CN105548686B - 一种光滤波器幅频响应的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光滤波器幅频响应的测量方法，属于光电子技术领域。本发明解决了传统扫频法需要额外校准的问题，本发明采用双移频外差原理，将经过光滤波器前后的光调制边带分别与移频光载波进行外差，实现单次扫频的自校准式光滤波器幅频响应测量，具有测量精度高、测量时间短、操作方便的优点。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种光滤波器幅频响应的测量方法。
背景技术
光滤波器是光纤通信系统中不可或缺的基本器件，波分复用技术特别是密集波分复用技术的发展和应用要求光滤波器的带宽越来越窄，例如，目前波分复用系统的相邻通道间隔已经达到25GHz甚至12.5GHz，与之相匹配的阵列波导光栅带宽在不断的减小，发展与此相适应的窄带光滤波器分析技术对于分析波分复用系统的通道串扰分析、提高系统容量和码率特别重要。
通常，测量光滤波器的频率响应的方法有调制相移法(Kawanishi T,Sakamoto T,Izutsu M.Optical filter characterization by using optical frequency sweeptechnique with a single sideband modulator[J].IEICE Electronics Express,2006,3(3):334-38.)、相干检测法(Jin C,Bao Y,Li Z H.High-resolution optical spectrumcharacterization using optical channel estimation and spectrum stitchingtechnique[J].Optics Letters,2013,38(13):2314-2316.)、放大自发辐射法(CranchG A,FlockhartG M.Tools for synthesising and characterising Bragg gratingstructures in optical fibres and waveguides[J].Journal of Modern Optics,2012,59(6):493-526.)、扫频法(Tang Z Z,Pan S L,Yao J P.A high resolution opticalvector network analyzer based on a wideband and wavelength-tunable opticalsingle-sideband modulator[J].Optics Letters,2012,6(20):6555-6560；Wang M G,YaoJ P.Optical vector network analyzer based on unbalanced double-sidebandmodulation[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2013,8(25):753-756；Qing T,XueM,Huang M H,Pan S L.Measurement of optical magnitude response based ondouble-sideband modulation[J].Optics Letters,2014,39(21):6174-6176.)。其中调制相移法和相干检测法使用波长可调谐光源进行扫频，测量分辨率受限于光源的扫频步进和稳定性；放大自发辐射法采用放大自发辐射光源的超宽谱特性对光滤波器进行测量，但受限于光谱仪的分辨率，一般分辨率只有0.01nm；扫频法是利用光调制器和探测器组合，借由调制边带对光滤波器进行扫频测量，其测量分辨率高，但需要对电光调制器和光电探测器的频响进行额外校准。目前，亟需发展一种无需额外校准的电扫频方法以满足光滤波器高分辨率测量的要求。为了解决以上问题，本发明采用双移频外差的方法，对光滤波器的幅频响应进行扫频测量，单次扫频测量即可获得光滤波器幅频响应，具有自校准、精度高、操作简便的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双移频外差的自校准式光滤波器幅频响应扫频测量方法，以提高光滤波器幅频响应测量的精度和效率。
