CN104990690B - 一种光器件频率响应测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光器件频率响应测量方法与系统。本发明方法将单波长的光载波信号输入带载波的移频模块，得到有载波分量与移频分量的光探测信号，通过待测器件后，经光探测模块拍频得到射频信号，并利用工作频率与所述频移量相同的射频幅相提取模块提取所述射频信号的幅度与相位信息，得到待测光器件在光探测信号两个频率分量处的组合幅频响应与相频响应，通过计算，分别得出两个频率分量处的幅频响应与相频响应；改变所述光载波信号的波长并重复上述过程，得到待测光器件的频率响应。本发明还公开了一种光器件频率响应测量系统。相比现有技术，本发明仅要求幅相提取模块能够测量固定单频点，大幅降低了成本，同时能够对带通器件进行测量。

Description

一种光器件频率响应测量装置与方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别是一种光器件频率响应的测量装置与方法。

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，高精度光器件的研制、生产、检测与应用过程当中，高精度的光器件频率响应测试技术是必不可少的。然而，现有的光器件频率响应测试技术难以对高精度光器件(如微环、微球等高Q值微谐振器等)进行多维度、高精细的表征。目前，美国LUNA公司是唯一一家生产商用光矢量分析仪的公司，其推出的OVA5000测试仪表，可测量光器件的多维频率响应(如幅度、相位、群时延、偏振模色散、偏振相关损耗等)，但是其测试精细度仅为1.6pm(200MHz)，难以满足高精度光器件的测试需求。此外，基于DFB激光器扫频技术和光功率探测的技术也被用于对光器件频率响应进行测量，并被研究机构广泛采用。但是该测试技术只能检测光功率的变化，以此获取幅频响应信息，而无法获得相频响应等其他维度的关键信息，因此无法测得相频响应。

为了实现高精度、多维度的光器件频率响应测量，1998年J.E.Roman提出了基于光单边带调制的光矢量分析方法。这种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 withhigh resolution,”Opt.Lett.,vol.23,no.12,pp.939–941,1998.)中，以及薛敏等人在“Accuracy improvement of optical vector network analyzer based on single-sideband modulation”(M.Xue,S.L.Pan,and Y.J.Zhao,"Accuracy improvement ofoptical vector network analyzer based on single-sideband modulation,"OpticsLetters,vol.39,no.12,pp.3595-3598,Jun.2014.)提到的光单边带扫频方法等。然而，上述方法需要采用宽带的微波幅相提取模块进行射频信号幅度和相位的提取，使整个测量装置造价不菲。此外，上述方法还存在无法测量带通待测光器件、需要使用微波矢量分析仪等问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种光器件频率响应测量装置与方法，用于解决现有的对光器件能够实现精确且多维测量的装置及方法造价高的技术问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种光器件的频率响应测量方法，将单波长的光载波信号输入至带载波的移频模块中，移频模块输出光探测信号，所述光探测信号带有2个频率分量分别为载波分量和移频分量，将光探测信号通过待测的光器件后输入至光探测模块，经光探测模块拍频后输出得到固定频率下变频的射频信号，此射频信号频率与移频模块的移频量相等；将射频信号输入至幅相提取模块中，提取射频信号的幅度和相位信息，得到待测的光器件在光探测信号的上述2个频率分量处的幅频响应和相频响应；改变光载波信号的波长并重复前述过程，得到待测的光器件的载波分量频率响应和移频分量频率响应二者相乘形式的组合频率响应。

而组合频率响应有两种计算方法可以转换为待测的光器件的频率响应：

第一种，在本发明中，由于测试前必然会获知待测的光器件的大致参数，其中包括待测的光器件的带宽，可以在此基础上应用上述测量方法并设置移频量远小于待测的光器件的带宽，一般满足移频量与待测光器件的带宽的比值小于0.01时，此时，待测的光器件的载波分量频率响应和移频分量频率响应相当，则处理时，将组合频率响应开方后获得待测的光器件的频率响应。

