CN107132027A - 光器件宽带频率响应值的测量方法及装置 - Google Patents

光器件宽带频率响应值的测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种光器件宽带频率响应值的测量方法及装置，包括以下步骤：放置待测光器件；光信号经载波相位可调的双边带调制单元转换为双边带光信号；双边带光信号经光电探测器后转换为电信号，微波幅度相位探测器探测电信号得到第一幅相响应信息；调节载波相位可调的双边带调制单元，改变载波相位，重复上述步骤，得到第二幅相响应信息；矢量分析计算单元根据事先测量的参考、第一和第二幅相响应信息得到光器件的宽带频率响应值。本发明利用双边带调制的光信号探测光器件矢量频率响应，可成倍的拓宽测量范围；双边带信号的产生降低了系统复杂度，同时消除了低频盲区及消光比有限带来的误差。

Description

光器件宽带频率响应值的测量方法及装置
技术领域
本发明属于光器件测量方法及装置领域，更具体地涉及一种光器件宽带频率响应值的测量方法及装置。
背景技术
随着激光技术与光通信技术的飞速发展，光子系统中光无源器件的应用向高精度发展，同时，对光器件测量精度要求也水涨船高。例如，光纤布拉格光栅(FBG)的最小带宽已低至10MHz，而传统的测量方法主要采用相移方法或干涉方法，这些方法都依赖于可调谐激光器进行扫频测量，测量精度在百MHz量级，精确度低且稳定度较差，已无法满足实际应用需求。
为提高光器件的测量精确度，目前有基于单边带扫描的光矢量分析方法，即将光矢量分析仪的扫频操作由传统的光域搬到了电域，使得光器件的测量精度有了质的提升。自此，众多研究者基于单边带扫描的光矢量分析方法，提出了一系列改进方法。但单边带扫频方法存在一系列明显不足。其一，产生单边带信号通常使用滤波器或90°移相的方法，前者由于滤波器消光比与带宽的限制，单边带信号误差较大，且测量范围低频区为盲区；后者由于移相器件带宽有限因此极大地限制了测量范围；其二：产生单边带信号构成的系统均很复杂，且基于单边带扫频的方法对带通器件的测量系统更加复杂；其三，单边带扫描的方法测量带宽无法高出微波源、光电探测器等一系列仪器的带宽。
针对单边带测量系列不足，双边带测量方法应运而生，主要有非平衡双边带测量方法和载波移频的双边带测量方法。非平衡双边带测量拓展了测量系统的带宽，但使用滤波器带来的系列问题依然存在；载波移频的双边带测量，系统设计进一步复杂化，并未提升其单次测量的范围。
发明内容
基于上述问题，本发明的目的在于提出一种光器件宽带频率响应值的测量方法及其装置，用于解决以上技术问题中的至少之一。
为了达到上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出一种光器件宽带频率响应值的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、放置待测光器件于载波相位可调的双边带调制单元和光电探测器之间；
步骤2、将一光信号经由一载波相位可调的双边带调制单元，转换为双边带光信号；
步骤3、双边带光信号经由待测光器件和光电探测器后转换为电信号，电信号由一微波幅度相位探测器探测得到第一幅相响应信息；
步骤4、调节载波相位可调的双边带调制单元，改变载波相位，重复步骤2～3，得到第二幅相响应信息；
步骤5、矢量分析计算单元根据事先测量的一参考幅相响应信息、第一幅相响应信息和第二幅相响应信息，得到光器件的宽带频率响应值。
进一步地，上述载波相位可调的双边带调制单元通过扫频微波源扫频输入，得到所述待测光器件的宽带频率响应。
进一步地，上述第一幅相响应信息和第二幅相响应信息为±1阶边带处响应值的线性叠加。
