CN104165756B - 基于受激布里渊散射的高灵敏度光矢量网络分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于受激布里渊散射的光矢量网络分析仪，所述分析仪包括窄线宽激光器、光耦合器、偏振控制器、强度调制器、光隔离器、滤波器、色散位移光纤、环形器、光电探测器、矢量网络分析仪、微波信号源、光放大器。本发明基于光纤中的受激布里渊散射效应，使得光滤波之后的光信号的载波被受激布里渊散射进行衰减，同时通过两次测试光子无源器件的幅度和相位响应，扣除高阶边带引入的测试误差，从而提高光矢量网路分析仪的测试精度。

Description

基于受激布里渊散射的高灵敏度光矢量网络分析仪

技术领域

本发明属于微波光子学领域，更具体的说是一种基于光纤的受激布里渊散射效应的高灵敏度光矢量网络分析仪。

背景技术

微波光子学是上个世纪70年代提出的一种融合微波技术和光子技术的交叉学科，其兼顾了微波技术的灵活性和光子技术的宽带以及低损耗特性。光矢量网络分析仪在无源器件(光纤光栅、光滤波器)的测试中具有重要的意义，一方面它结合了微波矢量网络分析高分辨率的特性，另一方面它结合了光子系统的宽带以及低损耗的特性。光矢量网络分析广泛地应用于高Q值滤波器的测试，可以同时测量幅度和相位响应。传统的基于电子技术的微波矢量网络分析仪无法测试无源高Q光子器件的幅度和相位相应。光矢量网络分析仪克服了传统的微波矢量网络分析仪不能测试高Q值光子无源器件的幅度和相位响应的缺点，而且还具有低损耗、重量轻、以及不受电磁干扰的优点。

传统的光矢量网络分析仪是基于小信号调制单边带技术来测试光子无源器件的响应，但小信号会不可避免的降低光矢量网络分析仪的测试灵敏度，即在扫频的一阶边带功率低的情况下，无法测试更深的凹陷滤波器以及带外抑制比更高的带通滤波器。本发明在大信号调制的情况下，首先扫频得出光子无源待测器件的幅度和相位响应，然后通过受激布里渊散射的衰减作用实现将载波衰减，然后扫频得出光之无源器件的幅度和相位响应，最后通过扣除高阶边带的误差来实现高灵敏度光矢量网络分析仪。

发明内容

为了解决精确、高灵敏度地测试高Q值光子无源滤波器幅度和相位响应的问题，本发明提出一种基于光纤的受激布里渊散射效应的高灵敏度光矢量网络分析仪，其基于光纤中的受激布里渊散射效应，使得光滤波之后的光信号的载波被受激布里渊散射进行衰减。通过两次测试光子无源器件的幅度和相位响应进而扣除高阶边带引入的测试误差以及提高光矢量网路分析仪的测试精度。

本发明提出的一种基于受激布里渊散射的光矢量网络分析仪包括：

窄线宽激光器，用于提供连续光信号；

光耦合器，与所述窄线宽激光器连接，用于将所述窄线宽激光器发出的连续光分为等功率的两路光信号；

第一偏振控制器，输入端口与所述光耦合器的一个输出端口连接，输出端口与第一强度控制器的输入端口连接，用于调节所述光耦合器输出的一路光信号的偏振态，使得进入所述第一强度调制器的光信号的偏振方向对准所述第一强度调制器入射端口的起偏方向；

第一强度调制器，与所述第一偏振控制器连接，用于对于接收到的光信号进行强度调制，使得经过强度调制后的光信号产生光载波和调制边带，并经过光隔离器入射到第一带通光滤波器；

光隔离器，与所述第一强度调制器连接，用于防止反向而来的受激布里渊散射的泵浦光进入所述第一强度调制器；

第一光带通滤波器，与所述光隔离器连接，用于对于接收到的光信号进行单边带处理；

色散位移光纤，与所述第一光带通滤波器连接，用于发生受激布里渊散射；

环形器，其第一端口与第三偏振控制器的输出端口连接，第二端口与所述色散位移光纤的输出端口连接，第三端口与待测器件的输入端口连接，用于对于光信号进行路由；

待测器件，输入端口与所述环形器的第三端口连接，输出端口与光电探测器的输入端口连接；

光电探测器，输入端口与所述待测器件的输出端口连接，输出端口与矢量网络分析仪的输入端口连接，用于将所述待测器件9输出的光信号转化为电信号输出给所述矢量网络分析仪，以对待测器件的频响进行响应；