第二种，在本发明中，由于测试前必然会获知待测的光器件的大致参数，其中包括待测的光器件的粗略频率响应情况，若待测的光器件的频率响应在某一段频率范围内是平坦的，可以在应用上述测量方法时设置移频量为扫频光载波信号的扫频频率间隔的整数倍，并且将扫频的起始点放在该平坦范围内，可以将平坦范围内的频率响应近似看做相等，求出平坦范围的频率响应值；当扫频频率超出平坦范围后，由于光探测信号的2个频率分量中一个分量在非平坦范围且频率响应未知，另一个在平坦范围且频率响应值已知，则处于非平坦范围的频率可根据另一频率分量的频率响应值与组合频率响应联立方程求得。当2个频率分量均不在平坦范围时，先超出平坦范围的频率分量可根据后超出平坦范围的频率响应值与组合频率联立方程求得，求出每点频率响应值，即可得到待测的光器件频率响应。为了对待测试的频率范围内光器件的频率响应的完整检测，一般选择待测试的频率范围以外的平坦区域。

实现上述测量方法的装置，包括光源模块、带载波的移频模块、微波模块、光探测模块、幅相提取模块和控制及数据处理模块；

光源模块，通过光源信号被微波信号调制成抑制载波的单边带信号，通过对微波信号进行扫频得到用于输出单波长的扫频光载波信号；

带载波的移频模块，用于对扫频光载波信号以某一固定的移频量进行移频操作得到移频分量，并且保留光载波信号作为光载波分量，以包含移频分量和光载波分量的光探测信号形式输出；

光探测模块，用于对经过待测光器件后的光探测信号进行光电探测，输出携带待测的光器件在光探测信号的2个频率分量处的频率响应信息的射频信号；

幅相提取模块，设置工作频率为带载波的移频模块的移频量，用于提取所述光探测模块输出的射频信号的幅度和相位信息；

微波模块，用于输出微波信号，一个输出端连接到带载波的移频模块用于设置带载波的移频模块的移频量，另一个输出端连接到幅相提取模块用于作为幅相提取模块的参考信号用于提供相位参考信息，且上述两个输出端输出的信号为同源信号；

控制及数据处理模块，用于控制光源模块进行频谱扫描，同时对幅相提取模块输出的幅度和相位信息进行处理并输出待测的光器件的光谱矢量响应信息，即包含幅频响应和相频响应的频率响应。

进一步的，在本发明中，仅需对光载波信号进行较小频量的频移，且希望移频后无高阶边带，所以所述带载波的移频模块优选选用不消除载波的声光调制器，因为恰好该种光移频技术具有移频后无高阶边带残留的优点，但只能对光波进行特定频移量的移频、且移频量较小(通常小于200MHz)。

进一步的，在本发明中，所述带载波的移频模块为单边带调制器，通过对微波信号进行扫频，得到扫频的光单边带信号。

进一步的，在本发明中，所述带载波的移频模块为抑制载波的双边带调制器，且微波模块中与幅相提取模块相连的输出端输出的信号为微波模块中与带载波的移频模块相连的输出端输出的信号的2倍频信号。

进一步的，在本发明中，所述光源模块为扫频激光源。

进一步的，在本发明中，所述光源模块中设置有微波源，光源信号被微波源发出的微波信号调制成抑制载波的单边带信号，通过对被微波源发出的微波信号进行扫频，得到扫频的光单边带信号。

使用上述装置时，按照如下步骤进行操作：

步骤1、首先，将带载波的移频模块的输出端与光探测模块的输入端直接相连，控制及数据处理模块控制光源模块进行扫频并将光载波信号输入带载波的移频模块，同时控制及数据处理模块控制幅相提取模块提取带载波的移频模块输出的光探测信号在各频点处的幅度和相位变化，得到所述测量装置的矢量响应函数；

步骤2、然后，在所述移频模块的输出端与光探测模块的输入端之间连接待测光器件，控制及数据处理模块控制进行扫频并将光载波信号输入带载波的移频模块，同时控制及数据处理模块控制幅相提取模块提取穿过待测的光器件后的光探测信号在各频点处的幅度和相位变化，得到待测光器件与测量系统的联合矢量响应函数；