进一步地，上述参考幅相响应信息为不放置待测光器件时，通过步骤2和步骤3探测得到。
为了达到上述目的，作为本发明的另一个方面，本发明提出一种光器件宽带频率响应值的测量装置，包括：
光信号产生模块，用于产生双边带光信号；
光电探测器，用于分别探测未经待测光器件和经过待测光器件的第一和第二双边带光信号，并将探测得到的第一和第二双边带光信号转换为第一和第二电信号；
测量模块，用于根据第一电信号得到参考幅相响应信息，根据第二电信号得到实际幅相响应信息；并根据参考幅相响应信息和实际幅相响应信息得到光器件的宽带频率响应值。
进一步地，上述光信号产生模块包括一可调激光器和一载波相位可调的双边带调制单元，其中：
可调激光器，用于发射光信号；
载波相位可调的双边带调制单元，用于将光信号转换为双边带光信号。
进一步地，上述测量装置还包括一扫频微波源，用于发射调制信号至所述载波相位可调的双边带调制单元进行调制，还用于扫频输入得到待测光器件的宽带频率响应。
进一步地，上述实际幅相响应信息包括不同载波相位下得到的第一幅相响应信息和第二幅相响应信息；通过调节载波相位可调的双边带调制单元得到载波相位不同的第三双边带光信号和第四双边带光信号，两种光信号分别经由待测光器件、光电探测器和测量模块得到第一幅相响应信息和第二幅相响应信息。
进一步地，上述待测光器件位于载波相位可调的双边带调制单元和光电探测器之间。
进一步地，上述载波相位可调的双边带调制单元包括载波抑制双边带调制器和光载波调相单元，或光强度调制器和光相位调制器。
进一步地，上述测量模块包括一微波幅度相位探测器和一矢量分析计算单元，其中：
微波幅度相位探测器，用于探测电信号得到参考幅相响应信息或实际幅相响应信息，并将参考幅相响应信息或实际幅相响应信息传输至矢量分析计算单元；
矢量分析计算单元，用于根据参考幅相响应信息和实际幅相响应信息，得到待测光器件的宽带频率响应值。
本发明提出的光器件宽带频率响应值的测量方法及装置，具有以下有益效果：
1、本发明利用双边带调制的光信号探测光器件的矢量频率响应，相比单边带扫频方法，可成倍的拓宽测量范围；
2、本发明在消除高阶边带引入误差的基础上，双边带信号的产生大大降低了系统复杂度，同时由于采用载波相位可调的双边带调制模块，相较于单边带测量方法，消除了用滤波器时带来的低频盲区，以及消光比有限带来的误差；
3、本发明相较于单边带测量方法，可以用于处理任意通带类型的器件；
4、本发明相较于现有测量方法，数据处理简单易行，系统可大大地简化。
附图说明
图1是本发明提出的光器件宽带频率响应值测量方法的流程图；
图2是本发明提出的光器件宽带频率响应值测量装置的结构示意图；
图3是本发明一实施例提出的光器件宽带频率响应值测量装置的实例图；
图4是本发明一实施例提出的宽带频率响应值测量装置在工作时，各节点的信号频谱图；
图5是本发明另一实施例提出的宽带频率响应值测量装置的实例图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种光器件宽带频率响应值的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、放置待测光器件于载波相位可调的双边带调制单元和光电探测器之间；
步骤2、将一光信号经由一载波相位可调的双边带调制单元，转换为双边带光信号；
步骤3、双边带光信号经由待测光器件和光电探测器后转换为电信号，电信号由一微波幅度相位探测器探测得到第一幅相响应信息；
步骤4、调节载波相位可调的双边带调制单元，改变载波相位，重复步骤2～3，得到第二幅相响应信息；
步骤5、矢量分析计算单元根据事先测量的一参考幅相响应信息、第一幅相响应信息和第二幅相响应信息，得到光器件的宽带频率响应值。
