CN105606343B - 一种大动态范围光器件测量方法及测量系统 - Google Patents

一种大动态范围光器件测量方法及测量系统 Download PDF

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    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0292—Testing optical properties of objectives by measuring the optical modulation transfer function

Abstract

本发明公开了一种大动态范围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。本发明方法采用光分束器将经待测光器件传输后的光单边带信号等分为两路，一路直接输至平衡光电探测器的一个光输入口，另一路经光希尔伯特变换器后输至平衡光电探测器的另一个输入口。在平衡光电探测器中，残留边带相消，所需边带相加，因而可消除残留边带引入的测量误差，提高系统的动态范围。本发明还公开了一种大动态范围光器件测量系统。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、更低的共模噪声。

Description

一种大动态范围光器件测量方法及测量系统
技术领域
本发明涉及一种大动态范围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
多维度和高精度光器件光谱分析手段和仪器也是核心光子集成芯片发展以及相关前沿科学研究的必然需求。一方面，先进的光谱分析手段能帮助人们更深入的挖掘集成器件的能力。作为未来光集成的基础单元，微谐振器(微环、微盘、微球等)被广泛用于光开关、量子无损测量、高精度传感、微型激光器、光相移器、光存储、非线性光学、高效光调制、单分子监测等，已在Nature和Science上报道了数十次，孕育着人类计量技术、量子技术、信息技术、生物技术、环境监测等多个领域的重大突破，也关系着国家时间同步网、高精度雷达等重大国防技术的突破。但由于其Q值高达109，当前尚未有合适的技术能精确测量出其幅度和相位光谱响应。例如，光真延时是宽带相控阵天线、光子路由、光子信号处理等集成芯片的基础单元，它往往需要在数百MHz带宽内精确控制器件的幅度和相位响应，已有测试方法显然难以对此类芯片的特性进行有效表征。另一方面，先进的光谱分析手段也能够揭示微纳器件的精细结构以及光与物质作用的物理过程，例如通过对硅基微环的自由谱区精细到几十kHz的测量、可以得知腔内的色散，从而推断出在最先进的显微镜下也无法得到的结构细节。
基于光单边带调制的光器件测量技术，采用电光调制技术，将光域低分辨率的波长扫描转换为微波域的超高分辨率波长扫描，辅以高精度的微波幅相接收技术，实现了超高分辨率光器件光谱响应的测量。然而，光单边带信号边带抑制比有限，残留边带将引入测量误差，使其动态范围较小。此外，光电、电光转换较低的转换效率，所得微波信号的信噪比较低，使测量结果中包含较大的共模噪声。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大动态范围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，提高动态范围，抑制共模噪声。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种大动态范围光器件测量方法，将微波扫频信号调制到光载波上，生成光单边带信号；光单边带信号经待测光器件传输后，通过平衡光电探测将光信号转换为微波信号；以微波扫频信号为参考，提取微波信号的幅度和相位信息，从而获取待测光器件的传输函数，其中，平衡光电探测按以下方法进行：将待测光器件输出的光信号等分成两路，一路传输至平衡光电探测器的一个光输入口，另一路经光希尔伯特变换后传输至平衡光电探测器的另一个光输入口，平衡光电探测器对接收到的两路光信号进行平衡光电探测，输出携有待测光器件传输函数信息的微波信号。
作为本发明的进一步优化方案，光希尔伯特变换由光希尔伯特变换器完成。
另一方面，本发明提供一种大动态范围光器件测量系统，包括光源、微波源、光单边带调制器、光分束器、光希尔伯特变换器、平衡光电探测器、微波幅相接收模块、控制及数据处理单元，其中：
光单边带调制器，用于将微波源输出的微波扫频信号调制于光源输出的光载波上，生成光单边带信号；
光分束器，用于将经待测光器件传输后的光信号等分成两路；
光希尔伯特变换器，用于翻转光单边带信号中扫频边带的相位；
平衡光电探测器，用于对接收到的两路光信号进行平衡光电探测；
微波幅相接收模块，用于提取平衡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。
作为本发明的进一步优化方案，光分束器与平衡光电探测器之间的两光路具有相同的长度和损耗。
作为本发明的进一步优化方案，平衡光电探测器对接收到的两路光信号同时进行光电转换并矢量相减，而后从微波输出端口输出。
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：相比现有的光单边带测量技术，具有更大的动态范围，且共模噪声得到有效的抑制。
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：
本发明的思路是将经待测光器件传输后的光信号等分为两路，一路直接输至平衡光电探测器的一个光输入口，另一路经光希尔伯特变换器传输后，送至平衡光电探测器的另一个光输入口；通过对两路光信号进行平衡光电探测，消除残留边带引入的测量误差，进而增加测量系统的动态范围，同时抑制共模噪声。
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、光单边带调制器、光分束器、光希尔伯特变换器、平衡光电探测器、微波幅相接收模块、控制及数据处理单元。光单边带调制器将微波源输出的微波扫频信号调制到光源输出的光载波上，生成光单边带信号；光分束器将经待测光器件传输后的光信号等分为两路，其中，一路经过光希尔伯特变换器翻转其扫频边带的相位后传输至平衡光探测器，另一路直接传输至平衡光探测器；平衡光探测器接对接收到的两路光信号进行光电转换，输出微波信号；微波幅相接收模块以微波源输出的微波扫频信号为参考，提取平衡光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控制微波源进行频率扫描，并接收、处理微波幅相接收模块所提取的幅度和相位信息，从而得到待测光器件的传输函数。
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：
光单边带调制器输出的光单边带信号可用以下表达式表示：
Ein(ω)＝A-1·δ[ω-(ωo-ωe)]+A0·δ(ω-ωo)+A+1·δ[ω-(ωo+ωe)] (1)
其中，ωc和ωe分别为光载波和微波信号的角频率；A-1、A0和A+1依次为残留边带、光载波和扫频边带的复幅度。
光单边带探测信号经待测光器件传输后，被光分束器分成幅度和相位相同的两路。一路直接输至平衡光电探测器的一个光输入口；另一路经光希尔伯特变换器传输后输至平衡光电探测器的另一个光输入口。光希尔伯特变换器翻转所输入光信号中扫频边带的相位，因而，两路光信号的光场可表示为：
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；B-1、B0和B+1依次为光分束器两路输出信号的残留边带、光载波和扫频边带的复幅度。
在平衡光电探测器中，两路光信号被同时转换为微波信号。由于幅相接收模块仅接收与微波源所输出微波信号具有相同频率的分量，因而，我们仅关心频率为ωe的微波分量。其可用以下表达式表示
在平衡光电探测器的输出端口，两微波信号进行矢量相减，输出的微波信号为
同理，在直通校准状态，即移除待测光器件将两测试端口直接相连，可测得测量系统的传输函数。其表达式为
根据式(4)和式(5)，可得待测光器件的传输函数，
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)

