CN108088655A - 基于双边带调制与频移的光器件测量方法、装置 - Google Patents

基于双边带调制与频移的光器件测量方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于双边带调制与频移的光器件测量方法。首先将光载波分为两路；对第一路光载波进行频移，得到频移光载波信号，然后将第一微波信号调制于所述频移光载波信号上，生成频移双边带调制信号；将第二微波信号调制于第二路光载波上，生成双边带探测信号，并将此双边带探测信号输入待测光器件；将频移双边带调制信号与经过待测件的双边带探测信号耦合后输入光电探测器进行拍频，得到携带待测光器件频谱响应信息的两个频率的微波信号；分别提取两个微波信号的幅度相位信息，得到待测光器件在光载波与第二微波信号的和频及差频处的幅相响应。本发明还公开了基于双边带调制与频移的光器件测量装置。本发明可大幅提高光器件的测量范围和测量效率。

Description

基于双边带调制与频移的光器件测量方法、装置
技术领域
本发明涉及一种光器件测量方法，尤其涉及一种基于双边带调制与频移的光器件测量方法、装置。
背景技术
光子器件的幅频响应与相频响应(即为光谱响应)的测量对器件制造和系统设计来说是非常关键的。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，如超高精度光纤传感、长距离光纤通信等。然而，光测量技术的发展却停滞不前，不仅使得高精度光器件的研发制作举步维艰，而且也使得现有的光器件无法在光系统中发挥最大效用。例如：布拉格光纤光栅(FBG)的最小带宽已低至9MHz，而现有的光测量技术的测量精度仍为上百MHz(目前，最先进的光矢量分析仪Luna OVA5000的测量精度也仅为125MHz)，无法精确地测得上述FBG的幅频响应及相频响应特性。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矢量分析方法。该方法将传统光矢量分析仪在光域的扫频操作搬移到电域进行，受益于成熟的电频谱分析技术，其测试精度得到了质的飞跃。我们已在38GHz的频带范围内实现了测量分辨率达78kHz的光器件测量，相比于商用光矢量分析仪的测量结果，该方法所测得的响应更加清晰地反映了待测光器件的响应。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"Spectral characterization of fiber gratings with high resolution"(J.E.Román,M.Y.Frankel,and R.D.Esman,“Spectral characterization of fibergratings with high resolution,”Opt.Lett.,vol.23,no.12,pp.939–941,1998.)中，以及薛敏等人在“Accuracy improvement of optical vector network analyzer based onsingle-sideband modulation”(M.Xue,S.L.Pan,and Y.J.Zhao,"Accuracy improvementof optical vector network analyzer based on single-sideband modulation,"Optics Letters,vol.39,no.12,pp.3595-3598,Jun.2014.)提到的光单边带扫频方法等。
为了实现测量分辨率的提高，人们提出了基于单边带调制的光器件测量方法，然而却也引出了测量范围严重不足等问题，大大限制了基于单边带调制的光器件测量方法在实际中的应用和推广。首先，产生光单边带会使系统非常复杂，目前单边带的产生方法大致分为滤波法和90°相移法，前者需要使用滤波器，增加了系统的复杂度和不稳定性，且消光比有限；后者需要对加载到双驱动光电调制器的微波信号进行90°相移，需要使用宽带90°电桥和双驱动光电调制器，系统复杂，且调节不便。其次，单边带扫频法一次测量只能得到一组测量信号，测量效率低下。最后，单边带扫频方法严重受限于仪器，例如单边带扫频范围不能大于光电探测器带宽。
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，提供一种基于双边带调制与频移的光器件测量方法，可大幅提高光器件的测量范围和测量效率。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
基于双边带调制与频移的光器件测量方法，首先将频率为ω0的光载波分为两路；对第一路光载波进行频移量为Δω的频移操作，得到频率为ω0+Δω的频移光载波信号，然后将频率为ω1的第一微波信号双边带调制于所述频移光载波信号上，生成频移双边带调制信号；将频率为ω2的第二微波信号双边带调制于第二路光载波上，生成双边带探测信号，并将此双边带探测信号输入待测光器件；将频移双边带调制信号与经过待测光器件的双边带探测信号耦合后输入光电探测器进行拍频，得到携带待测光器件频谱响应信息的频率分别为(ω1-ω2)-Δω和(ω1-ω2)+Δω的两个微波信号；分别提取所述两个微波信号的幅度相位信息，得到待测光器件在ω0-ω2和ω0+ω2这两个频率处的幅频响应与相频响应。
进一步地，该方法还包括：改变第一微波信号和第二微波信号的频率并保证两者的频率差(ω1-ω2)恒定，重复上述过程，得到待测光器件的光谱响应信息。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
基于双边带调制与频移的光器件测量装置，包括：
光源，用于输出频率为ω0的光载波；
第一微波源，用于输出频率为ω1的第一微波信号；
第二微波源，用于输出频率为ω2的第二微波信号；
光分束器，用于将光源输出的光载波分为两路；
频移模块，用于对对第一路光载波进行频移量为Δω的频移操作，得到频率为ω0+Δω的频移光载波信号；
第一电光调制器，用于将第一微波信号双边带调制于所述频移光载波信号上，生成频移双边带调制信号；
第二电光调制器，用于将第二微波信号双边带调制于第二路光载波上，生成双边带探测信号；
光耦合器，用于将所述双边带信号经过待测光器件后所生成的双边带探测信号与频移双边带调制信号进行耦合；
光电探测器，用于对光耦合器输出端耦合信号进行拍频，得到携带待测光器件频谱响应信息的频率分别为(ω1-ω2)-Δω和(ω1-ω2)+Δω的两个微波信号；
