CN105738080A - 一种光器件光谱响应测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光器件光谱响应测量方法，属于微波光子测量技术领域。本发明利用双边带相位调制方法和双边带幅度调制方法将微波扫频信号分别调制于光载波上，分别得到双边带相位调制信号和双边带幅度调制信号；分别以双边带相位调制信号和双边带幅度调制信号作为探测信号，使探测信号通过待测光器件后进行拍频，将待测光器件的光谱响应信息转换至电域，然后利用幅相提取方法提取待测光器件的传输函数；将待测光器件在两种探测信号下的传输函数分别进行相加和相减，得到待测光器件的宽带传输函数。本发明还公开了一种光器件光谱响应测量装置。本发明具有更大的测量范围，并且可工作在任意波长。

Description

一种光器件光谱响应测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及微波光子学测量技术领域，尤其涉及一种光器件光谱响应测量方法及测量装置。

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，如高精度光纤传感、长距离光纤通信等。然而，光器件的测量技术却停滞不前，不仅使得高精度光器件的研制举步维艰，而且导致现有的光器件无法发挥最大效用。例如：光纤光栅的最小带宽已低至9MHz，而现有的光器件测量技术的测量精度仍为百MHz量级，即使是目前世界上最先进的光矢量分析仪LunaOVA5000的测量精度也仅为200MHz，无法精确测得上述光纤光栅的幅频响应与相频响应特性。

为了实现高精度的光器件测量，1998年J.E.Roman提出了基于光单边带调制的光器件测量方法。该方法将光域的低分辨率波长扫描转换为微波域的高精度频率扫描，实现了超高分辨率的光器件测量。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"Spectralcharacterizationoffibergratingswithhighresolution"(J.E.Román,M.Y.Frankel,andR.D.Esman,“Spectralcharacterizationoffibergratingswithhighresolution,”Opt.Lett.,vol.23,no.12,pp.939–941,1998.)中，以及薛敏等人在“Accuracyimprovementofopticalvectornetworkanalyzerbasedonsingle-sidebandmodulation”(M.Xue,S.L.Pan,andY.J.Zhao,"Accuracyimprovementofopticalvectornetworkanalyzerbasedonsingle-sidebandmodulation,"OpticsLetters,vol.39,no.12,pp.3595-3598,Jun.2014.)提到的光单边带扫频方法等。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。由于基于单边带调制的光器件测量方法仅采用一个边带进行测量，因而带宽有限、测量效率低。此外，该测量系统必要的宽带、高边带抑制比的光单边带调制器结构复杂、造价较高。

为了克服上述光器件测量方法的不足，潘时龙课题组在一篇中国发明专利CN104101484A中提出了一种“基于双边带调制的光器件测量方法及测量装置”，该技术的思路是在经过待测器件的光双边带调制信号中添加与原始光载波相干且存在微小频率差的光载波，这样在光电探测器拍频后，±1阶边带对应的微波分量具有不同的频率，从而可同时提取±1阶边带上的幅度响应信息。相比现有基于单边带的光器件测量技术，该方法在降低系统复杂度和成本的同时，大幅提高了测量范围和测量效率。然而，该方法需要对光载波进行单独的移频而后进行合束，因而载波相位极易受到外界环境扰动，无法准确测得待测光器件的相位响应。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种光器件光谱响应测量方法及测量装置，利用双边带调制实现光器件测量，不仅可降低系统复杂度和测量成本，而且可大幅提高测量范围和测量效率，同时可获得待测光器件更准确的幅度响应和相位响应；此外，该测量装置可以工作在任意波长。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种光器件光谱响应测量方法，利用双边带相位调制方法和双边带幅度调制方法将微波扫频信号分别调制于光载波上，分别得到双边带相位调制信号和双边带幅度调制信号；分别以双边带相位调制信号和双边带幅度调制信号作为探测信号，使探测信号通过待测光器件后进行拍频，将待测光器件的光谱响应信息转换至电域，然后利用幅相提取方法提取反映待测光器件的光谱响应信息的传输函数；将待测光器件在两种探测信号下的传输函数分别进行相加和相减，得到待测光器件位于光载波两侧微波扫频信号频率范围内的宽带传输函数。

