CN105547654B - 一种基于光双边带调制的光器件测量方法及测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光双边带调制的光器件测量方法及测量系统，属于光器件测量、微波光子学技术领域。本发明方法采用普通的光双边带调制信号和希尔伯特变换后的光双边带信号分别测量待测光器件的频谱响应，而后采用数据处理技术，解调得到待测光器件的频谱响应（包含幅度响应和相位响应）。本发明还公开了一种基于光双边带调制的光器件光谱响应测量系统。相比现有的光器件光谱响应测量技术，本发明具有更大的动态范围、更宽的测量范围，且成本更低。

Description

一种基于光双边带调制的光器件测量方法及测量系统
技术领域
本发明涉及一种基于光双边带调制的光器件测量方法及测量系统，属于光器件测量、微波光子学技术领域。
背景技术
近年来不断涌现的新业务、不断提高的服务质量要求、以及不断指数增长的接入设备，使曾经被认为是取之不尽用之不竭的光谱资源变得越来越紧张，提高光谱利用效率成了重要的解决途径和必然的发展趋势。这就要求人们从单一维度(主要是幅度)、粗粒度操纵光谱转变为多个维度、精确控制光谱。包括幅度、相位、频率、偏振甚至是模场分布在内的多维光谱资源都被用来携带信息，信息的传输、接收和处理发生了前所未有的变化。新型高精度光器件从设计、生产到实际使用的整个过程都需要对其光谱响应进行多维、高精细测量。
基于光单边带调制的光器件测量技术采用微波光子学方法，将粗粒度的光域波长扫描转换成超高分辨率的微波频率扫描，从而实现超高分辨率的光器件测量。然而，光单边带信号边带抑制比有限，残留边带将会引入测量误差，使其动态范围较小。该技术仅采用一个边带进行测量，因而带宽有限、测量效率低。此外，宽带、高边带抑制比的光单边带调制器结构复杂、造价高，使得该测量装置造价高昂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光双边带调制的光器件测量方法及测量系统，克服现有光器件光谱响应测量技术的不足，能够在实现光器件频谱响应高精度测量的同时，提高测量范围和动态范围，并大幅降低实现成本。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于光双边带调制的光器件测量方法，包括以下步骤：
步骤1，将微波扫频信号通过光双边带调制器调制于光载波上，生成光双边带信号；
步骤2，在使光双边带信号通过待测光器件后，利用光电探测器将其转换为微波信号，其中包括以下两种情况：
201，在光双边带调制器与待测光器件之间不级联光希尔伯特变换器的条件下，微波幅相接收模块以微波扫频信号为参考，提取光电探测器输出的微波信号的幅度和相位信息；对提取到的幅度和相位信息进行计算处理，得到第一传输函数；
202，在光双边带调制器与待测光器件之间级联光希尔伯特变换器的条件下，光双边带信号经过光希尔伯特变换器后传输至待测光器件；微波幅相接收模块以微波扫频信号为参考，提取光电探测器输出的微波信号的幅度和相位信息；对提取到的幅度和相位信息进行计算处理，得到第二传输函数；
步骤3，将第一传输函数和第二传输函数分别进行矢量相加和矢量相减，得到待测光器件位于光载波两侧的传输函数。
另一方面，本发明提供一种基于光双边带调制的光器件测量系统，包括光源、微波扫频源、光双边带调制器、光希尔伯特变换器、光电探测器、微波幅相接收模块、控制及数据处理单元，其中：
光双边带调制器，用于将微波扫频源输出的微波扫频信号调制于光源输出的光载波上，生成光双边带信号；
光希尔伯特变换器，用于翻转光双边带信号中一个边带的相位；
光电探测器，用于将经过待测光器件的光双边带信号转换为微波信号；
微波幅相接收模块，用于提取光电探测器输出的微波信号的幅度和相位信息；
控制及数据处理单元，用于对光源和微波扫频源进行控制，根据微波幅相接收模块提取到的幅度和相位信息得到待测光器件的传输函数，并对接收到的数据和处理结果进行存储和显示。
作为本发明的进一步优化方案，光双边带调制器为马赫-曾德尔调制器。
作为本发明的进一步优化方案，该系统的光希尔伯特变换器为可编程光滤波器，可编程光滤波器有两种工作状态：一种是全通状态，不影响光双边带信号；另一种是光希尔伯特变换器状态，对光双边带信号中的一个边带进行相位翻转。
作为本发明的进一步优化方案，光电探测器对经过待测光器件的光双边带信号进行平方率检波后输出微波信号。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明采用光双边带信号实现了光器件光谱响应的测量，相比现有的光单边带测量技术，具有更宽的测量范围、更大的动态范围，且成本更低。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
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：
本发明的思路是采用光双边带信号实现光器件光谱响应的测量，分别采用普通光双边带信号和经光希尔伯特变换后的光双边带信号对待测光器件进行测量，而后通过数据处理，得到待测光器件的幅度响应和相位响应。