矢量网络分析仪，输入端口与所述光电探测器的输出端口连接，输出端口与所述第一强度调制器的射频端口连接，用于在扫频模式下测量待测器件的频率响应，并将其作为所述第一强度调制器的调制信号；

第二偏振控制器，输入端口与所述光耦合器的另一个输出端口连接，输出端口与第二强度调制器的输入端口连接，用于调节所述光耦合器输出的另一路光信号的偏振态，使得进入所述第二强度调制器的光信号的偏振方向对准所述第二强度调制器入射端口的起偏方向；

第二强度调制器，与所述第二偏振控制器连接，用于对于接收到的光信号进行强度调制；

第二光带通滤波器，输入端口与所述第二强度调制器的输出端口连接，用于对于接收到的光信号进行边带处理；

光放大器，输入端口与所述第二光带通滤波器的输出端口连接，用于放大滤波之后的光信号，补偿光带通滤波器引起的光功率的损耗；

第三偏振控制器，输入端口与光放大器的输出端口连接，输出端口与环形器的第一端口相连，用于调节滤波后的光信号的偏振态。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明基于受激布里渊散射的高灵敏度光矢量网络分析仪结构简单、能够高灵敏度的测试高Q值光滤波器以及其他无源光子器件的幅度和相位响应。

本发明光矢量网络分析仪的测试灵敏度和测试精度较高，同时，由于泵浦光和信号都源于同一个激光器，因此，所形成的光矢量网络分析仪的稳定性也较好。

附图说明

图1是本发明基于受激布里渊散射的高灵敏度光矢量网络分析仪的结构示意图；

图2是本发明基于受激布里渊散射的高灵敏度光矢量网络分析仪的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明基于受激布里渊散射的高灵敏度光矢量网络分析仪的结构示意图，如图1所示，所述光矢量网络分析仪包括：窄线宽激光器1、光耦合器2、第一偏振控制器3、第一强度调制器4、光隔离器5、第一光带通滤波器6、色散位移光纤7、环形器8、待测器件9、光电探测器10、矢量网络分析仪11、第二偏振控制器12、第二强度调制器13、微波信号源14、第二光带通滤波器15、光放大器16、第三偏振控制器17，其中：

所述窄线宽激光器1用于提供连续光信号；

所述光耦合器2与所述窄线宽激光器1连接，用于将所述窄线宽激光器1发出的连续光分为等功率的两路光信号，即分光比为1:1，一路光信号经过第一强度调制器4进行强度调制，另一路光信号经过第二强度调制器13进行强度调制；

所述第一偏振控制器3的输入端口与所述光耦合器2的一个输出端口连接，输出端口与所述第一强度控制器4的输入端口连接，用于调节所述光耦合器2输出的一路光信号的偏振态，使得进入所述第一强度调制器4的光信号的偏振方向对准所述第一强度调制器4入射端口的起偏方向；

所述第一强度调制器4与所述第一偏振控制器3连接，用于对于接收到的光信号进行强度调制，使得经过强度调制后的光信号产生光载波和调制边带，并经过光隔离器5入射到第一带通光滤波器；

在本发明一实施例中，所述强度调制为大信号调制。

所述光隔离器5与所述第一强度调制器4连接，用于防止反向而来的受激布里渊散射的泵浦光进入所述第一强度调制器4；

所述第一光带通滤波器6与所述光隔离器5连接，用于对于接收到的光信号进行单边带处理，即滤除调制边带的上边带仅仅剩余下边带，其中，所述下边带用于测试待测器件的幅度和相位响应；

