CN104101484A - 基于双边带调制的光器件测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双边带调制的光器件测量方法，属于光器件测量、微波光子学技术领域。首先利用光双边带调制方法将射频信号调制于第一光载波信号上，生成双边带调制信号；然后令双边带调制信号通过待测光器件后与第二光载波信号合束，所述第二光载波信号与第一光载波信号之间存在频率差；利用光电探测器对合束后的信号进行拍频，然后提取拍频信号中+1阶边带信号及-1阶边带信号的幅度信息；扫描所述射频信号的频率，即得到待测光器件的宽带幅频响应。本发明还公开了一种基于双边带调制的光器件测量装置。本发明在降低系统复杂度和成本的同时，大幅提高了测量范围和测量效率，更重要地是为光器件测量技术开辟了一个全新的方向。

Description

基于双边带调制的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，尤其涉及一种基于双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

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。在此基础上，一些研究者提出了一系列改进的基于单边带调制的光器件测量方法，例如J.E.Román,等人在"Spectralcharacterization of fiber gratings with high resolution"(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.939–941,1998.)中，以及薛敏等人在“Accuracy improvement of optical vectornetwork analyzer based on single-sideband modulation”(M.Xue,S.L.Pan,and Y.J.Zhao,"Accuracy improvement of optical vector network analyzer based on single-sidebandmodulation,"Optics Letters,vol.39,no.12,pp.3595-3598,Jun.2014.)提到的光单边带扫频方法等。

然而，基于单边带调制的光器件测量方法也存在严重的不足。首先，产生光单边带会使系统非常复杂，目前单边带的产生方法大致分为滤波法和90°相移法，前者需要使用滤波器，增加了系统的复杂度和不稳定性，且消光比有限；后者需要对加载到双驱动光电调制器的微波信号进行90°相移，需要使用宽带90°电桥和双驱动光电调制器，系统复杂，且调节不便。其次，单边带扫频法一次测量只能得到一组测量信号，测量效率低下。最后，单边带扫频方法严重受限于仪器，例如单边带扫频范围不能大于光电探测器(PD)带宽。

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，提供一种基于双边带调制的光器件测量方法及测量装置，在降低系统复杂度和成本的同时，大幅提高了测量范围和测量效率，更重要地是为光器件测量技术开辟了一个全新的方向。

本发明具体采用以下技术方案：

基于双边带调制的光器件测量方法，首先利用光双边带调制方法将频率为ω_e的射频信号调制于频率为ω₀的第一光载波信号上，生成双边带调制信号；然后令双边带调制信号通过待测光器件后与第二光载波信号合束，所述第二光载波信号与第一光载波信号之间存在频率差；利用光电探测器对合束后的信号进行拍频，然后提取拍频信号中+1阶边带信号及-1阶边带信号的幅度信息，该+1阶边带信号的幅度信息和-1阶边带信号的幅度信息分别为待测光器件在频率ω₀+ω_e和频率ω₀-ω_e处的幅频响应；扫描所述射频信号的频率，即得到待测光器件的宽带幅频响应。

根据相同的发明思路还可以得到一种基于双边带调制的光器件测量装置，包括：光载波生成单元、光合束器、光双边带调制器、微波扫频源、光电探测器、频谱分析单元、主控单元；所述光载波生成单元可输出两路相互之间存在频率差的光载波信号；光双边带调制器将微波扫频源输出的微波扫频信号调制于光载波生成单元输出的其中一路光载波信号，生成光双边带调制信号；光双边带调制信号经过待测光器件后与光载波生成单元输出的另外一路光载波信号经光合束器进行合束，然后送入光电探测器进行拍频；频谱分析单元提取拍频信号中+1阶边带信号和-1阶边带信号的幅度信息，该+1阶边带信号的幅度信息和-1阶边带信号的幅度信息分别为待测光器件在频率ω₀+ω_e和频率ω₀-ω_e处的幅频响应，其中ω₀为输入光双边带调制器的光载波信号的频率，ω_e为微波扫频源输出的射频信号频率；主控单元控制微波扫频源扫频，并根据频谱分析单元所提取的幅度信息，得到待测光器件的宽带幅频响应。

作为其中一个优选方案，所述光载波生成单元包括两个并联的光源，且两个光源所输出光信号之间存在频率差。

作为另一个优选方案，所述光载波生成单元包括：光源、光分束器、光移频器；光分束器将光源输出的光信号分为两路，其中一路经由所述光移频器移频后输出，另外一路直接输出。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