为了实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种光滤波器幅频响应的测量方法，该方法包括以下步骤：
(1)构建双移频外差结构，包括可调激光光源、分束器Ⅰ、分束器Ⅱ、合束器Ⅰ、合束器Ⅱ、电光调制器、待测光滤波器、声光移频器Ⅰ、声光移频器Ⅱ、光电探测器、其中可调激光光源的输出接分束器Ⅰ的输入端，分束器Ⅰ和合束器Ⅰ构成一个外移频外差仪，声光移频器Ⅰ放置于外移频外差仪的一个臂上，偏振控制器、电光调制器和内移频外差仪依次级联放置于外移频外差仪的另一个臂上，内移频外差仪由分束器Ⅱ和合束器Ⅱ构成，待测滤波器和声光移频器Ⅱ分别放置于内移频外差仪的两个臂上，外移频外差仪的输出即合束器Ⅰ的输出接光电探测器的输入端；
(2)设置可调激光光源输出光波的频率为f0，在电光调制器的电极上加载频率为fm的正弦信号，声光移频器Ⅰ的电极上加载频率为f1的正弦信号，声光移频器Ⅱ的电极上加载频率为f2的正弦信号；
(3)通过光电探测器和数据采集链路记录在(2)步骤中的外移频外差仪的输出信号，记录频率为fm-f1、fm+f1、fm-f1+f2、fm+f1-f2的功率值，分别记为I(fm-f1)、I(fm+f1)、I(fm-f1+f2)、I(fm+f1-f2)；
(4)按照如下公式可以得到待测光滤波器的幅频响应值，和其中公式的分母中±的选择取决于其频率更靠近分子项中的频率；
(5)通过改变加载在电光调制器电极上的微波信号频率fm的大小，重复步骤(2)、(3)、(4)、从而得到待测光滤波器相对于光载波f0不同频率fm的幅频响应。
该光滤波器幅频响应的测量方法的特征在于构建双移频干涉仪结构，内移频干涉仪嵌于外移频干涉仪的一个臂上。
该光滤波器幅频响应的测量方法，其中电光调制器为电光强度调制器或者电光相位调制器。
作为优选，声光移频器Ⅰ的电极上加载的信号频率f1与声光移频器Ⅱ的电极上加载的信号频率f2，满足f2≈2f1或者f2≈0。
作为优选，步骤(4)公式的分母中±的选择取决于其频率更靠近分子项中的频率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明一种光滤波器幅频响应的测量方法，采用双移频干涉仪结构，实现了自校准测量光滤波器幅频响应的功能，方法更加简洁，测量准确度更高。
(2)本发明一种光滤波器幅频响应的测量方法，利用了光调制的上下边带，测量时频率范围可以为微波扫频频率的两倍，扩展了测量频率范围。
(3)本发明一种光滤波器幅频响应的测量方法，利用微波扫频测量，较传统的波长扫描，分辨率大大提高。
附图说明
图1是本发明光滤波器幅频响应的测量系统原理框图；
图2是本发明实施例中通过控制和数据采集模块记录的一组测量值示意图；
图3是本发明实施例中测量得到待测光滤波器相对于光载波f0不同频率fm的幅频响应曲线，以及与利用放大自发辐射法得到校准后的幅频响应曲线进行对比。
其中附图1标记：1-可调激光光源、21-分束器Ⅰ、3-偏振控制器、4-电光调制器、5-微波信号源、22-分束器Ⅱ、6-待测光滤波器、71-声光移频器Ⅰ、72-声光移频器Ⅱ、23-合束器Ⅱ、24-合束器Ⅰ、8-光电探测器、9-频谱分析仪、10-控制和数据采集模块。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
一种光滤波器幅频响应的测量方法，该方法包括以下步骤：