根据相同的发明思路还可以得到一种光器件光谱响应测量装置，其包括：探测信号生成单元以及依次连接的光电探测器、幅相提取模块、控制及数据处理模块；所述探测信号生成单元可利用双边带相位调制方法和双边带幅度调制方法将微波扫频信号分别调制于光载波上，分别得到双边带相位调制信号和双边带幅度调制信号这两种探测信号，并将探测信号输入待测光器件；所述光电探测器用于对通过待测光器件后的探测信号进行拍频，将待测光器件的光谱响应信息转换至电域；所述幅相提取模块用于利用幅相提取方法提取反映待测光器件的光谱响应信息的传输函数；所述控制及数据处理模块用于将幅相提取模块所提取的待测光器件在两种探测信号下的传输函数分别进行相加和相减，得到待测光器件位于光载波两侧微波扫频信号频率范围内的宽带传输函数。

优选地，所述探测信号生成单元包括：光源、光开关、微波源、相位调制器、幅度调制器、光合束器；光源与光开关的输入端连接，光开关的两个输出端分别与相位调制器和幅度调制器的光信号输入端连接，相位调制器和幅度调制器的微波信号输入端与微波源的微波信号输出端分别连接，微波源的扫频控制端与所述控制及数据处理模块连接，相位调制器和幅度调制器的调制信号输出端与光合束器的两个输入端分别连接。相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、测量系统结构简单，操作方便。

2、测量系统是对波长透明的(即可工作在任意波长)。

3、可准确测得待测光器件的传输函数(即幅度响应和相位响应)。

4、极高的测量分辨率：受益于成熟的电频谱分析技术，微波源的扫频间隔低至几Hz，从而使得本发明可实现超高分辨率的光器件测量。

附图说明

图1为本发明测量装置的一个优选实施例的结构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是结合光双边带调制技术和微波信号幅相提取技术来实现光器件的光谱响应的测量。具体而言，利用双边带相位调制方法和双边带幅度调制方法将微波扫频信号分别调制于光载波上，分别得到双边带相位调制信号和双边带幅度调制信号；分别以双边带相位调制信号和双边带幅度调制信号作为探测信号，使探测信号通过待测光器件后进行拍频，将待测光器件的光谱响应信息转换至电域，然后利用幅相提取方法提取反映待测光器件的光谱响应信息的传输函数；将待测光器件在两种探测信号下的传输函数分别进行相加和相减，得到待测光器件位于光载波两侧微波扫频信号频率范围内的宽带传输函数。

图1显示了本发明测量装置的一个优选实施例的基本结构。如图所示，该测量装置包括：光源、微波源、光开关、相位调制器、幅度调制器、光合束器、光电探测器、幅相提取模块、控制及数据处理模块；光源与光开关的输入端连接，光开关的两个输出端分别与相位调制器和幅度调制器的光信号输入端连接，相位调制器和幅度调制器的微波信号输入端与微波源的微波信号输出端分别连接，微波源的扫频控制端与所述控制及数据处理模块连接，相位调制器和幅度调制器的调制信号输出端与光合束器的两个输入端分别连接；光合束器的输出端依次连接光电探测器、幅相提取模块、控制及数据处理模块。

如图所示，光源输出的单波长光载波可经由光开关输入相位调制器或者幅度调制器；相位调制器或者幅度调制器将微波源输出的微波信号调制于光载波，生成双边带相位调制信号或双边带幅度调制信号；待测光器件改变通过其的双边带相位调制信号或双边带幅度调制信号的幅度和相位；光电探测器接收携带了待测光器件光谱响应信息的光信号，将待测光器件的光谱响应信息转移至微波信号中；幅相接收模块提取微波信号中反映待测光器件的光谱矢量响应信息的传输函数；控制及数据处理单元控制微波源进行扫频，记录幅相提取模块得到的幅度和相位信息，并将两种探测信号测得的传输函数分别进行相加和相减，得到待测光器件位于光载波两侧微波扫频信号频率范围内的宽带传输函数。