优选地，上述载波相位可调的双边带调制单元通过一扫频微波源的调制信号进行调制，所述扫频微波源扫频输入得到所述待测光器件的宽带频率响应。其中，所述宽带频率相应是指一段频谱内各频率点处的幅相响应值。
上述参考幅相响应信息为不放置待测光器件时，通过步骤2和步骤3探测得到。
如图2所示，本发明还公开了一种光器件宽带频率响应值的测量装置，包括：
光信号产生模块，用于产生双边带光信号；
光电探测器，用于分别探测未经待测光器件和经过待测光器件的第一和第二双边带光信号，并将探测得到的第一和第二双边带光信号转换为第一和第二电信号；
测量模块，用于根据第一电信号得到参考幅相响应信息，根据第二电信号得到实际幅相响应信息；并根据参考幅相响应信息和实际幅相响应信息得到光器件的宽带频率响应值。
上述光信号产生模块包括一可调激光器和一载波相位可调的双边带调制单元，其中：
可调激光器，用于发射光信号；
载波相位可调的双边带调制单元，用于将光信号转换为双边带光信号。
优选地，上述测量装置还包括一扫频微波源，用于发射调制信号至所述载波相位可调的双边带调制单元进行调制，还用于扫频输入得到待测光器件的宽带频率响应。
优选地，上述实际幅相响应信息包括不同载波相位下得到的第一幅相响应信息和第二幅相响应信息；通过调节载波相位可调的双边带调制单元得到载波相位不同的第三双边带光信号和第四双边带光信号，第三双边带光信号和第四双边带光信号分别经由光电探测器和测量模块得到第一幅相响应信息和第二幅相响应信息。
上述待测光器件位于载波相位可调的双边带调制单元和光电探测器之间。
上述测量模块包括一微波幅度相位探测器和一矢量分析计算单元，其中：
微波幅度相位探测器，用于探测电信号得到参考幅相响应信息或实际幅相响应信息，并将参考幅相响应信息或实际幅相响应信息传输至矢量分析计算单元；
矢量分析计算单元，用于根据参考幅相响应信息和实际幅相响应信息，得到待测光器件的宽带频率响应值。
上述载波相位可调的双边带调制单元包括载波抑制双边带调制器和光载波调相单元，或光强度调制器和光相位调制器。
上述第一幅相响应信息和第二幅相响应信息为±1阶边带处响应值的线性叠加，具体的，为±1阶边带处对应频点的响应值的复矢量线性叠加。
本发明的具体思路为：第三和第四双边带光信号转换为第三和第四电信号，该对称的双边带第三光信号与相位可调的第四光信号合束形成的信号，经过待测光器件之后在光电探测器上拍频，所得的微波信号i(ωe)实际是±1阶边带处对应频点的响应H(ω0+ωe)与H(ω0-ωe)的复矢量线性叠加，然后改变第四光信号的载波相位可得到不同的线性叠加关系，通过联立求解即可同时提取出±1阶边带处对应频点的幅度相位响应信息，扫频微波源扫频输入即可得到待测器件的宽带频率响应。
以下通过具体实施例对本发明提出的光器件宽带频率响应值的测量方法及装置进行详细描述。
实施例1
本实施例提出一种光器件宽带频率响应值的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、放置待测光器件于载波相位可调的双边带调制单元和光电探测器之间；
步骤2、将一光信号经由一载波相位可调的双边带调制单元，转换为双边带光信号；
步骤3、双边带光信号经由待测光器件和光电探测器后转换为电信号，电信号由一微波幅度相位探测器探测得到第一幅相响应信息；
步骤4、调节载波相位可调的双边带调制单元，改变载波相位，重复步骤2～3，得到第二幅相响应信息；
步骤5、矢量分析计算单元根据事先测量的一参考幅相响应信息、第一幅相响应信息和第二幅相响应信息，得到光器件的宽带频率响应值。