图1为本发明的系统结构示意图，该系统包括光源、微波扫频源、光双边带调制器、光希尔伯特变换器、光电探测器、微波幅相接收模块、控制及数据处理单元。光双边带调制器将微波扫频源输出的微波扫频信号调制到光源输出的光载波上，生成光双边带信号；光希尔伯特变换器用于对光双边带信号进行希尔伯特变换；光探测器接收光待测器件输出的光信号，并对其进行平方率检波输出微波信号；微波幅相接收模块以微波扫频源输出的微波扫频信号为参考，提取光探测器输出微波信号的幅度和相位信息；控制及数据处理单元控制微波扫频源进行频率扫描，并接收、处理微波幅相接收模块所提取的幅度和相位信息。本实施例中，所述光希尔伯特变换器为可编程光滤波器，可编程光滤波器可工作在两种状态：一种是全通状态，不影响光双边带信号；另一种光希尔伯特变换器状态，对光双边带信号中的一个边带进行相位翻转。这样，在实际测量时就不需要频繁拆装，只需要调节可编程光滤波器即可。在实际测量时，光希尔伯特变换器还可以采用基于光纤光栅的希尔伯特变换器等多种变换器。
使用上述系统进行光器件测量时，首先，使可编程光滤波器工作在全通状态，此时光双边带信号不受影响，采用该光双边带信号对待测光器件进行测量；其次，使可编程光滤波器工作在光希尔伯特变换器状态，此时，光双边带信号中一个边带的相位发生翻转，采用变换后的光双边带信号对待测光器件进行再次测量；最后，对上述两次测量结果进行数据处理，即可得到待测光器件的光谱响应。
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：
光双边带调制器采用马赫-曾德尔调制器，其输出的光双边带信号可用以下表达式表示：
其中，ωc和ωe分别为光载波和微波扫频信号的角频率；A-1、A0和A+1分别为-1阶边带、光载波和+1阶边带的复幅度。
若光双边带调制器与待测光器件之间不级联光希尔伯特变换器，当该光双边带信号通过待测光器件时，载波和各阶边带的幅度和相位随待测光器件的传输函数变化。此时，经待测光器件后的光双边带信号为：
其中，H(ω)＝HDUT(ω)·Hsystem(ω)，HDUT(ω)是待测光器件的传输函数，Hsystem(ω)是测量系统的传输函数。
若光双边带调制器与待测光器件之间级联光希尔伯特变换器，该光双边带信号受到光希尔伯特变换器的作用，其+1阶边带相位发生翻转，因而，经待测光器件传输后的光双边带信号可写成：
上述两种情况下，经过光电探测器的平方率检波后测量得到的微波信号分别为：
其中，η是光探测器的响应系数。
由式(4)和(5)可得，待测光器件和测量系统的联合响应函数为：
同理，采用直通校准，即移除待测光器件并将两测试端口直接相连，可得到测量系统的传输函数，其表达式为
根据式(6)～式(9)可得待测光器件的传输函数，其可表示为
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于光双边带调制的光器件测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将微波扫频信号通过光双边带调制器调制于光载波上，生成光双边带信号；
步骤2，在使光双边带信号通过待测光器件后，利用光电探测器将其转换为微波信号，其中包括以下两种情况：
201，在光双边带调制器与待测光器件之间不级联光希尔伯特变换器的条件下，微波幅相接收模块以微波扫频信号为参考，提取光电探测器输出的微波信号的幅度和相位信息；对提取到的幅度和相位信息进行计算处理，得到第一传输函数；
202，在光双边带调制器与待测光器件之间级联光希尔伯特变换器的条件下，光双边带信号经过光希尔伯特变换器后传输至待测光器件；微波幅相接收模块以微波扫频信号为参考，提取光电探测器输出的微波信号的幅度和相位信息；对提取到的幅度和相位信息进行计算处理，得到第二传输函数；
步骤3，将第一传输函数和第二传输函数分别进行矢量相加和矢量相减，得到待测光器件位于光载波两侧的传输函数。
2.一种基于光双边带调制的光器件测量系统，其特征在于，包括光源、微波扫频源、光双边带调制器、光希尔伯特变换器、光电探测器、微波幅相接收模块、控制及数据处理单元，其中：
光双边带调制器，用于将微波扫频源输出的微波扫频信号调制于光源输出的光载波上，生成光双边带信号；
光希尔伯特变换器，用于翻转光双边带信号中一个边带的相位；
光电探测器，用于将经过待测光器件的光双边带信号转换为微波信号；
微波幅相接收模块，用于提取光电探测器所输出微波信号的幅度和相位信息；
控制及数据处理单元，用于对光源和微波扫频源进行控制，根据微波幅相接收模块提取到的幅度和相位信息得到待测光器件的传输函数，并对接收到的数据和处理结果进行存储和显示。
3.根据权利要求2所述的一种基于光双边带调制的光器件测量系统，其特征在于，光双边带调制器为马赫-曾德尔调制器。
4.根据权利要求2所述的一种基于光双边带调制的光器件测量系统，其特征在于，该系统的光希尔伯特变换器为可编程光滤波器，可编程光滤波器有两种工作状态：一种是全通状态，不影响光双边带信号；另一种是光希尔伯特变换器状态，对光双边带信号中的一个边带进行相位翻转。
5.根据权利要求2所述的一种基于光双边带调制的光器件测量系统，其特征在于，光电探测器对经过待测光器件的光双边带信号进行平方率检波后输出微波信号。
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