上述装置可在完成双边带相位调制信号在整个微波扫频范围的光谱响应信息测量后，控制光开关进行切换，再进行双边带幅度调制信号在整个微波扫频范围的光谱响应信息测量，这样仅需两次微波扫频和一次光开关切换即可完成全部测量；也可以控制光开关在微波扫频范围的每个频率点上切换一次，从而一次得到光载波两侧的两个对称频率点上的光谱响应信息，这样需要一次微波扫频和若干次光开关切换。考虑到光开关切换速度远低于微波扫频，从测量效率角度考虑本发明优选采用第一种方案。

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：

光源输出的光载波为E₀(t)＝A₀exp(iω_ct)

相位调制信号为：

$\begin{array}{c}{E}_{PM}\left(t\right)=A_1\exp \[i({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_e)t+i\frac{\mathrm{\π}}{2}\]+A_0\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{c}t\right)\\ +A_1\exp \[i({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_e)t+i\frac{\mathrm{\π}}{2}\]\end{array}---\left(0.1\right)$

幅度调制信号为：

$\begin{array}{c}{E}_{AM}\left(t\right)=B_1\exp \[i({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_e)t-i\frac{\mathrm{\π}}{2}\]+B_0\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{c}t\right)\\ +B_1\exp \[i({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_e)t+i\frac{\mathrm{\π}}{2}\]\end{array}---\left(0.2\right)$

其中，ω_c和ω_e分别为光载波和微波信号的角频率；A₀和A₁分别为相位调制信号载波与边带的幅度；B₀和B₁分别为幅度调制信号载波与边带的幅度。

经过待测光器件传输后，相位调制信号和幅度调制信号的表达式分别为：

$\begin{array}{c}{E}_{PM}^{out}\left(t\right)=A_{1}H({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_e)\exp \[i({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_e)t+i\frac{\mathrm{\π}}{2}\]+A_{0}H\left({\mathrm{\ω}}_c\right)\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{c}t\right)\\ +A_{1}H({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_e)\exp \[i({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_e)t+i\frac{\mathrm{\π}}{2}\]\end{array}---\left(0.3\right)$

$\begin{array}{c}{E}_{AM}\left(t\right)=B_{1}H({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_e)\exp \[i({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_e)t-i\frac{\mathrm{\π}}{2}\]+H\left({\mathrm{\ω}}_c\right)B_0\exp \left({\mathrm{i\ω}}_{c}t\right)\\ +B_{1}H({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_e)\exp \[i({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_e)t+i\frac{\mathrm{\π}}{2}\]\end{array}---\left(0.4\right)$

其中，H(ω)为待测光器件的传输函数。

经光电探测器拍频后得到的光电流分别为：

$\begin{array}{c}{i}_{PM}\left(t\right)={\mathrm{\ηA}}_0{A}_{1}H({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_e)H^{*}\left({\mathrm{\ω}}_c\right)\exp ({\mathrm{i\ω}}_{e}t+i\frac{\mathrm{\π}}{2})\\ +{\mathrm{\ηA}}_0{A}_{1}H\left({\mathrm{\ω}}_c\right)H^{*}({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_e)\exp ({\mathrm{i\ω}}_{e}t-i\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}---\left(0.5\right)$

$\begin{array}{c}{i}_{AM}\left(t\right)={\mathrm{\ηB}}_0{B}_{1}H({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_e)H^{*}\left({\mathrm{\ω}}_c\right)\exp ({\mathrm{i\ω}}_{e}t+i\frac{\mathrm{\π}}{2})\\ +{\mathrm{\ηB}}_0{B}_{1}H\left({\mathrm{\ω}}_c\right)H^{*}({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_e)\exp ({\mathrm{i\ω}}_{e}t+i\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}---\left(0.6\right)$