(1)构建双移频外差结构，包括可调激光光源、分束器Ⅰ、分束器Ⅱ、合束器Ⅰ、合束器Ⅱ、电光调制器、待测光滤波器、声光移频器Ⅰ、声光移频器Ⅱ、光电探测器、其中可调激光光源的输出接分束器Ⅰ的输入端，分束器Ⅰ和合束器Ⅰ构成一个外移频外差仪，声光移频器Ⅰ放置于外移频外差仪的一个臂上，偏振控制器、电光调制器和内移频外差仪依次级联放置于外移频外差仪的另一个臂上，内移频外差仪由分束器Ⅱ和合束器Ⅱ构成，待测滤波器和声光移频器Ⅱ分别放置于内移频外差仪的两个臂上，外移频外差仪的输出即合束器Ⅰ的输出接光电探测器的输入端；
(2)设置可调激光光源输出光波的频率为f0，在电光调制器的电极上加载频率为fm的正弦信号，声光移频器Ⅰ的电极上加载频率f1的正弦信号，声光移频器Ⅱ的电极上加载频率f2的正弦信号；
(3)通过光电探测器和数据采集链路记录在(2)步骤中的外移频外差仪的输出信号，记录频率为fm-f1、fm+f1、fm-f1+f2、fm+f1-f2的功率值，分别记为I(fm-f1)、I(fm+f1)、I(fm-f1+f2)、I(fm+f1-f2)；
(4)按照如下公式可以得到待测光滤波器的幅频响应值，和其中公式的分母中±的选择取决于其频率更靠近分子项中的频率；
(5)通过改变加载在电光调制器电极上的微波信号频率fm的大小，重复步骤(2)、(3)、(4)、从而得到待测光滤波器相对于光载波f0不同频率fm的幅频响应。
附图1是本发明光滤波器幅频响应的测量系统原理框图：分束器Ⅰ21和合束器Ⅰ24构成一个外移频外差仪，分束器Ⅱ22和合束器Ⅱ23构成内移频外差仪；可调激光光源1发出频率为f0的光波，经过分束器Ⅰ21分成两束光，其中一束光经过电光调制器4将频率为fm的正弦信号加载在光载波f0上，被调制的光信号经过分束器Ⅱ22分成两部分，一部分经过待测光滤波器6，另外一部分经过声光移频器Ⅱ72，两部分光经过光合束器Ⅱ23耦合，与经过声光移频器Ⅰ71移频后的光载波通过光合束器Ⅰ24耦合。三束光波耦合后进入光电探测器8转化为电信号，最后由控制和数据采集模块10对频谱分析仪9中的数据进行采集和记录。
本发明光滤波器幅频响应的测量方法的原理如下：
可调激光光源1发出频率为f0的光波，经过分束器Ⅰ21分成两束光，其中一束光经过电光调制器4将频率为fm的正弦信号加载在光载波f0上，由于扫频法是借由调制边带对光滤波器进行扫频测量，所以只需考虑被调制光信号的一阶边带，则光信号电场可表示为：
其中A0为光载波电场幅度大小，m1为电光调制器4的调制系数，J1(m1)为1阶第一类贝塞尔函数。
被调制的光信号经过光分束器Ⅱ22分为两部分，一部分经过待测光滤波器6，假设待测光滤波器6的幅频响应为H(f)，则从待测光滤波器6输出的电场为：
其中γ(0<γ<1)为这两部分光的相对幅度系数。
另外一部分调制光信号经过声光移频器Ⅱ72移频f2后电场为：
被光分束器Ⅰ21分开的另一束光载波通过声光移频器Ⅰ71移频f1后为：
其中β(0<β<1)和分别为经过光分束器Ⅰ21分开的两部分光波的相对幅度系数和相对相位差。
这三束光信号通过外移频外差仪的输出端进入光电探测器8探测拍频信号的功率为：
其中C为直流成分，R为光电探测器8对不同频率的响应度，*表示取共轭复数，Iother表示其它频率成分的功率。
利用控制和数据采集模块10记录频率为fm-f1、fm+f1、fm-f1+f2、fm+f1-f2的功率值，分别为：
当f2≈0时，R(fm-f1)≈R(fm-f1+f2)和R(fm+f1)≈R(fm+f1-f2)成立；当f2≈2f1时，R(fm-f1)≈R(fm+f1-f2)和R(fm+f1)≈R(fm-f1+f2)成立。所以待测光滤波器6的幅频响应可以通过外差频率成分的功率比值求解出来：
其中(1-γ)/γ是一个常数，公式7(a)和7(b)的分母中±的选择取决于其频率更靠近分子项中的频率。
实施例