1.一种大动态范围光器件测量方法，将微波扫频信号调制到光载波上，生成光单边带信号；光单边带信号经待测光器件传输后，通过平衡光电探测将光信号转换为微波信号；以微波扫频信号为参考，提取微波信号的幅度和相位信息，从而获取待测光器件的传输函数，其特征在于，平衡光电探测按以下方法进行：将待测光器件输出的光信号等分成两路，一路传输至平衡光电探测器的一个光输入口，另一路经光希尔伯特变换后传输至平衡光电探测器的另一个光输入口，平衡光电探测器对接收到的两路光信号进行平衡光电探测，输出携有待测光器件传输函数信息的微波信号。
2.根据权利要求1所述的一种大动态范围光器件测量方法，其特征在于，光希尔伯特变换由光希尔伯特变换器完成。
3.一种大动态范围光器件测量系统，其特征在于，包括光源、微波源、光单边带调制器、光分束器、光希尔伯特变换器、平衡光电探测器、微波幅相接收模块、控制及数据处理单元，其中：
光单边带调制器，用于将微波源输出的微波扫频信号调制于光源输出的光载波上，生成光单边带信号；
光分束器，用于将经待测光器件传输后的光信号等分成两路；
光希尔伯特变换器，用于翻转光单边带信号中扫频边带的相位；
平衡光电探测器，用于对接收到的两路光信号进行平衡光电探测；
微波幅相接收模块，用于提取平衡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。
4.根据权利要求3所述的一种大动态范围光器件测量系统，其特征在于，光分束器与平衡光电探测器之间的两光路具有相同的长度和损耗。
5.根据权利要求3所述的一种大动态范围光器件测量系统，其特征在于，平衡光电探测器对接收到的两路光信号同时进行光电转换并矢量相减，而后从微波输出端口输出。
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