具体地，首先利用光双边带调制方法产生载波与边带相位差可调的双边带光信号；双边带光信号通过待测光器件，然后在光电探测器中拍频产生的射频信号将携有+1阶边带与-1阶边带处的幅相信息；改变载波与边带相位差，进行一次相同步骤的测量，两次测量的数据通过数学处理，可同时得到待测器件+1阶边带与-1阶边带处的幅相响应值；扫描所述射频信号的频率，即实现待测光器件的宽带频率响应。
在求解得到幅相响应值时需要一参考幅相响应值，该参考幅相响应值由不放置待测光器件时，采用上述测量方法同样步骤测量得到。
如图3所示，本实施例还提出了一种光器件宽带频率响应值的测量装置，其组成包括：载波相位可调的双边带光信号产生单元、扫频微波源、待测光器件、光电探测器、微波幅度相位探测器、矢量分析计算单元。载波相位可调的双边带光信号产生单元输出双边带信号，通过待测器件捕获其幅度相位响应信息，在光电探测器中拍频产生的微波信号同时带有待测器件+1阶边带与-1阶边带处的幅相响应信息；通过扫频微波源调节载波相位可调的双边带光信号产生单元，改变光载波相位，进行再一次测量，由微波幅度相位探测器探测得到两次测量的实际幅相响应信息，将两次测量得到的实际微波信号幅相的复矢量导入矢量分析计算单元处理，根据参考幅相响应值，即可同时得到ω0+ωm与ω0-ωm处的幅相响应值；利用扫频微波源扫频输出可得到待测光器件的宽带矢量频率响应。其中，载波相位可调的双边带光信号产生单元由直流电源与双平衡马赫-增德尔调制器(DPMZM)构成。
下面根据该实施例，阐述上述测量装置的原理，以便公众理解本发明的技术方案。
第一光信号经载波抑制双边带调制后，其光场为
其中为输入的第一光信号的光场，ω0、ωe分别为光载波与微波角频率，β为调制系数其中，Ve为微波调制信号的幅度；Vπ为调制器半波电压。
公式(1)可写为：
其中J2k+1为奇数阶贝塞尔函数，ωm为微波频率。
第二光信号不加微波信号调制，经DPMZM主臂偏置电压调制相位，其输出光场为：
其中VDC3为DPMZM的主臂直流偏压；Vπ3为主臂半波电压。
DPMZM耦合输出的光信号经掺铒光纤放大器(EDFA)放大，图中A点光信号可表示为：
其中N为EDFA的功率放大系数。
光信号经过待测器件后，在E点其输出光场为
其中，H为对应频点的响应，光场EE(t)在光电探测器中产生拍频信号，分析其频谱可知，只有光载波与±1阶边带拍频产生频率为ωm的微波分量用复函数表示为：
其中C为一复常数，与EDFA放大系数、系统中各器件插入损耗、以及探测器的响应度有关，为通过测量得到的参考幅相响应信息得到。
该装置通过调整DPMZM直流偏置电压进行两次测量，两次测量中分别使边带与载波相差为根据式(6)则两次测量的微波信号表示为：
故
由于复常数C为通过校准测量得到的参考幅相响应信息得到，对给定的光载波H*(ω0)为复常数，于是上述对两组测量结果的数学处理，同时得到待测器件ω0-ωm与ω0+ωm处的幅度相位响应，扫频微波频率ωm即可实现对光待测器件频率响应的精确测量。
如图4所示，为图3所示装置在工作过程中各节点的频谱示意图，其中A为光源频谱，B为载波抑制的双边带信号，C为移相载波频谱，D为合束后链路中的光谱。
实施例2
本实施例如实施例1所述方法，本实施例公开了另一种光器件宽带频率响应值的测量方法和装置，其中其装置结构示意图如图5所示。该装置包括载波相位可调的双边带光信号产生单元、扫频微波源、待测光器件、光电探测器、微波幅度相位探测器和矢量分析计算单元。其中载波相位可调的双边带光信号产生单元由强度调制器与相位调制器两路并联，并由光开关控制二者之一接入链路。