待测光滤波器6是滤波中心波长为1550nm，3dB带宽为0.1nm的带通光滤波器，设置可调激光光源1输出光波长为1550nm(对应频率大小为f0＝193.55THz)，以其中一个测量频点为例，当微波信号源5输出频率fm＝10GHz，声光移频器Ⅰ71移动频率为f1＝-100MHz(相对f0减小100MHz)，声光移频器Ⅱ72移动频率为f2＝70MHz(相对f0增加70MHz)，通过控制和数据采集模块10记录频率为fm-f1＝10.1GHz、fm+f1＝9.9GHz、fm-f1+f2＝10.17GHz、fm+f1-f2＝9.83GHz的幅值分别为I(fm-f1)＝-64.54dBm、I(fm+f1)＝-56.02dBm、I(fm-f1+f2)＝-45.08dBm、I(fm+f1-f2)＝-32.61dBm。图2为本实施例中利用本发明测量光滤波器幅频响应的一组测量值，通过控制和数据采集模块10记录的上述四个频率成分。
由于fm-f1与fm-f1+f2相隔最近，fm+f1和fm+f1-f2相隔最近，所以对应待测光滤波器在频率f0+fm处的幅频响应为H(f0+fm)＝I(fm-f1)-I(fm-f1+f2)＝-19.46dB，在频率f0-fm处的幅频响应为H(f0-fm)＝I(fm+f1)-I(fm+f1-f2)＝-23.41dB。
改变微波信号源5的输出频率fm，重复以上步骤，得到待测光滤波器6相对于光载波f0不同频率fm的幅频响应。图3为本实施例中利用本发明测量光滤波器频率响应的方法得到待测光滤波器6(滤波中心波长为1550nm，3dB带宽为0.1nm的带通光滤波器)相对于光载波f0不同频率fm的幅频响应曲线，并与利用放大自发辐射法得到校准后的幅频响应曲线进行对比，两曲线非常吻合，验证了本发明测量光滤波器幅频响应的方法的准确性。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种双移频外差结构，其特征在于：包括外移频外差仪、内移频外差仪；
外移频外差仪包括分束器Ⅰ(21)和合束器Ⅰ(24)，外移频外差仪的一个臂上设置有声光移频器Ⅰ(71)；外移频外差仪的另一个臂上设置依次级联的偏振控制器(3)、电光调制器和(4)内移频外差仪；
内移频外差仪包括分束器Ⅱ(22)和合束器Ⅱ(23)；内移频外差仪的两个臂上分别设置有待测滤波器(6)和声光移频器Ⅱ(72)。
2.采用如权利要求1所述的一种双移频外差结构测量光滤波器幅频响应的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、设置可调激光光源(1)输出光波的频率为f0，在电光调制器(4)的电极上加载频率为fm的正弦信号，声光移频器Ⅰ(71)的电极上加载频率为f1的正弦信号，声光移频器Ⅱ(72)的电极上加载频率为f2的正弦信号；
步骤2、通过光电探测器(8)和数据采集链路记录在步骤1中的外移频外差仪的输出信号，记录频率为fm-f1、fm+f1、fm-f1+f2、fm+f1-f2的功率值，分别记为I(fm-f1)、I(fm+f1)、I(fm-f1+f2)、I(fm+f1-f2)；
步骤3、按照如下公式可以得到待测光滤波器的幅频响应值，和其中公式的分母中±的选择取决于其频率更靠近分子项中的频率；
步骤4、通过改变加载在电光调制器(4)电极上的微波信号频率fm的大小，重复步骤1、2、3，从而得到待测光滤波器相对于光载波f0不同频率fm的幅频响应。
3.根据权利要求书2所述的一种双移频外差结构测量光滤波器幅频响应的方法，其特征在于：电光调制器为电光强度调制器或者电光相位调制器。
4.根据权利要求书2所述的一种双移频外差结构测量光滤波器幅频响应的方法，其特征在于：声光移频器Ⅰ的电极上加载的信号频率f1与声光移频器Ⅱ的电极上加载的信号频率f2，满足f2≈2f1或者f2≈0。
5.根据权利要求书2所述的一种双移频外差结构测量光滤波器幅频响应的方法，其特征在于：步骤3公式的分母中±的选择取决于其频率更靠近分子项中的频率。
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