所述色散位移光纤7与所述第一光带通滤波器6连接，用于发生受激布里渊散射；

在色散位移光纤内部，由于泵浦光信号的受激布里渊散射效应，所述第一强度调制器4的光载波将会经历受激布里渊散射的衰减作用，通过调整宽带微波源和第一光带通滤波器6使强度调制之后的光信号的+1阶边带的上变频的布里渊损耗谱落在强度调制后的光信号的光载波位置处，由于布里渊衰减效应，该光载波功率将会被衰减，衰减光载波的调制信号再次经过待测器件，测试待测器件的幅度和相位响应，从而扣除高阶边带引入的测试待测器件的测试误差。

所述环形器8的第一端口①与所述第三偏振控制器17的输出端口连接，第二端口②与所述色散位移光纤7的输出端口连接，第三端口③与所述待测器件9的输入端口连接，用于对于光信号进行路由；

所述待测器件9的输入端口与所述环形器8的第三端口③连接，输出端口与所述光电探测器10的输入端口连接；

所述光电探测器10的输入端口与所述待测器件9的输出端口连接，

输出端口与矢量网络分析仪11的输入端口连接，用于将所述待测器件9输出的光信号转化为电信号输出给所述矢量网络分析仪11，以对待测器件9的频响进行响应；

所述矢量网络分析仪11的输入端口与所述光电探测器10的输出端口连接，输出端口与所述第一强度调制器4的射频端口连接，用于在扫频模式下测量待测器件9的频率响应，并将其作为所述第一强度调制器4的调制信号；

所述第二偏振控制器12的输入端口与所述光耦合器2的另一个输出端口连接，输出端口与所述第二强度调制器13的输入端口连接，用于调节所述光耦合器2输出的另一路光信号的偏振态，使得进入所述第二强度调制器13的光信号的偏振方向对准所述第二强度调制器13入射端口的起偏方向；

所述第二强度调制器13与所述第二偏振控制器12连接，用于对于接收到的光信号进行强度调制；

在本发明一实施例中，所述第二强度调制器13加载的微波调制信号来自于外部宽带微波信号源14，所使用的微波调制信号的频率为10.5GHz，其中，所述微波信号源14的输出端口与所述第二强度调制器13的射频端口连接；

所述第二光带通滤波器15的输入端口与所述第二强度调制器13的输出端口连接，用于对于接收到的光信号进行边带处理，即滤除光载波和其余的光边带，仅仅剩余+1阶调制边带，强度调制后的+1阶调制边带能够诱导色散位移光纤发生受激布里渊散射来衰减光载波；

所述光放大器16的输入端口与所述第二光带通滤波器15的输出端口连接，用于放大滤波之后的光信号，补偿光带通滤波器引起的光功率的损耗，放大之后的光信号通过偏振控制器调制偏振态后由环形器8由第一端口①路由到第二端口②，然后入射到所述色散位移光纤7，以用于诱导受激布里渊散射；

所述第三偏振控制器17的输入端口与光放大器16的输出端口连接，输出端口与环形器8的第一端口①相连，用于调节滤波后的光信号的偏振态。

其中，所述第二强度调制器13、微波信号源14、光滤波器15和光放大器16可由双平衡马赫曾德调制器18、宽带微波源19和90度移相器20替代，来实现光信号的移频，其中：

所述双平衡马赫曾德调制器18的输入端口与所述第二偏振控制器12的输出端口连接，输出端口与所述第三偏振控制器17的输入端口连接，

用于对于接收的光信号进行移频处理；

所述宽带微波源19产生的微波信号通过微波功分器分为强度相等的两束微波信号，其中一路输入至所述双平衡马赫曾德调制器18的射频输入端口，另一路输入至所述90度移相器20；

所述90度移相器20的输入端口与微波源功分器的一个输出端口连接，输出端口与所述双平衡马赫曾德调制器18的另一个射频输入端口连接。

其中，所述窄线宽激光器1可以是半导体激光器也可以是光纤激光器。

所述偏振控制器3、12、17可以是光纤结构或者是波导结构的偏振控制器，也可以是空间结构的偏振控制器。

所述强度调制器4、13可以是铌酸锂晶体的调制器也可以是半导体聚合物的调制器或者有机聚合物的调制器，调制带宽越宽越好，半波电压越小越好，偏压越稳定越好，插损越低越好。