其中，η为光电探测器的相应系数，上标“*”表示取共轭，式(1.5)和式(1.6)的频域表达式为：

$\begin{array}{c}{i}_{PM}\left({\mathrm{\ω}}_e\right)={\mathrm{\ηA}}_0{A}_{1}H({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_e)H^{*}\left({\mathrm{\ω}}_c\right)\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\\ -{\mathrm{\ηA}}_0{A}_{1}H\left({\mathrm{\ω}}_c\right)H^{*}({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_e)\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\end{array}---\left(0.7\right)$

$\begin{array}{c}{i}_{AM}\left({\mathrm{\ω}}_e\right)={\mathrm{\ηB}}_0{B}_{1}H({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_e)H^{*}\left({\mathrm{\ω}}_c\right)\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\\ +{\mathrm{\ηB}}_0{B}_{1}H\left({\mathrm{\ω}}_c\right)H^{*}({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_e)\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\end{array}---\left(0.8\right)$

射频信号i_PM与i_AM可由幅相提取模块得到。根据式(1.7)和(1.8)可得：

$H({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_e)=\[\frac{i_{AM}\left({\mathrm{\ω}}_e\right)}{2{\mathrm{\ηB}}_0{B}_1}+\frac{i_{PM}\left({\mathrm{\ω}}_e\right)}{2{\mathrm{\ηA}}_0{A}_1}\]/H^{*}\left({\mathrm{\ω}}_c\right)---\left(0.9\right)$

$H({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_e)=\[\frac{i_{AM}^{*}\left({\mathrm{\ω}}_e\right)}{2{\mathrm{\ηB}}_0{B}_1}-\frac{i_{PM}^{*}\left({\mathrm{\ω}}_e\right)}{2{\mathrm{\ηA}}_0{A}_1}\]/H^{*}\left({\mathrm{\ω}}_c\right)---\left(0.10\right)$

假设微波源的扫频范围为[ω_emin，ω_emax]，则根据式(1.9)与(1.10)即可得到待测光器件的在[ω_c+ω_emin，ω_c+ω_emax]以及[ω_c-ω_emax，ω_c-ω_emin]范围内的传输函数，此外还可通过调整光载波的频率ω_c进一步扩大测量范围。

Claims (3)

1.一种光器件光谱响应测量方法，其特征在于，利用双边带相位调制方法和双边带幅度调制方法将微波扫频信号分别调制于光载波上，分别得到双边带相位调制信号和双边带幅度调制信号；分别以双边带相位调制信号和双边带幅度调制信号作为探测信号，使探测信号通过待测光器件后进行拍频，将待测光器件的光谱响应信息转换至电域，然后利用幅相提取方法提取反映待测光器件的光谱响应信息的传输函数；将待测光器件在两种探测信号下的传输函数分别进行相加和相减，得到待测光器件位于光载波两侧微波扫频信号频率范围内的宽带传输函数。

2.一种光器件光谱响应测量装置，其特征在于，其包括：探测信号生成单元以及依次连接的光电探测器、幅相提取模块、控制及数据处理模块；所述探测信号生成单元可利用双边带相位调制方法和双边带幅度调制方法将微波扫频信号分别调制于光载波上，分别得到双边带相位调制信号和双边带幅度调制信号这两种探测信号，并将探测信号输入待测光器件；所述光电探测器用于对通过待测光器件后的探测信号进行拍频，将待测光器件的光谱响应信息转换至电域；所述幅相提取模块用于利用幅相提取方法提取反映待测光器件的光谱响应信息的传输函数；所述控制及数据处理模块用于将幅相提取模块所提取的待测光器件在两种探测信号下的传输函数分别进行相加和相减，得到待测光器件位于光载波两侧微波扫频信号频率范围内的宽带传输函数。

3.如权利要求2所述光器件光谱响应测量装置，其特征在于，所述探测信号生成单元包括：光源、光开关、微波源、相位调制器、幅度调制器、光合束器；光源与光开关的输入端连接，光开关的两个输出端分别与相位调制器和幅度调制器的光信号输入端连接，相位调制器和幅度调制器的微波信号输入端与微波源的微波信号输出端分别连接，微波源的扫频控制端与所述控制及数据处理模块连接，相位调制器和幅度调制器的调制信号输出端与光合束器的两个输入端分别连接。