信号，ESA的中心频率设为40MHz，横轴频率跨度设为零跨度(zerospan),扫描时间为3.5us，累加平均次数设为1000次。待测脉冲光与参考脉冲光时域上的位置对应关系如图4所示，时域上t1时间内参考脉冲光的基底(off₂)与待测脉冲光的基底(off₁)耦合得到代表平衡探测器暗电流带来的噪声功率的电功率P_d(t1)；时域上t2时间内参考脉冲光的脉冲峰值(on₂)与待测脉冲光的基底(off₁)耦合得到代表待测脉冲光基底光功率的电功率P_b(t2)；时域上t3时间内参考脉冲光的脉冲峰值(on₂)与待测脉冲光的脉冲峰值(on₁)耦合得到代表待测脉冲光峰值光功率的电功率P_p(t3)。P_d(t1)、P_b(t2)及P_p(t3)都是经多次累加得到的结果，且P_b(t2)与P_p(t3)都叠加有平衡探测器暗电流噪声，要精确的计算出待测脉冲光动态消光比则必须在参量P_b(t2)与P_p(t3)中扣除平衡探测器暗电流噪声即P_d(t1)的大小。

本发明利用相干探测与功率检波，同时获得待测脉冲光的峰值、基底及探测器暗电流噪声三者功率相对大小，不仅测量效率高，且测量动态范围也较大(75dB左右)。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量装置，其特征在于：包括光源、第一光纤耦合器、待测脉冲光调制器、参考脉冲光调制器、第二光纤耦合器、光电探测器、数据采集与处理模块，所述光源输出连续光至第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器将连续光分成两束连续光分别输入至待测脉冲光调制器、参考脉冲光调制器；所述待测脉冲光调制器将连续光调制成待测脉冲光输出至第二光纤耦合器；所述参考脉冲光调制器将连续光调制成参考脉冲光输出至第二光纤耦合器；所述第二光纤耦合器将接收的待测脉冲光与参考脉冲光进行相干耦合，并将耦合后的拍频光信号输出至光电探测器；所述光电探测器将拍频光信号转换成拍频电流信号输出至数据采集与处理模块，所述数据采集与处理模块将拍频电流信号转换成电功率信号，由所述电功率信号获得待测脉冲光动态消光比。

2.根据权利要求1所述的具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量装置，其特征在于：所述第一纤耦合器的分光比设置使得待测脉冲光与参考脉冲光的峰值功率相等；第二光纤耦合器的分光比为50:50。

3.根据权利要求1所述的具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量装置，其特征在于：所述参考脉冲光调制器为电光调制器或电吸收调制器、声光调制器。

4.根据权利要求1所述的具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量装置，其特征在于：所述参考脉冲光的消光比大于10dB。

5.根据权利要求1所述的具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量装置，其特征在于：所述数据采集与处理模块为频谱分析仪。

6.一种基于权利要求1所述具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤（1）将连续光分成的两束连续光调制出待测脉冲光、参考脉冲光；其中以待测脉冲光为参考，使得参考脉冲光的脉冲峰值在时域上覆盖待测脉冲光的全部脉冲峰值及部分基底，参考脉冲光的基底在时域上覆盖待测脉冲光的剩余部分基底；

步骤（2）将所述待测脉冲光、参考脉冲光进行相干耦合后形成拍频光信号；

步骤（3）将所述得拍频光信号转换成拍频电流信号，对所述拍频电流信号进行单次测量，然后通过功率检波及多次累加平均得到代表待测脉冲光的峰值光功率的电功率P_p(t3)、代表待测脉冲光的基底光功率的电功率P_b(t2)及代表光电探测器暗电流噪声的电功率P_d(t1)；

步骤（4）根据步骤（3）得到的电功率计算获得待测脉冲光动态消光比。

7.根据权利要求6所述的具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量方法，其特征在于：所述步骤（4）中，当待测脉冲光的基底光功率的电功率P_b(t2)与待测脉冲光峰值光功率的电功率P_p(t3)叠加有光电探测器暗电流噪声时，待测脉冲光动态消光比用下式计算：

$\mathrm{DER}=10*\mathrm{lo}{g}_{10}\frac{P_{p\left(t3\right)}-P_{d\left(t1\right)}}{P_{b\left(t2\right)}-P_{d\left(t1\right)}}$

其中DER是待测脉冲光动态消光比，动态消光比DER单位为dB。

8.根据权利要求6所述的具有高动态范围的脉冲光动态消光比测量方法，其特征在于：所述步骤（2）中，当待测脉冲光与参考脉冲光之间存在移频时，利用外差相干探测法进行探测，此时移频值大于待测脉冲光宽度的倒数；当待测脉冲光与参考脉冲光的角频率相等时，利用零差相干探测法进行探测。

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