所述微波信号源14可以是矢量网络分析仪也可以是微波信号源。

所述色散位移光纤7可以是掺锗高非线性光纤也可以是硫化物高非线性光纤，只要保证1550nm的色散值为0即可。

所述光带通滤波器6、15可以是基于硅基液晶技术的波形整形器也可以是光滤波器或者是波分复用器以及光纤光栅，滤波器的通带边沿越陡越好，插损越小越好。

所述光电探测器10可以是光电二极管也可以是光电倍增管，可以是磷化铟材料的也可以是硅基材料的，带宽越宽越好，饱和输入光功率越大越好，光电转化效率越高越好。

图2是本发明基于受激布里渊散射的高灵敏度光矢量网络分析仪的原理示意图，其中，图2a所示为强度调制的光载波和调制边带(可同时参考图1中的位置a)，此时的调制为大信号调制，光载波与调制边带的频率差f等于强度调制器上所加载的微波信号的频率，此时的调制光信号入射到第一光带通滤波器实现单边带调制产生，如图2c1所示(可同时参考图1中的位置c)，然后入射到待测器件，测试待测器件的幅度和相位响应；然后利用受激布里渊散射实现光载波衰减，将衰减光载波的调制信号入射到待测器件，测试待测器件的幅度和相位响应；另外一路光信号通过强度调制器和光滤波器实现光信号的移频，如图2b所示(可同时参考图1中的位置b)，移频量f1等于受激布里渊散射的移频量，移频后的光信号作为受激布里渊散射的泵浦光通过光环行器入射到色散位移光纤，泵浦光诱导强度调制的光载波功率衰减，如图2c2所示(可同时参考图1中的位置c)，然后入射到待测器件测试其幅度和相位响应，通过两次测试扣除高阶边带引入的测试误差，同时提高测试的灵敏度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于受激布里渊散射的光矢量网络分析仪，其特征在于，该分析仪包括：

窄线宽激光器，用于提供连续光信号；

光耦合器，与所述窄线宽激光器连接，用于将所述窄线宽激光器发出的连续光信号分为等功率的两路光信号；

第一偏振控制器，输入端口与所述光耦合器的一个输出端口连接，输出端口与第一强度控制器的输入端口连接，用于调节所述光耦合器输出的一路光信号的偏振态，使得进入所述第一强度调制器的光信号的偏振方向对准所述第一强度调制器入射端口的起偏方向；

第一强度调制器，与所述第一偏振控制器连接，用于对于接收到的光信号进行强度调制，使得经过强度调制后的光信号产生光载波和调制边带，并经过光隔离器入射到第一光带通滤波器；

光隔离器，与所述第一强度调制器连接，用于防止反向而来的受激布里渊散射的泵浦光进入所述第一强度调制器；

第一光带通滤波器，与所述光隔离器连接，用于对于接收到的光信号进行单边带处理，即滤除调制边带的上边带仅仅剩余下边带，其中，所述下边带入射到待测器件，用于测试待测器件的幅度和相位响应；

色散位移光纤，与所述第一光带通滤波器连接，用于发生受激布里渊散射；在色散位移光纤内部，泵浦光信号受激布里渊散射效应，所述第一强度调制器的光载波经历受激布里渊散射的衰减作用，通过调整宽带微波源和第一光带通滤波器使强度调制之后的光信号的+1阶边带的上变频的布里渊损耗谱落在强度调制后的光信号的光载波位置处，布里渊衰减效应使该光载波功率被衰减，衰减光载波的调制信号再次经过待测器件，测试待测器件的幅度和相位响应，从而扣除高阶边带引入的测试待测器件的测试误差；