步骤3、用联合矢量响应函数除以测量装置的矢量响应函数，得到待测的光器件的幅频响应与相频响应。

有益效果：

本发明结合光波长移频技术和射频信号幅相提取技术，提供一种光器件频率响应测量方法、测量装置，实现了光器件幅频响应和相频响应的测量。辅以高精细单波长扫频光源，本发明即可实现光器件频率响应的高精细测量。此外，本发明对幅相提取模块的要求低，只需要对一个固定单频点进行测量，因此成本低，能对带通器件进行测量等优点。

附图说明

图1为本发明光器件频率响应测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明的思路是：结合光子移频技术和射频信号幅相提取技术来实现对测量精度的提升；用带载波的移频模块与光探测模块实现固定频率的下变频功能，将扫频光信号转化为固定频率的射频信号。

图1显示了本发明光器件频率响应测量系统的一种结构，如图所示，该测量系统包括光源模块、带载波的移频模块、待测光器件、光探测模块、幅相提取模块及控制及数据处理模块；光源模块输出单波长扫频光载波信号；带载波的移频模块对光载波信号进行移频，同时并不消除光载波分量，得到有载波分量与移频分量的光探测信号；待测光器件改变光探测信号两个频率分量的幅度和相位；光探测模块接收携带待测光器件幅频响应与相频响应信息的光探测信号，将待测光器件的频率响应信息转移至射频信号中；工作频率与移频模块频移量相同的幅相提取模块提取光探测模块所输出射频信号的幅度相位信息；控制及数据处理模块一方面控制光源模块进行频谱扫描，另一方面接收幅相提取模块输入的信息并进行计算处理，得到待测光器件的光谱矢量响应信息。

所述光源模块为光源信号被光源模块内部的微波源发出的微波信号调制成抑制载波的单边带信号，通过对微波源发出的微波信号进行扫频，得到扫频的光单边带信号。

所述移频模块可采用现有的各类光频移技术，如基于双平行马赫-曾德尔调制器的单边带调制技术或抑制载波的双边带调制技术，该频移技术可通过调节输入射频信号的频率实现光波长频移量的灵活调节，但存在诸多高阶边带；又如基于不消除载波的声光调制器的光频移技术，该技术具有移频后无高阶边带残留的优点，但只能对光波进行特定频移量的移频，且移频量较小(通常小于200MHz)。本发明仅需对光波进行较小频量的频移，且希望移频后无高阶边带，因此本发明优选采用不消除载波的声光调制器来实现光波的移频。

还设置有微波模块，具有两个输出端，输出端1连接到带载波的移频模块用于设置带载波的移频模块的移频量，输出端2连接到幅相提取模块用于作为幅相提取模块的参考信号用于提供相位参考信息，且上述两个输出端输出的信号为同源信号；特别的，当移频模块使用抑制载波的双边带调制技术时，2端的微波信号为1端的微波信号的倍频信号，以此保证幅相提取模块的工作频率与移频量相等。

此外，光探测模块输出的射频信号为单频信号且频率小于200MHz，因此已有成熟的技术可提取该射频信号的幅度和相位信息。如ADI公司推出的AD8302射频信号幅相信息提取芯片，该芯片可提取<2.7GHz射频信号的幅相信息，本发明即优选采用该芯片实现相应的射频信号幅相提取。

使用上述系统进行光器件测量时，首先，将带载波的移频模块的输出端与光探测模块的输入端直接相连的情况下，控制及数据处理模块控制所述光源模块进行扫频，同时控制幅相提取模块提取扫频光探测信号各频点处的幅度和相位变化，得到所述测量系统的矢量响应函数；

然后，在带载波移频模块的输出端与光探测模块的输入端之间，连接待测的光器件的情况下，控制及数据处理模块控制所述光源模块进行扫频，同时控制幅相提取模块提取扫频光探测信号各频点处的幅度和相位变化，得到待测的光器件与测量系统的联合矢量响应函数；

