CN106768896A - 超高分辨率光矢量分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高分辨率的光器件光矢量分析方法及装置，本发明方法将单波长光探测信号分为两路，一路以固定的频移量进行移频操作，另一路直接通过光纤，然后对两路光进行耦合；光耦合器输出的两路光探测信号，一路直接进光探测模块，得到参考信号；另一路经过待测器件再输进光探测模块，得到测量信号；提取所述参考信号与测量信号的幅度相位信息，经信号处理得到待测光器件在光探测信号频率处的幅频响应与相频响应；改变单波长光探测信号的波长并重复上述过程，得到待测光器件的光谱矢量响应信息。本发明还公开了一种光器件光谱响应测量系统。本发明能够在实现光器件幅频响应和相频响应的高精度测量的同时，提高测量速度，大幅降低成本。

Description

超高分辨率光矢量分析方法及装置

技术领域

本发明涉及一种超高分辨率光矢量分析方法及装置，属于光学测量技术领域。

背景技术

随着光子技术的快速发展和不断完善，高精度光器件的研制、已有高精度光器件(如微环、微球等高Q值微谐振器等)在光子系统中的应用，亟需高精细的光器件光谱响应测试技术。然而，现有的光器件光谱响应技术难以对上述高精度光谱响应进行多维度、高精细的表征。现唯一商用的光器件多维光谱响应测量仪表为美国LUNA公司推出的OVA5000，该测试仪表可测量光器件的多维光谱响应(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)，难以满足受激布里渊增益谱的测试需求。此外，科研机构广泛采用基于DFB激光器扫频技术和光功率探测技术进行光器件光谱响应的测量，该测量技术受益于DFB激光器高精细的波长扫描技术实现高精细的测量。但该测试技术只能检测光功率的变化，获取幅频响应信息，无法获得相频响应等其他维度的关键信息。若用于高精度光器件光谱响应的测量，无法测得相频响应，使得高精度光器件无法用于光时延、光移相、光子信号处理等。

为了实现高精度光器件光谱响应的高精细、多维度测量，1998年J.E.Roman提出了基于光单边带调制的光矢量分析方法。这种方法的本质是将光域的扫频操作转换到电域进行，受益于成熟的电频谱分析技术，其测试精细度有了质的飞跃。然而，上述方法需要采用宽带的微波幅相接收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、测量带宽窄(受电光调制器的带宽限制，小于40GHz)、测量动态范围不高等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超高分辨率的光器件光矢量分析方法及装置，克服现有光器件光谱响应测量技术的不足，能够在实现光器件幅频响应和相频响应的高精度测量的同时，提高测量速度，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，本发明提供一种超高分辨率的光器件光矢量分析方法，该方法的具体步骤如下：

首先，将光源模块输出的单波长光探测信号分为两路，一路以固定的频移量进行移频后输入光耦合器与另一路进行耦合，光耦合器输出两路双波长光探测信号；

其次，两路双波长光探测信号分别输入第一、第二光探测模块进行拍频处理，其中包括以下两种情况：

1)在光耦合器与第二光探测模块之间不级联待测光器件的条件下，两路双波长光探测信号分别输入第一、第二光探测模块进行拍频处理；幅相提取模块以单波长光探测信号的波长为参考，分别提取第一、第二光探测模块输出信号的幅度相位信息，对提取到的幅度相位信息进行处理后得到第一矢量响应函数；其中，幅相提取模块的工作频率与所述频移量相同；

2)在光耦合器与第二光探测模块之间级联待测光器件的条件下，两路双波长光探测信号中的一路输入第一光探测模块进行拍频处理，得到频率与所述频移量相同的射频信号，作为参考信号；另一路通过待测光器件后，再输入第二光探测模块进行拍频处理，得到携带待测光器件在双波长光探测信号频率处的光谱响应信息的射频信号，作为测量信号；幅相提取模块以单波长光探测信号的波长为参考，分别提取参考信号和测量信号的幅度相位信息，对提取到的幅度相位信息进行处理后得到第二矢量响应函数；

最后，将第二矢量响应函数除以第一矢量响应函数，得到待测光器件的光谱矢量响应信息。

作为本发明的进一步优化方案，通过移频模块对一路单波长光探测信号进行移频。

作为本发明的进一步优化方案，所述移频模块为声光调制器。

另一方面，本发明还提供一种超高分辨率的光器件光矢量分析装置，包括光源模块、光分束器、移频模块、光耦合器、第一光探测模块、第二光探测模块、幅相提取模块和控制及数据处理模块，其中：