环形器，其第一端口与第三偏振控制器的输出端口连接，第二端口与所述色散位移光纤的输出端口连接，第三端口与待测器件的输入端口连接，用于对于光信号进行路由；

待测器件，输入端口与所述环形器的第三端口连接，输出端口与光电探测器的输入端口连接；

光电探测器，输入端口与所述待测器件的输出端口连接，输出端口与矢量网络分析仪的输入端口连接，用于将所述待测器件输出的光信号转化为电信号输出给所述矢量网络分析仪，以对待测器件的频响进行响应；

矢量网络分析仪，输入端口与所述光电探测器的输出端口连接，输出端口与所述第一强度调制器的射频端口连接，用于在扫频模式下测量待测器件的频率响应，并将其作为所述第一强度调制器的调制信号；

第二偏振控制器，输入端口与所述光耦合器的另一个输出端口连接，输出端口与第二强度调制器的输入端口连接，用于调节所述光耦合器输出的另一路光信号的偏振态，使得进入所述第二强度调制器的光信号的偏振方向对准所述第二强度调制器入射端口的起偏方向；

第二强度调制器，与所述第二偏振控制器连接，用于对于接收到的光信号进行强度调制；

第二光带通滤波器，输入端口与所述第二强度调制器的输出端口连接，用于对于接收到的光信号进行边带处理；

光放大器，输入端口与所述第二光带通滤波器的输出端口连接，用于放大滤波之后的光信号，补偿第二光带通滤波器引起的光功率的损耗；

第三偏振控制器，输入端口与光放大器的输出端口连接，输出端口与环形器的第一端口相连，用于调节滤波后的光信号的偏振态。

2.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的光矢量网络分析仪，其特征在于，所述第一强度调制器中的强度调制为大信号调制。

3.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的光矢量网络分析仪，其特征在于，所述第一光带通滤波器中的单边带处理为滤除调制边带的上边带，仅仅剩余下边带。

4.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的光矢量网络分析仪，其特征在于，所述第二强度调制器加载的微波调制信号来自于外部宽带微波信号源。

5.根据权利要求4所述的基于受激布里渊散射的光矢量网络分析仪，其特征在于，所述微波调制信号的频率为10.5GHz。

6.根据权利要求4所述的基于受激布里渊散射的光矢量网络分析仪，其特征在于，所述微波信号源的输出端口与所述第二强度调制器的射频端口连接。

7.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的光矢量网络分析仪，其特征在于，所述第二光带通滤波器中的边带处理为滤除光载波和其余的光边带，仅仅剩余+1阶调制边带。

8.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的光矢量网络分析仪，其特征在于，所述第二强度调制器、微波信号源、第一光带通滤波器、第二光带通滤波器和光放大器由双平衡马赫曾德调制器、宽带微波源和90度移相器替代，来实现光信号的移频。

9.根据权利要求8所述的基于受激布里渊散射的光矢量网络分析仪，其特征在于，所述双平衡马赫曾德调制器的输入端口与所述第二偏振控制器的输出端口连接，输出端口与所述第三偏振控制器的输入端口连接，用于对于接收的光信号进行移频处理；

所述宽带微波源产生的微波信号通过微波功分器分为强度相等的两束微波信号，其中一路输入至所述双平衡马赫曾德调制器的射频输入端口，另一路输入至所述90度移相器；

所述90度移相器的输入端口与微波源功分器的一个输出端口连接，输出端口与所述双平衡马赫曾德调制器的另一个射频输入端口连接。

10.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的光矢量网络分析仪，其特征在于，所述窄线宽激光器为半导体激光器或光纤激光器；和/或，

所述第一偏振控制器、第二偏振控制器和第三偏振控制器为光纤结构/波导结构的偏振控制器，或空间结构的偏振控制器；和/或，

所述第一强度调制器和第二强度调制器为铌酸锂晶体的调制器、半导体聚合物的调制器或有机聚合物的调制器；和/或，

所述色散位移光纤为掺锗高非线性光纤或硫化物高非线性光纤；和/或，

所述第一光带通滤波器和第二光带通滤波器为基于硅基液晶技术的波形整形器、光滤波器、波分复用器或光纤光栅；和/或，

所述光电探测器为光电二极管或光电倍增管；和/或，

所述光电探测器由磷化铟材料制成或由硅基材料制成。