最后，用联合矢量响应函数除以测量系统的矢量响应函数，得到待测的光器件的幅频响应与相频响应。

为了使公众更清晰地了解本发明技术方案，下面对本发明的测量原理进行简要介绍。由于两种计算待测的光器件的频率响应的方法中第一种情况比较简单，此处不做展开说明，这里对较为复杂的第二种情况进行具体展开说明。

一般的单边带信号E_SSB(t)可以表示成下式：:

其中，ω_o是光源信号的角频率,ω_e是1端的微波信号的角频率,β＝πV/V_π是相位调制效率,其中V是1端微波信号的幅度,V_π是调制器的半波电压，J_m表示m阶第一类贝塞尔函数。此处，只考虑正一阶边带，也就是载波抑制的单边带信号：

经过载波抑制的双边带调制模块，生成抑制载波的双边带信号Eⁱⁿ _DSB(t)：

其中，Δω是2端微波信号的角频率，i表示虚数，满足i²＝-1。将上述信号进行傅里叶变换为：

其中，δ表示冲击函数；

在待测的光器件中，边带的幅度和相位会随着待测的光器件的响应H(ω)而改变：

对E_DUT(ω)进行傅里叶逆变换：

经过光探测模块，用以下公式可以得到光信号转换成的电信号I_PD(t)：

其中，η是光探测模块的灵敏度。

此处将做一个假设：测试的前几个点的幅度与相位不变，即光待测器件的频率响应在前面2Δω的距离中是平坦的，且频率扫描的间隔ω_s应该满足条件：Δω＝nω_s，1端微波信号可以表示成ω_e＝mω_s。其中，n与m均为非零正整数。

即在这最初的n+1个点中,可以假设：

H(ω_o+ω_s-Δω)＝H(ω_o+2ω_s-Δω)＝…＝H(ω_o+ω_s)＝H(ω_o+2ω_s)

＝…＝H(ω_o+(n-1)ω_s)＝H(ω_o+nω_s)＝H(ω_o+ω_s+Δω) (8)

I_m是实验测得的第m个电流值，由此可以对(7)解方程，求得响应函数H(ω).

当m＝1时：

当m＝2,H(ω_o+2ω_s+Δω)已经不在平坦范围内：

由此，求出响应函数H(ω)，其通式可以表示成：

由以上公式推导，可以得到待测光器件在频率扫描范围内的幅频响应与相频响应。

下面列举一个采用本发明测量系统测量光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)的具体实施例。

为实现光纤光栅幅频响应和相频响应的精细测量，实施例中，光源选用线宽为300Hz的窄线宽激光器，因此，测量装置的最高精细度约为300Hz。光移频模块为Fujistu公司的马赫曾德尔调制器，进行抑制载波的双边带调制，微波源1端输出信号为10MHz标准正弦波对光信号进行调制，2端输出信号为1端的倍频信号20MHz作为幅相提取模块的参考信号，所以其频移量为20MHz，因此光探测模块输出的射频信号为20MHz，为提取上述射频信号的幅相信息，本实施例中基于ADI公司的AD8302芯片设计了工作频率为20MHz的射频信号幅相提取模块。具体而言，使用本发明测量系统进行光纤光栅测量时，按照以下步骤：

(1)系统响应测量步骤：带载波的移频模块的输出端与光探测模块的输入端直接相连，即不连接光纤光栅，控制光源进行扫频，同时控制幅相提取模块提取光纤光栅各频点处的幅度和相位变化信号，输至控制及数据处理模块，得到系统的矢量响应函数(即幅频响应与相频响应)；