光源模块，用于输出单波长光探测信号；

光分束器，用于将光源模块输出的单波长光探测信号分为两路；

移频模块，用于对光分束器输出的其中一路光探测信号以固定的频移量进行移频处理；

光耦合器，用于将经移频模块移频后的光探测信号与光分束器输出的另一路光探测信号进行耦合，产生两路双波长光探测信号；

第一光探测模块，用于双波长光探测信号进行拍频处理，输出频率与所述移频模块的频移量相同的参考信号；

第二光探测模块，用于对经过待测光器件的双波长光探测信号进行拍频处理，输出携带待测光器件在双波长光探测信号频率处的光谱响应信息的测量信号；

幅相提取模块，用于分别提取第一、第二光探测模块输出信号的幅度相位信息，其工作频率与所述移频模块的频移量相同；

控制及数据处理模块，用于控制光源模块进行频谱扫描，接收幅相提取模块输出的幅度相位信息并进行处理，输出待测光器件的光谱矢量响应信息。

作为本发明的进一步优化方案，所述移频模块为声光调制器。

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：本发明结合光波长移频技术和射频信号幅相提取技术，实现了光器件光谱响应的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光谱相应的高精细测量。此外，本发明具有结构简单、制造成本低等优点。

附图说明

图1是本发明光器件光谱响应测量系统的结构示意图。

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：

本发明的思路是结合光子移频技术和射频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，首先将单波长扫频光信号分为两路，一路进行光移频然后与另一路耦合，产生两路双波长光探测信号；其中一路直接拍频得到参考信号，另一路经待测光器件传输，而后进行拍频，将光器件的光谱响应信息转换至电域；再采用射频幅相提取技术提取光器件的光谱响应信息，从而实现光器件的光谱响应测量。

图1显示了本发明光器件光谱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、光分束器、移频模块、光耦合器、待测光器件、光探测模块1、光探测模块2、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探测信号；光分束器将光源模块输出的光探测信号分成两路；移频模块对光分束器输出的一路光探测信号进行移频，其中，移频量根据实际需求确定，再根据需要的移频量选取移频模块；光耦合器将移频后的光信号与光分束器输出的另一路光信号进行耦合，产生两路双波长光探测信号；一路直接传输进光探测模块1，得到频率与移频量相同的射频信号；待测光器件改变另一路双波长光探测信号的幅度和相位，然后传输进光探测模块2，将待测光器件的光谱响应信息转移至射频信号中；工作频率与移频模块的频移量相同的幅相提取模块提取两个光探测模块所输出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的输出信息并处理，得到待测光器件的光谱矢量响应信息。

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-曾德尔调制器的载波抑制的单边带调制技术，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声光调制器来实现光波的移频。

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，在两测试端口(即待测光器件两端的光耦合器、光探测模块2的连接端口)间不级联待测光器件的条件下，光源模块输出扫频光探测信号，测得测量装置的响应函数；然后，级联待测光器件，光源模块输出扫频光探测信号，测得待测光器件和测量系统的联合响应；最后，控制及数据处理模块将测得的联合响应函数除以测得的系统响应函数，从而测得待测光器件的响应函数。

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：

光源输出的光载波为E_o(t)＝E_oexp(iω_ot)，其中E_o和ω_o分别是光载波的幅度与角频率。上述光探测信号由光分束器分成两路，其表达式如下：

其中，E_s和E_p分别为移频信号和载波信号的幅度；为两路光信号的相位差。

移频信号经移频模块移频与载波信号经光耦合器耦合之后，可表示为

其中，E_r1和E_r2分别为参考路两不同波长的光探测信号的幅度；E_d1和E_d2分别为测量路两不同波长的光探测信号的幅度；为参考路两不同波长的光探测信号之间的相位差，分别为测量路两不同波长的光探测信号之间的相位差；ω_IF为移频模块对光信号的移频量。

参考路光探测信号不经过待测光器件，测量路光探测信号经过待测光器件传输后，可表示为：

其中，H(ω_o)＝H_sys(ω_o)H_ODUT(ω_o)，H(ω_o+ω_IF)＝H_sys(ω_o+ω_IF)H_ODUT(ω_o+ω_IF)，H_sys(ω_o)与H_sys(ω_o+ω_IF)为测量系统的光谱响应，H_ODUT(ω_o)与H(ω_o+ω_IF)为待测光器件的光谱响应。