将强度调制器接入链路，调制产生的一阶边带同相的双边带光信号在光电探测器拍频产生同相叠加的微波信号，其模型等价于(7)式中的情形；当相位调制器接入链路，调制产生的一阶边带反相的双边带光信号在光电探测器拍频产生反相叠加的微波信号，其模型等价于(7)式中的情形。该装置的测量原理与上一实施例相同，此处不再赘述。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光器件宽带频率响应值的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、放置待测光器件于载波相位可调的双边带调制单元和光电探测器之间；
步骤2、将一光信号经由一载波相位可调的双边带调制单元，转换为双边带光信号；
步骤3、所述双边带光信号经由待测光器件和光电探测器后转换为电信号，所述电信号由一微波幅度相位探测器探测得到第一幅相响应信息；
步骤4、调节所述载波相位可调的双边带调制单元，改变载波相位，重复步骤2～3，得到第二幅相响应信息；
步骤5、矢量分析计算单元根据事先测量的一参考幅相响应信息、第一幅相响应信息和第二幅相响应信息，得到所述光器件的宽带频率响应值。
2.如权利要求1所述的测量方法，其中，所述载波相位可调的双边带调制单元通过一扫频微波源的调制信号进行调制，所述扫频微波源扫频输入得到所述待测光器件的宽带频率响应。
3.如权利要求1所述的测量方法，其中，所述第一幅相响应信息和第二幅相响应信息为±1阶边带处响应值的线性叠加。
4.如权利要求1所述的测量方法，其中，所述参考幅相响应信息为不放置待测光器件时，通过所述步骤2和步骤3探测得到。
5.一种光器件宽带频率响应值的测量装置，包括：
光信号产生模块，用于产生双边带光信号；
光电探测器，用于分别探测未经过待测光器件和经过待测光器件的第一和第二双边带光信号，并将所述探测得到的第一和第二双边带光信号转换为第一和第二电信号；
测量模块，用于根据所述第一电信号得到参考幅相响应信息，根据所述第二电信号得到实际幅相响应信息；并根据所述参考幅相响应信息和实际幅相响应信息得到所述光器件的宽带频率响应值。
6.如权利要求5所述的光器件宽带频率响应值的测量装置，其中，所述光信号产生单元包括一可调激光器和一载波相位可调的双边带调制单元，其中：
可调激光器，用于发射光信号；
载波相位可调的双边带调制单元，用于将所述光信号转换为双边带光信号。
7.如权利要求6所述的光器件宽带频率响应值的测量装置，其中，所述测量装置还包括一扫频微波源，用于发射调制信号至所述载波相位可调的双边带调制单元进行调制，还用于扫频输入得到所述待测光器件的宽带频率响应。
8.如权利要求7所述的光器件宽带频率相应值的测量装置，其中，所述实际幅相响应信息包括不同载波相位下得到的第一幅相响应信息和第二幅相响应信息；通过调节所述载波相位可调的双边带调制单元得到载波相位不同的第三双边带光信号和第四双边带光信号，两种双边带光信号分别经由所述待测器件、光电探测器和测量模块得到所述第一幅相响应信息和第二幅相响应信息；所述待测光器件位于所述载波相位可调的双边带调制单元和所述光电探测器之间。
9.如权利要求6所述的光器件宽带频率响应值的测量装置，其中，所述载波相位可调的双边带调制单元包括载波抑制双边带调制器和光载波调相单元，或光强度调制器和光相位调制器。
10.如权利要求5所述的光器件宽带频率响应值的测量装置，其中，所述测量模块包括一微波幅度相位探测器和一矢量分析计算单元，其中：
微波幅度相位探测器，用于探测所述电信号得到参考幅相响应信息或实际幅相响应信息，并将所述参考幅相响应信息或实际幅相响应信息传输至所述矢量分析计算单元；
矢量分析计算单元，用于根据所述参考幅相响应信息和实际幅相响应信息，得到所述待测光器件的宽带频率响应值。
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