一、本发明突破了传统单边带扫频方法中扫频范围小于等于光电探测器带宽等仪器限制，将扫频范围提高到仪器带宽的两倍；

二、本发明将扫频效率提高到原来的两倍，一次拍频可以得到两个信号；

三、本发明不需要产生单边带信号，使系统复杂度大大降低；本发明不需要光域或者电域的滤波器，消除了滤波器带来的不稳定和消光比有限的问题，使系统稳定性大大提高；

四、本发明首次提出利用双边带扫频信号进行光器件测量，为光器件测量技术开辟了一个全新的方向。

附图说明

图1为本发明光器件测量装置的一个实施例的结构示意图；

图2为图1所示装置工作时各部位信号的频谱示意图；

图3为本发明光器件测量装置的又一个实施例的结构示意图；

图4为仿真获得的用光谱仪测得的待测布拉格光纤光栅的幅频响应图与本发明所述方法测得的待测布拉格光纤光栅的幅频响应曲线的对比；

图5为实验获得的用光谱仪测得的待测布拉格光纤光栅的幅频响应图与本发明所述方法测得的待测布拉格光纤光栅的幅频响应曲线的对比。

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：

本发明的思路是在经过待测器件的光双边带调制信号中添加与原始光载波相干且存在微小频率差的光载波，这样在光电探测器拍频后，±1阶边带对应的微波分量具有不同的频率，从而可同时提取±1阶边带上的幅度响应信息。

图1显示了本发明光器件测量装置的一个实施例，如图1所示，该装置包括光源、光分束器、光合束器、光移频器、光双边带调制器、微波扫频源、光电探测器、频谱分析单元、主控单元。光源发出的光信号经光分束器分为两路，一路经光移频器移频，生成移频光信号；光双边带调制器将微波扫频源输出的微波扫频信号调制于另一路光信号，生成光双边带调制信号；光双边带调制信号经过待测光器件后与移频光信号经光合束器合束后送入光电探测器进行拍频；频谱分析单元提取拍频信号中+1阶边带信号和-1阶边带信号的幅度信息；主控单元控制微波扫频源扫频，并根据频谱分析单元所提取的幅度信息，得到待测光器件的宽带幅频响应。

为了使公众理解本发明技术方案，下面对上述测量装置的测量原理进行详细介绍：

经光双边带调制后的光信号为

$E_{\mathrm{DSB}}^{\mathrm{in}}\left(t\right)=\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{o}t\right)\{\exp \left(\mathrm{i\β}\cos {\mathrm{\ω}}_{e}t\right)+\exp (-\mathrm{i\β}\cos {\mathrm{\ω}}_{e}t+\mathrm{i\π})\}---\left(1\right)$

其中，ω_o，ω_e分别为光源输出的光信号与微波信号的角频率，β为光双边带调制器的调制系数，β＝πV_e/V_π。

式(1)可写成：

$E_{\mathrm{DSB}}^{\mathrm{in}}\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{J_n\left(\mathrm{\β}\right)i^n\right[1+{(-1)}^{n+1}\left]\exp \right[i({\mathrm{\ω}}_o+n{\mathrm{\ω}}_e)t\left]\right\}---\left(2\right)$

其中J_n(β)为阶贝塞尔函数。对(2)式进行傅里叶变换，转换为频域函数：

$E_{\mathrm{DSB}}^{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{2\mathrm{\π}{i}^n\right[1+{(-1)}^{n+1}]J_n\left(\mathrm{\β}\right)*\mathrm{\δ}[\mathrm{\ω}-({\mathrm{\ω}}_o+n{\mathrm{\ω}}_e)\left]\right\}---\left(3\right)$

经过待测光器件以后，得到的系统函数为：

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{DSB}}^{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\ω}\right)=E_{\mathrm{DSB}}^{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\ω}\right)\·H\left(\mathrm{\ω}\right)\\ =\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{2\mathrm{\π}{i}^n\right[1+{(-1)}^{n+1}]J_n\left(\mathrm{\β}\right)H({\mathrm{\ω}}_o+n{\mathrm{\ω}}_e)*\mathrm{\δ}[\mathrm{\ω}-({\mathrm{\ω}}_o+n{\mathrm{\ω}}_e)\left]\right\}\end{array}---\left(4\right)$

