CN107634807B - 基于啁啾强度调制的光矢量分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于啁啾强度调制的光矢量分析方法。本发明以啁啾强度调制光双边带信号作为探测光通过待测光器件，并通过光电探测将光信号转换为电信号；通过改变其中双边带信号与光载波之间的相位差来获得不同啁啾强度调制状态的探测光信号，然后利用不同啁啾强度调制状态的探测光信号所得到的电信号的幅相信息与探测光信号之间的关系建立方程组，求解得到待测光器件的幅相响应。本发明还公开了一种基于啁啾强度调制的光矢量分析装置。本发明能够在实现光器件幅相响应高精度测量的同时，避免复杂且相对窄带的单边带调制或载波频移，拓展测量范围一倍，消除残余边带导致的测量误差，消除系统内存在的滤波机制，大幅度降低系统的成本与复杂度。

Description

基于啁啾强度调制的光矢量分析方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光矢量分析方法，尤其涉及一种基于啁啾强度调制的光矢量分析方法及装置。

背景技术

光谱响应是揭示光学材料、器件和系统特征、功能及潜在应用的重要参数，其精确测量是光电子学、光学、材料科学、计量学、生命科学、天文学等众多学科的基础问题。当前，光器件光谱响应测量技术仍处于初级阶段，亦即以低分辨率标量测量技术为主，极个别低分辨率光矢量分析技术为辅。然而，高精细光器件和核心光子集成芯片的研制、检测和应用，光子技术的快速发展，前沿学科的不断创新等，均要求对光器件进行高分辨率光矢量分析，获取其高精细的多维光谱响应。

现有的光器件及核心光子集成芯片的频谱响应测量方法主要分为以下三类：基于宽谱映射的光标量分析技术；基于光干涉法的光矢量分析技术；基于宽带电调制的光矢量分析技术。其中基于宽谱映射的光标量分析技术采用宽谱光源作为宽谱光源泵浦出待测光器件的频谱响应，采用光谱仪观测所接收信号的光谱，并与原信号光谱对比，即可获得待测光器件的幅度响应。但是该技术仅能测量光器件的幅度响应，无法获取相位信息且分辨率较差。该技术相关的产品有日本Yokogawa公司的AQ6370D，西班牙Aragon公司推出的超高分辨率光谱仪BOSA以及法国APEX公司推出的超高分辨率光谱仪OCSA，这些产品都无法进行光器件的相位信息提取。其中分辨率最高的BOSA最小分辨率为80fm并已经触及极限，无法进一步提升。而基于光干涉法的光矢量分析技术解决了基于宽谱映射的标量技术无法获取相位信息的难题，可以同时测量光器件的幅度响应和相位响应。但该技术主要通过激光波长扫描进行测量，所以其分辨率受限于可调激光器的波长调谐机制。目前该技术实现的测量分辨率往往在pm量级，且难以进一步提高。基于该技术的美国LUNA公司产品-OVA5000光矢量分析仪的分辨率已达到业界最高水平，但也仅为1.6pm。而基于宽带电调制的光矢量分析技术通过宽带电光调制器，将高谱密度的宽谱电信号转换为宽谱光信号，泵浦出待测光器件精细的光谱响应，而后，采用数字信号处理技术分析泵浦信号每根谱线幅度和相位的变化，得到待测光器件的幅度和相位响应。受益于宽谱电信号较小的谱线间隔，该方法可对光器件进行高分辨率的矢量分析。当前，该矢量分析技术报道的最高分辨率为6fm【参考文献：Yi X,Li Z,BaoY,et al.Characterization of passive optical components by DSP-based optical channel estimation[J].IEEE Photonics Technology Letters,2012,24(6):443-445.】。