光探测模块1对参考路信号进行拍频，光探测模块2对测量路信号进行拍频，我们可得到：

其中，η_r是参考路PD的响应系数，η_d是测量路PD的响应系数。

幅相提取模块提取的是测量路射频信号与参考路射频信号的比值，可表示为：

由于ω_IF相对于ω_o非常小，且起始扫频处往往选择位于待测光器件光谱响应较为平坦处，故可将H(ω_o+ω_IF)近似等于H(ω_o)，则幅相提取模块的提取结果可表示为：

控制光源模块依次改变输出光波长，且每次的改变量与移频模块的移频量相同，则幅相提取模块每次得到的结果可表示为：

携带待测光器件光谱响应信息的传输函数可表示为：

为了消除系统传输函数的影响，需要采用校准方法。如将两测试端口直接相连，即H_ODUT(ω)＝1，即可得到如下的系统传输函数

因此，待测器件的传输函数即可得到

射频信号(亦即，i_dr(ω)和i_sys(ω))的幅度和相位可由幅相接收模块探测得到，因此根据式(10)即可得到待测光器件的光谱响应。

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200kHz的连续扫频激光器。光移频模块为Gooch&Housego公司推出的型号为T-M080-0.4C2J-3-F2S的声光调制器，其频移量为80MHz，因此光探测模块输出的射频信号为80MHz。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80MHz的射频信号幅相提取模块。

具体而言，使用本发明测量装置进行光纤光栅测量时，按照以下步骤：

(1)系统响应测量步骤：将两测试端口直接相连，即不级联光纤光栅，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：在两测试端口间级联光纤光栅，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)

1.一种光器件光矢量分析方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：

首先，将光源模块输出的单波长光探测信号分为两路，一路以固定的频移量进行移频后输入光耦合器与另一路进行耦合，光耦合器输出两路双波长光探测信号；

其次，两路双波长光探测信号分别输入第一、第二光探测模块进行拍频处理，其中包括以下两种情况：

1)在光耦合器与第二光探测模块之间不级联待测光器件的条件下，两路双波长光探测信号分别输入第一、第二光探测模块进行拍频处理；幅相提取模块以单波长光探测信号的波长为参考，分别提取第一、第二光探测模块输出信号的幅度相位信息，对提取到的幅度相位信息进行处理后得到第一矢量响应函数；其中，幅相提取模块的工作频率与所述频移量相同；

2)在光耦合器与第二光探测模块之间级联待测光器件的条件下，两路双波长光探测信号中的一路输入第一光探测模块进行拍频处理，得到频率与所述频移量相同的射频信号，作为参考信号；另一路通过待测光器件后，再输入第二光探测模块进行拍频处理，得到携带待测光器件在双波长光探测信号频率处的光谱响应信息的射频信号，作为测量信号；幅相提取模块以单波长光探测信号的波长为参考，分别提取参考信号和测量信号的幅度相位信息，对提取到的幅度相位信息进行处理后得到第二矢量响应函数；

最后，将第二矢量响应函数除以第一矢量响应函数，得到待测光器件的光谱矢量响应信息。

2.根据权利要求1所述的一种光器件光矢量分析方法，其特征在于，通过移频模块对一路单波长光探测信号进行移频。

3.根据权利要求1所述的一种光器件光矢量分析方法，其特征在于，所述移频模块为声光调制器。

4.一种光器件光矢量分析装置，其特征在于，包括光源模块、光分束器、移频模块、光耦合器、第一光探测模块、第二光探测模块、幅相提取模块和控制及数据处理模块，其中：

光源模块，用于输出单波长光探测信号；

光分束器，用于将光源模块输出的单波长光探测信号分为两路；

移频模块，用于对光分束器输出的其中一路光探测信号以固定的频移量进行移频处理；

光耦合器，用于将经移频模块移频后的光探测信号与光分束器输出的另一路光探测信号进行耦合，产生两路双波长光探测信号；

第一光探测模块，用于双波长光探测信号进行拍频处理，输出频率与所述移频模块的频移量相同的参考信号；

第二光探测模块，用于对经过待测光器件的双波长光探测信号进行拍频处理，输出携带待测光器件在双波长光探测信号频率处的光谱响应信息的测量信号；

幅相提取模块，用于分别提取第一、第二光探测模块输出信号的幅度相位信息，其工作频率与所述移频模块的频移量相同；

控制及数据处理模块，用于控制光源模块进行频谱扫描，接收幅相提取模块输出的幅度相位信息并进行处理，输出待测光器件的光谱矢量响应信息。

5.根据权利要求4所述的一种光器件光矢量分析装置，其特征在于，所述移频模块为声光调制器。