(2)系统和光纤光栅联合响应测量步骤：在带载波的移频模块的输出端与光探测模块的输入端间级联光纤光栅，同样地，测得系统与待测光纤光栅的联合矢量响应函数；

(3)数据处理步骤：将联合矢量响应函数除以系统的矢量响应函数，即可得到待测光纤光栅的矢量响应函数，亦即待测光器件的幅频响应与相频响应。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光器件的频率响应测量方法，其特征在于：将单波长的光载波信号输入至带载波的移频模块中，带载波的移频模块输出光探测信号，所述光探测信号带有2个频率分量分别为载波分量和移频分量，将光探测信号通过待测的光器件后输入至光探测模块，经光探测模块拍频后输出得到固定频率下变频的射频信号，此射频信号频率与移频模块的移频量相等；将射频信号输入至幅相提取模块中，提取射频信号的幅度和相位信息，得到待测的光器件在光探测信号的上述2个频率分量处的幅频响应和相频响应；改变光载波信号的波长并重复前述过程，得到待测的光器件的载波分量频率响应和移频分量频率响应的组合频率响应，根据组合频率响应求得待测的光器件的频率响应；

而组合频率响应有两种计算方法可以转换为待测的光器件的频率响应：

第一种，所述组合频率响应为待测的光器件的载波分量频率响应和移频分量频率响应的相乘的形式，当移频模块的移频量与待测光器件的带宽的比值小于0.01时，则将组合频率响应进行开方运算获得待测的光器件的频率响应；

第二种，当待测的光器件的频率响应在某一段频率范围内是平坦的，则设置带载波移频模块的移频量为光载波信号的扫频频率间隔的整数倍；然后按照下列步骤进行：

首先，将光载波信号的扫频的起始点放在该平坦范围内，获得平坦范围内的频率响应作为该平坦范围内的频率范围所对应的待测的光器件的频率响应值；

然后，当扫频频率超出平坦范围且载波分量和移频分量二者中的一个在非平坦范围且频率响应未知、另一个在平坦范围且频率响应已知，则处于非平坦范围的频率分量根据处于在平坦范围内的频率分量的频率响应值与组合频率响应联立求得；

最后，当扫频频率超出平坦范围且载波分量和移频分量二者均不在平坦范围内时，先超出平坦范围的频率分量的频率响应值根据后超出平坦范围的频率分量的频率响应值与组合频率响应联立求得；

按照上述三步求出每点频率的对应的频率响应值，即可得到待测的光器件频率响应。

2.一种用于实现权利要求1所述方法的光器件的频率响应测量装置，其特征在于：包括光源模块、带载波的移频模块、微波模块、光探测模块、幅相提取模块和控制及数据处理模块；

光源模块，用于输出单波长的扫频光载波信号；

带载波的移频模块，用于对扫频光载波信号以某一固定的移频量进行移频操作得到移频分量，并且保留光载波信号作为光载波分量，以包含移频分量和光载波分量的光探测信号形式输出；

光探测模块，用于对经过待测光器件后的光探测信号进行光电探测，输出携带待测的光器件在光探测信号的2个频率分量处的频率响应信息的射频信号；

幅相提取模块，设置工作频率为带载波的移频模块的移频量，用于提取所述光探测模块输出的射频信号的幅度和相位信息；

微波模块，用于输出微波信号，一个输出端连接到带载波的移频模块用于设置带载波的移频模块的移频量，另一个输出端连接到幅相提取模块用于作为幅相提取模块的参考信号，且上述两个输出端输出的信号为同源信号；

控制及数据处理模块，用于控制光源模块进行频谱扫描，同时对幅相提取模块输出的幅度和相位信息进行处理并输出待测的光器件的频率响应。

3.如权利要求2所述光器件的频率响应测量装置，其特征在于：所述带载波的移频模块为不消除载波的声光调制器。

4.如权利要求2光器件的频率响应测量装置，其特征在于：所述带载波的移频模块为单边带调制器。

5.如权利要求2光器件的频率响应测量装置，其特征在于：所述带载波的移频模块为抑制载波的双边带调制器，且微波模块中与幅相提取模块相连的输出端输出的信号为微波模块中与带载波的移频模块相连的输出端输出的信号的2倍频信号。

6.如权利要求2所述光器件的频率响应测量装置，其特征在于：所述光源模块为扫频激光源。

7.如权利要求2所述光器件的频率响应测量装置，其特征在于：所述光源模块中设置有微波源，光源信号被微波源发出的微波信号调制成抑制载波的单边带信号，通过对被微波源发出的微波信号进行扫频，得到扫频的光单边带信号。