由前面的论述可知，基于宽带电调制的光矢量分析技术在测量光器件幅相响应及高分辨率方面具有极大的优势。目前该技术主要包括如下两种技术方案：基于光单边带调制的光矢量分析技术和基于非对称光双边带调制的光矢量分析技术。其中基于光单边带调制的光矢量分析技术【参考文献：Xue M,Pan S,He C,et al.Wideband optical vectornetwork analyzer based on optical single-sideband modulation and opticalfrequency comb[J].Optics Letters,2013,38(22):4900-4902.】，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，光单边带调制的光矢量分析技术存在边带抑制比有限、扫描带宽低、残留边带将引入测量误差、动态范围较小的问题。此外，此外光单边调制的测量技术还需要用到光滤波器滤除电光调制双边带信号的一个边带，因此该系统具有光波长相关性且复杂昂贵，限制了其应用范围。针对基于非对称光双边带调制的光矢量分析技术而言【参考文献：Qing T,Li S,Xue M,Li W,Zhu N and Pan S andZhao Y.Optical vector analysis based on asymmetrical optical double-sidebandmodulation using a dual-drive dual-parallel Mach-Zehnder modulator[J].OpticsExpress,2017,25(5):4665-4671.】，该系统需要引入额外的信号源和高功率光电调制器件导致系统复杂，而且该结构需要采用两路光电探测与两路幅相接收机，使得系统成本大大提升。所以尽管基于现有宽带电调制的光矢量分析技术可对光器件进行高分辨率的光矢量分析，但其无法同时解决边带抑制比有限、波长相关、测量范围窄、操作复杂、系统结构复杂、成本高昂等关键问题，使其无法作为通用的高分辨率光矢量分析技术得到广泛应用。

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，提供一种基于啁啾强度调制的光矢量分析方法，能够在实现光器件幅相响应高精度测量的同时，避免复杂且相对窄带的单边带调制或载波频移，拓展测量范围一倍，消除残余边带导致的测量误差，消除系统内存在的滤波机制，大幅度降低系统的成本与复杂度。

本发明基于啁啾强度调制的光矢量分析方法，通过以下方法生成啁啾强度调制光双边带信号：将频率为ω_c的光载波分为两路，把频率为ω_e的微波信号相位调制于其中一路光载波，生成双边带相位调制信号，然后将生成的双边带相位调制信号与另一路光载波相干叠加，即得啁啾强度调制光双边带信号；以所述啁啾强度调制光双边带信号作为第一探测光通过待测光器件，并将通过待测光器件后的第一探测光转换为第一电信号；改变所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差，将所得啁啾强度调制光双边带信号作为第二探测光通过待测光器件，并将通过待测光器件后的第二探测光转换为第二电信号；提取第一电信号、第二电信号的幅相信息；建立以第一电信号、第二电信号的幅相信息及第一探测光、第二探测光作为已知量，以待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应作为未知量的方程组，通过对该方程组求解得到待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应。

优选地，通过施加不同的偏置电压来改变所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差。

进一步地，待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应H_DUT(ω_c+ω_e)、H_DUT(ω_c-ω_e)具体如下：

其中，i₁(ω_e)、i₂(ω_e)分别为第一电信号、第二电信号的幅相信息； 分别为不经过待测光器件而直接对第一探测光、第二探测光直接进行光电转换所得到的电信号的幅相信息；H_DUT(ω_c)是待测光器件在光载波处的幅相响应，是一个可测得的常数； A₀、A₁分别为所述双边带相位调制信号中光载波与边带的幅度，A₀'为另一路光载波的幅度，θ₁、θ₂分别为生成第一探测光、第二探测光时所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差，η为进行光电转换所用光电探测器的响应系数；^*表示为取复共轭。

进一步地，该方法还包括：在不同的微波频率ω_e处得到待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应，将这些幅相响应合成，得到待测光器件的宽带幅相响应。

根据相同的发明思路还可以得到本发明基于啁啾强度调制的光矢量分析装置，包括：

啁啾强度调制单元，用于生成啁啾强度调制光双边带信号，其包括：光源，用于输出频率为ω_c的光载波；光分路器，用于将光源输出的光载波分为两路；微波源，用于输出频率为ω_e的微波信号；电光相位调制器，用于将微波源输出的微波信号相位调制于光分路器所输出的其中一路光载波，生成双边带相位调制信号；光合路器，用于将所述双边带相位调制信号与光分路器输出的另一路光载波相干叠加，输出啁啾强度调制光双边带信号；相位调节模块，用于调整所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差；