再对(4)式进行反傅里叶变换，得到时域函数：

$E_{\mathrm{DSB}}^{\mathrm{out}}\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{i^n[1+{(-1)}^{n+1}\right]J_n\left(\mathrm{\β}\right)H({\mathrm{\ω}}_o+n{\mathrm{\ω}}_e)\exp \left[i({\mathrm{\ω}}_o+n{\mathrm{\ω}}_e)t\right]H\}---\left(5\right)$

再与载波经过频移后得到的信号耦合为一个信号：

$E_{\mathrm{mix}}\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{i^n\right[1+{(-1)}^{n+1}\left]J_n\left(\mathrm{\β}\right)H({\mathrm{\ω}}_o+n{\mathrm{\ω}}_e)\mathrm{xep}\right[i({\mathrm{\ω}}_o+n{\mathrm{\ω}}_e)t\left]\right\}+\exp \left[i({\mathrm{\ω}}_o-\mathrm{\Δ\ω})t\right]---\left(6\right)$

其中Δω为移频量；

上式可写为：

E_mix(t)＝2iJ₁(β)H(ω_o+ω_e)exp[i(ω_o+ω_e)t]-2iJ_-1(β)H(ω_o-ω_e)exp[i(ω_o-ω_e)t]    (7)+exp[i(ω_o-Δω)t]+E_other

其中E_other是其余项的总称。我们需要的信息都带在(ω_e+Δω)和(ω_e-Δω)这两项上，所以我们只需要关注这两个频率项。经过光电探测器以后，得到的电流为：

$i_{\mathrm{PD}}\left(t\right)=\mathrm{\η}{E}_{\mathrm{mix}}\left(t\right)\·E_{\mathrm{mix}}^{*}\left(t\right)---\left(8\right)$

其中η是光电探测器的响应度。可得到：

i_PD(t)＝η{-2iJ_-1(β)H(ω_o-ω_e)exp[-i(ω_e-Δω)t]+2iJ_-1(β)H^*(ω_o-ω_e)exp[i(ω_e-Δω)t]+2iJ₁(β)H(ω_o+ω_e)exp[i(ω_e+Δω)t]-2iJ₁(β)H^*(ω_o+ω_e)exp[-i(ω_e+Δω)t]}+i_other     (9)＝2ηRe{-2iJ_-1(β)H(ω_o-ω_e)exp[-i(ω_e-Δω)t]+2iJ₁(β)H(ω_o+ω_e)exp[i(ω_e+Δω)t]}+i_other

其中是i_other剩余项的总称。为了简化分析，式(9)可以表示成复数形式：

i_PD(t)＝2η{-2iJ_-1(β)H(ω_o-ω_e)exp[-i(ω_e-Δω)t]+2iJ₁(β)H(ω_o+ω_e)exp[i(ω_e+Δω)t]}+i_other    (10)

同时，我们有：

J₁(β)＝-J_-1(β)    (11)

综合上述(10)式拆分为-1阶项和+1阶项，我们得到：

i_PD,-1＝-4ηiJ₁(β)H(ω_o-ω_e)exp[-i(ω_e-Δω)t]    (12)

i_PD,+1＝4ηiJ₁(β)H(ω_o+ω_e)exp[i(ω_e+Δω)t]    (13)

由(12)、(13)式，可得到待测光器件在光载波频率ω_o两边的两个频率点ω₀+ω_e和ω₀-ω_e处的幅频响应：

$H({\mathrm{\ω}}_o-{\mathrm{\ω}}_e)=\frac{{-i}_{\mathrm{PD},-1}}{4\mathrm{\ηi}{J}_1\left(\mathrm{\β}\right)\exp [-i({\mathrm{\ω}}_e-\mathrm{\Δ\ω})t]}---\left(14\right)$

$H({\mathrm{\ω}}_o+{\mathrm{\ω}}_e)=\frac{{-i}_{\mathrm{PD},+1}}{4\mathrm{\ηi}{J}_1\left(\mathrm{\β}\right)\exp \left[i({\mathrm{\ω}}_e+\mathrm{\Δ\ω})t\right]}---\left(15\right)$

主控单元控制微波扫频源进行扫频(即改变微波频率)，并根据频谱分析单元所提取的不同的ω_e所对应的频率点ω₀+ω_e和ω₀-ω_e处的幅频响应，即可得到待测光器件的宽带幅频响应。

图2显示了图1所示装置在工作过程中各部位信号的频谱示意图，其中a为光源频谱，b为产生的双边带调制信号的频谱，c为移频光信号的频谱，d为光信号合束后的频谱，e为经光电探测器拍频后的信号频谱。