幅相信息提取模块，用于分别提取所述两个微波信号的幅度相位信息，得到待测光器件在ω0-ω2和ω0+ω2这两个频率处的幅频响应与相频响应。
进一步地，该装置还包括：
扫频控制模块，用于对第一微波源和第二微波源进行控制，以改变第一微波信号和第二微波信号的频率并保证两者的频率差(ω1-ω2)恒定。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
一、本发明不受高阶边带的影响，且受残留一阶边带的影响较小；
二、本发明线路结构简单，测试精度高，稳定性好，且动态范围大，测试效率高；
三、本发明对测量对象无选择性，可测带通器件。
附图说明
图1为本发明光器件测量装置一个具体实施例的结构示意图；
图2为图1所示装置工作时各部位信号的频谱示意图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的思路是通过双边带调制与频移相结合来进行光器件幅相频响测量，以大幅扩展测量范围和测量效率。具体而言，本发明光器件测量方法具体如下：首先将频率为ω0的光载波分为两路；对第一路光载波进行频移量为Δω的频移操作，得到频率为ω0+Δω的频移光载波信号，然后将频率为ω1的第一微波信号调制于所述频移光载波信号上，生成频移双边带调制信号(其正负一阶边带的频率分别为ω0+Δω-ω1和ω0+Δω+ω1)；将频率为ω2的第二微波信号调制于第二路光载波上，生成双边带探测信号(其正负一阶边带的频率分别为ω0-ω2和ω0+ω2的)，并将此双边带探测信号输入待测光器件；将频移双边带调制信号与经过待测光器件的双边带探测信号耦合后输入光电探测器进行拍频，得到携带待测光器件频谱响应信息的频率分别为(ω1-ω2)-Δω和(ω1-ω2)+Δω的两个微波信号；分别提取所述两个微波信号的幅度相位信息，得到待测光器件在光载波与第二微波信号的和频及差频处的的幅频响应与相频响应，亦即在ω0-ω2和ω0+ω2这两个频率处的幅频响应与相频响应。
进一步地，可通过扫频操作，即改变第一微波信号和第二微波信号的频率并保证两者的频率差(ω1-ω2)始终恒定，然后重复上述过程，即可得到待测光器件的光谱响应信息。
为了便于公众理解，下面以一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本实施例中的光器件测量装置如图1所示，包括光源、光分束器、频移模块、电光调制器1、电光调制器2、微波源1、微波源2、光合束器、光电探测模块、幅相接收模块、控制及数据处理模块。
如图1所示，光分束器将光源输出的光载波ω0分成上、下两路；通过频移模块将上路光载波ω0移动一个固定的频率Δω，产生一个频移光载波信号ω0+Δω；将微波源1输出的微波信号ω1通过电光调制器1调制到频移光载波ω0+Δω上，产生一个正、负一阶边带分别为ω0+Δω-ω1和ω0+Δω+ω1的频移双边带调制信号；将微波源2输出的微波信号ω2通过电光调制器2调制到下路光载波ω0上，生成一个正、负一阶边带分别为ω0-ω2和ω0+ω2的双边带探测信号，并将此双边带探测信号输入待测光器件；通过光合束器将频移双边带调制信号和经过待测光器件的双边带探测信号耦合后输入光电探测模块拍频，可得到携带待测光器件频谱响应信息的两个频率不同的微波信号(ω1-ω2)-Δω和(ω1-ω2)+Δω；利用微波幅相接收模块分别提取所述两个微波信号的幅度相位信息，得到待测光器件在ω0-ω2和ω0+ω2这两个频率处的幅频响应与相频响应；控制及数据处理模块进行扫频控制，即对微波源1和微波源2进行控制，以改变ω1和ω2并保证(ω1-ω2)为恒定值，然后重复上述测量步骤，最终得到待测光器件的光谱响应信息。
为了使公众更清楚地理解本发明技术方案，下面对本发明的测量原理进行进一步详细说明：
将光源输出的光载波ω0分成上、下两路；通过频移模块将上路光载波ω0移动一个固定的频率Δω，产生一个频移载波光信号ω0+Δω；将微波源1输出的微波信号ω1通过电光调制器1调制到频移光载波ω0+Δω上，产生的频移双边带调制信号可表示为：
其中，An表示频移双边带调制信号的n阶边带的幅度值(n＝-∞至+∞，n为整数)，
ωo+Δω是频移后的光载波的角频率，ω1是微波源1输出的微波信号的角频率。
将微波源2输出的微波信号ω2通过电光调制器2调制到下路光载波ω0上，生成一个正负一阶边带分别为ω0-ω2和ω0+ω2的双边带信号，该双边带探测信号可表示为：
其中，Bn表示该双边带信号的n阶边带的幅度值(n＝-∞至+∞，n为整数)，而ωo是光载波的角频率，ω2是微波源2输出的微波信号的角频率。
并将此双边带探测信号通过待测光器件，得到：
其中，系统函数H(ω)＝HDUT(ω)·Hsys(ω)，HDUT(ω)是待测光器件的传输函数，Hsys(ω)是系统的传输函数。
将频移双边带调制信号和经过待测光器件的双边带探测信号耦合生成的光信号可表示为：
E(t)＝E1(t)+E2(t) (4)
光信号E及光信号E1、E2的频谱如图2所示。
将此光信号E(t)输入光电探测模块拍频，可得到携带待测光器件频谱响应信息的两个频率不同的微波信号(ω1-ω2)-Δω和(ω1-ω2)+Δω。提取(ω1-ω2)-Δω和(ω1-ω2)+Δω这两个频率分量的信息，有：
(ω1-ω2)-Δω：这一频率分量(我们始终假设ω1-ω2>Δω)由频移双边带调制信号的负一阶边带和双边带探测信号的负一阶边带拍频产生，
EL(t)＝A-1 exp[i((ω0+Δω)-ω1)t]+B-1H(ω0-ω2)exp[i(ω0-ω2)t] (5)
其中η是光电探测模块的响应度。
(ω1-ω2)+Δω：这一频率分量(我们始终假设ω1-ω2>Δω)由频移双边带调制信号的正一阶边带和双边带探测信号的正一阶边带拍频产生，
EU(t)＝A+1exp[i((ω0+Δω)+ω1)t]+B+1H(ω0+ω2)exp[i(ω0+ω2)t] (7)
其中η是光电探测模块的响应度。
根据H(ω)＝HDUT(ω)·Hsys(ω)，当HDUT(ω)＝1，也即待测件短接状态下，式(6)可化为，
由式(6)和式(9)可以得到，
式(8)可以化为，
由式(8)和式(11)可以得到，
将式(12)取共轭可得，
改变ω1和ω2并保证(ω1-ω2)为恒定值，然后重复上述测量过程，即可得到待测光器件的光谱矢量响应信息；控制及数据处理模块控制两个微波源的扫频过程，并同时对幅相接收模块输出的幅度相位信息进行处理并输出待测光器件的光谱矢量响应信息。