光电探测器，用于光电转换；

幅相提取单元，用于从光电探测器输出的电信号中提取幅相信息；

计算单元，用于建立以第一电信号、第二电信号的幅相信息及第一探测光、第二探测光作为已知量，以待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应作为未知量的方程组，并通过对该方程组求解得到待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应，第一探测光、第二探测光分别为所述啁啾强度调制单元通过调整所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差所产生的两个啁啾强度调制光双边带信号，第一电信号、第二电信号分别为第一探测光、第二探测光经过待测光器件后被所述光电探测器转换而成的电信号。

优选地，相位调节模块通过施加不同的偏置电压来改变所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差。

优选地，计算单元根据以下公式得到待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应H_DUT(ω_c+ω_e)、H_DUT(ω_c-ω_e)：

其中，i₁(ω_e)、i₂(ω_e)分别为第一电信号、第二电信号的幅相信息； 分别为不经过待测光器件而直接对第一探测光、第二探测光直接进行光电转换所得到的电信号的幅相信息；H_DUT(ω_c)是待测光器件在光载波处的幅相响应，是一个可测得的常数； A₀、A₁分别为所述双边带相位调制信号中光载波与边带的幅度，A₀'为另一路光载波的幅度，θ₁、θ₂分别为生成第一探测光、第二探测光时所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差，η为光电探测器的响应系数；^*表示为取复共轭。

进一步地，该装置还包括：

控制及数据处理单元，用于控制微波频率ω_e的改变，并将在不同的微波频率ω_e处得到的待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应合成为待测光器件的宽带幅相响应。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明避免了复杂且相对窄带的单边带调制或载波频移，同时将测量范围拓展了一倍，消除了残余边带导致的测量误差；本发明中没有使用任何光滤波器件，因而确保了任意波长处的测量；本发明结构紧凑、操作简单，所有器件都有货架产品，确保了系统的低成本和测量的可靠性。

附图说明

图1为本发明光矢量分析装置一个具体实施例的结构示意图；

图2为具体实施例中所使用的啁啾强度调制单元的结构示意图。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明的解决思路是以啁啾强度调制光双边带信号作为探测光通过待测光器件，并通过光电探测将光信号转换为电信号；通过改变其中双边带信号与光载波之间的相位差来获得不同啁啾强度调制状态的探测光信号，然后利用不同啁啾强度调制状态的探测光信号所得到的电信号的幅相信息与探测光信号之间的关系建立方程组，求解得到待测光器件的幅相响应。

具体而言，本发明基于啁啾强度调制的光矢量分析方法，通过以下方法生成啁啾强度调制光双边带信号：将频率为ω_c的光载波分为两路，把频率为ω_e的微波信号相位调制于其中一路光载波，生成双边带相位调制信号，然后将生成的双边带相位调制信号与另一路光载波相干叠加，即得啁啾强度调制光双边带信号；以所述啁啾强度调制光双边带信号作为第一探测光通过待测光器件，并将通过待测光器件后的第一探测光转换为第一电信号；改变所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差，将所得啁啾强度调制光双边带信号作为第二探测光通过待测光器件，并将通过待测光器件后的第二探测光转换为第二电信号；提取第一电信号、第二电信号的幅相信息；建立以第一电信号、第二电信号的幅相信息及第一探测光、第二探测光作为已知量，以待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应作为未知量的方程组，通过对该方程组求解得到待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应。

上述技术方案中，双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差的改变可以通过施加不同的偏置电压实现(在其中一条支路上或者两条支路上同时施加偏置电压)，也可以利用微延时调节、应力调节、热调节、偏振控制等方式实现。

在以上方案基础上，还可以进一步在不同的微波频率ω_e处得到待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应，将这些幅相响应合成，得到待测光器件的宽带幅相响应。