图3显示了本发明光器件测量装置的又一个实施例，如图3所示，该测量装置包括：光源1、光源2、光合束器、光双边带调制器、微波扫频源、光电探测器、频谱分析单元、主控单元，光源1与光源2所输出光信号之间存在频率差。该实施例中用两个存在频率差的光源分别输出光信号，从而省去了移频器。光双边带调制器将微波扫频源输出的微波扫频信号调制于光源1输出的光信号，生成光双边带调制信号；光双边带调制信号经过待测光器件后与光源2输出的光信号经光合束器进行合束，然后送入光电探测器进行拍频；频谱分析单元提取拍频信号中+1阶边带信号和-1阶边带信号的幅度信息；主控单元控制微波扫频源扫频，并根据频谱分析单元所提取的幅度信息，得到待测光器件的宽带幅频响应。该装置的测量原理与上一实施例相同，此处不再赘述。

上述测量装置中，可采用各种现有的光双边带调制器，需要说明的是，常规的光调制器如不进行其它处理，其输出的即为双边带调制信号。为了使载波对信号的影响最小，本发明优选采用抑制载波的光双边带调制器(此为现有技术，详细内容可参见刘凌云的《抑制载波双边带分析》)。

此外，根据以上的理论分析可知，两路光载波信号间的频率差越大，+1阶边带与-1阶边带分别与第二光载波拍频得到的两个信号之间的频率差就越大，在光电探测器的带宽限制下，扫频范围就越小，因此两路光载波之间的频率差在满足频谱分析单元可分辨的前提下应尽可能小，从而最大化测量范围。

为了验证本发明的有益效果，分别从仿真与实际实验的角度，将本发明的测量方法(简称ODSB)与光谱仪的测量方法(简称OSA)作一个对比。

图4为仿真下的用光谱仪测得的待测布拉格光纤光栅的幅频响应图与本发明所述方法测得的待测布拉格光纤光栅的幅频响应曲线的对比。测量结果契合度很好。可以看出，本发明有更高的分辨率。

图5为实验中的用光谱仪测得的待测布拉格光纤光栅的幅频响应图与本发明所述方法测得的待测布拉格光纤光栅的幅频响应曲线的对比。测量结果契合度很好。可以看出，本发明具有更高的分辨率。

Claims (4)

1.基于双边带调制的光器件测量方法，其特征在于，首先利用光双边带调制方法将频率为的射频信号调制于频率为的第一光载波信号上，生成双边带调制信号；然后令双边带调制信号通过待测光器件后与第二光载波信号合束，所述第二光载波信号与第一光载波信号之间存在频率差；利用光电探测器对合束后的信号进行拍频，然后提取拍频信号中+1阶边带信号及-1阶边带信号的幅度信息，该+1阶边带信号的幅度信息和-1阶边带信号的幅度信息分别为待测光器件在频率和频率处的幅频响应；扫描所述射频信号的频率，即得到待测光器件的宽带幅频响应。

2.基于双边带调制的光器件测量装置，其特征在于，包括：光载波生成单元、光合束器、光双边带调制器、微波扫频源、光电探测器、频谱分析单元、主控单元；所述光载波生成单元可输出两路相互之间存在频率差的光载波信号；光双边带调制器将微波扫频源输出的微波扫频信号调制于光载波生成单元输出的其中一路光载波信号，生成光双边带调制信号；光双边带调制信号经过待测光器件后与光载波生成单元输出的另外一路光载波信号经光合束器进行合束，然后送入光电探测器进行拍频；频谱分析单元提取拍频信号中+1阶边带信号和-1阶边带信号的幅度信息，该+1阶边带信号的幅度信息和-1阶边带信号的幅度信息分别为待测光器件在频率和频率处的幅频响应，其中为输入光双边带调制器的光载波信号的频率，为微波扫频源输出的射频信号频率；主控单元控制微波扫频源扫频，并根据频谱分析单元所提取的幅度信息，得到待测光器件的宽带幅频响应。

3.如权利要求2所述基于双边带调制的光器件测量装置，其特征在于，所述光载波生成单元包括：光源、光分束器、光移频器；光分束器将光源输出的光信号分为两路，其中一路经由所述光移频器移频后输出，另外一路直接输出。

4.如权利要求2所述基于双边带调制的光器件测量装置，其特征在于，所述光载波生成单元包括两个并联的光源，且两个光源所输出光信号之间存在频率差。