为了便于公众理解，下面以一个具体实施例并结合附图对本发明技术方案进行进一步详细说明。

图1显示了本实施例中光矢量分析装置的基本结构。如图1所示，该装置包括光源、微波源、单臂啁啾强度调制器、偏置点控制器、光电探测器、微波幅相接收模块、控制及数据处理单元。单臂啁啾强度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，生成啁啾强度调制光双边带信号；该啁啾强度调制光双边带信号经过待测光器件传输后至光电探测器，光电探测器将输入的光信号转化成为电信号输出；微波幅相接收模块以微波源输出的微波扫频信号为参考，提取光电探测器输出的电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。

单臂啁啾强度调制器的结构如图2所示，其包括光输入端口、Y分支1、光上支路、光下支路、Y分支2和光输出端口，其中光上支路为电光相位调制器，其具有微波端口和偏置点控制端口。其具体实现功能为，光信号从光输入端口进入Y分支1，并在Y分支1输出端分成束光信号分别沿光上支路和光下支路两个通道传播；在光上支路的光信号由来自微波端口的微波信号调制并执行相位调制，生成双边带相位调制信号，在光下支路的光信号不受任何微波信号调制；光上支路和光下支路输出的光信号在Y分支2中相干叠加并在光输出端口输出相干叠加后的信号，该信号即为啁啾强度调制光双边带信号。光上支路和光下支路的光信号之间的相位差可由偏置点控制器通过偏置点控制端口进行控制，即施加不同的偏置电压。该电光相位调制器为市场上最为普通的调制器，因而具有很大的价格优势。

单臂啁啾强度调制器输出的啁啾强度调制双边带信号可用以下表达式表示：

其中，j为虚数单位；ω_c和ω_e为分别为光载波和微波信号的角频率；A₀和A₁分别为单臂啁啾强度调制器中一条支路引入的调制信号载波与边带的幅度；A₀'为单臂啁啾强度调制器中另外一条支路引入的载波的幅度；θ为偏置点控制器给单臂啁啾强度调制器的两条支路引入的相位差。

设在偏置点控制器的控制下，第一次单臂啁啾强度调制器输出的啁啾强度调制双边带信号E₁(t)为：

其中，θ₁为偏置点控制器给单臂啁啾强度调制器的两条支路引入的第一个相位差。

经过待测光器件传输后，啁啾强度调制双边带信号表示为：

其中，H(ω)＝H_DUT(ω)·H_SYS(ω)，H_DUT(ω)和H_SYS(ω)为待测光器件的传输函数和测量系统的传输函数。

该光信号经光电探测器的平方律检波后，光信号转化成光电流I₁(ω_e)，即η为光电探测器的响应系数。通过幅相提取单元提取出的第一电信号幅相信息i₁(ω_e)为：

其中，^*表示为取复共轭。令则式(4)可转化为：

同理，偏置点控制器使单臂啁啾强度调制器的两条支路引入的第二个相位差为θ₂且θ₂≠θ₁，令于是可得关于第二电信号幅相信息i₂表达式为：

联立(5)和(6)，系统中待测光器件的响应为：

为消除测量系统响应对测量结果的影响，需对测量系统进行直通校准。此时，测得的系统响应表达式为：

其中分别为直通校准(即不经过待测光器件而直接对进行光电探测所得到的电信号的幅相信息。

由式(7)～(10)可得待测光器件的传输函数：

其中，是待测光器件在光载波处的响应，是一个可测得的常数。

Claims (8)

1.基于啁啾强度调制的光矢量分析方法，其特征在于，通过以下方法生成啁啾强度调制光双边带信号：将频率为ω_c的光载波分为两路，把频率为ω_e的微波信号相位调制于其中一路光载波，生成双边带相位调制信号，然后将生成的双边带相位调制信号与另一路光载波相干叠加，即得啁啾强度调制光双边带信号；以所述啁啾强度调制光双边带信号作为第一探测光通过待测光器件，并将通过待测光器件后的第一探测光转换为第一电信号；改变所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差，将所得啁啾强度调制光双边带信号作为第二探测光通过待测光器件，并将通过待测光器件后的第二探测光转换为第二电信号；提取第一电信号、第二电信号的幅相信息；建立以第一电信号、第二电信号的幅相信息及不经过待测光器件而直接对第一探测光、第二探测光直接进行光电转换所得到的电信号的幅相信息作为已知量，以待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应作为未知量的方程组，通过对该方程组求解得到待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，通过施加不同的偏置电压来改变所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应H_DUT(ω_c+ω_e)、H_DUT(ω_c-ω_e)具体如下：

其中，i₁(ω_e)、i₂(ω_e)分别为第一电信号、第二电信号的幅相信息；i₁ ^SYS(ω_e)、i₂ ^SYS(ω_e)分别为不经过待测光器件而直接对第一探测光、第二探测光直接进行光电转换所得到的电信号的幅相信息；H_DUT(ω_c)是待测光器件在光载波处的幅相响应，是一个可测得的常数；A₀、A₁分别为所述双边带相位调制信号中光载波与边带的幅度，A₀'为另一路光载波的幅度，θ₁、θ₂分别为生成第一探测光、第二探测光时所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差，η为进行光电转换所用光电探测器的响应系数；*表示为取复共轭。

4.如权利要求1～3任一项所述方法，其特征在于，该方法还包括：在不同的微波频率ω_e处得到待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应，将这些幅相响应合成，得到待测光器件的宽带幅相响应。

5.基于啁啾强度调制的光矢量分析装置，其特征在于，包括：

啁啾强度调制单元，用于生成啁啾强度调制光双边带信号，其包括：光源，用于输出频率为ω_c的光载波；光分路器，用于将光源输出的光载波分为两路；微波源，用于输出频率为ω_e的微波信号；电光相位调制器，用于将微波源输出的微波信号相位调制于光分路器所输出的其中一路光载波，生成双边带相位调制信号；光合路器，用于将所述双边带相位调制信号与光分路器输出的另一路光载波相干叠加，输出啁啾强度调制光双边带信号；相位调节模块，用于调整所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差；

光电探测器，用于光电转换；

幅相提取单元，用于从光电探测器输出的电信号中提取幅相信息；

计算单元，用于建立以第一电信号、第二电信号的幅相信息及不经过待测光器件而直接对第一探测光、第二探测光直接进行光电转换所得到的电信号的幅相信息作为已知量，以待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应作为未知量的方程组，并通过对该方程组求解得到待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应，第一探测光、第二探测光分别为所述啁啾强度调制单元通过调整所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差所产生的两个啁啾强度调制光双边带信号，第一电信号、第二电信号分别为第一探测光、第二探测光经过待测光器件后被所述光电探测器转换而成的电信号。

6.如权利要求5所述装置，其特征在于，相位调节模块通过施加不同的偏置电压来改变所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差。

7.如权利要求5所述装置，其特征在于，计算单元根据以下公式得到待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应H_DUT(ω_c+ω_e)、H_DUT(ω_c-ω_e)：

其中，i₁(ω_e)、i₂(ω_e)分别为第一电信号、第二电信号的幅相信息；i₁ ^SYS(ω_e)、i₂ ^SYS(ω_e)分别为不经过待测光器件而直接对第一探测光、第二探测光直接进行光电转换所得到的电信号的幅相信息；H_DUT(ω_c)是待测光器件在光载波处的幅相响应，是一个可测得的常数；A₀、A₁分别为所述双边带相位调制信号中光载波与边带的幅度，A₀'为另一路光载波的幅度，θ₁、θ₂分别为生成第一探测光、第二探测光时所述双边带相位调制信号与另一路光载波之间的相位差，η为光电探测器的响应系数；*表示为取复共轭。

8.如权利要求5～7任一项所述装置，其特征在于，该装置还包括：

控制及数据处理单元，用于控制微波频率ω_e的改变，并将在不同的微波频率ω_e处得到的待测光器件在ω_c±ω_e两个频率处的幅相响应合成为待测光器件的宽带幅相响应。