Claims (4)

1.基于双边带调制与频移的光器件测量方法，其特征在于，首先将频率为ω0的光载波分为两路；对第一路光载波进行频移量为Δω的频移操作，得到频率为ω0+Δω的频移光载波信号，然后将频率为ω1的第一微波信号双边带调制于所述频移光载波信号上，生成频移双边带调制信号；将频率为ω2的第二微波信号双边带调制于第二路光载波上，生成双边带探测信号，并将此双边带探测信号输入待测光器件；将频移双边带调制信号与经过待测光器件的双边带探测信号耦合后输入光电探测器进行拍频，得到携带待测光器件频谱响应信息的频率分别为(ω1-ω2)-Δω和(ω1-ω2)+Δω的两个微波信号；分别提取所述两个微波信号的幅度相位信息，得到待测光器件在ω0-ω2和ω0+ω2这两个频率处的幅频响应与相频响应。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，还包括：改变第一微波信号和第二微波信号的频率并保证两者的频率差(ω1-ω2)恒定，重复上述过程，得到待测光器件的光谱响应信息。
3.基于双边带调制与频移的光器件测量装置，其特征在于，包括：
光源，用于输出频率为ω0的光载波；
第一微波源，用于输出频率为ω1的第一微波信号；
第二微波源，用于输出频率为ω2的第二微波信号；
光分束器，用于将光源输出的光载波分为两路；
频移模块，用于对对第一路光载波进行频移量为Δω的频移操作，得到频率为ω0+Δω的频移光载波信号；
第一电光调制器，用于将第一微波信号双边带调制于所述频移光载波信号上，生成频移双边带调制信号；
第二电光调制器，用于将第二微波信号双边带调制于第二路光载波上，生成双边带探测信号；
光耦合器，用于将所述经过待测光器件的双边带探测信号与频移双边带调制信号进行耦合；
光电探测器，用于对光耦合器输出端耦合信号进行拍频，得到携带待测光器件频谱响应信息的频率分别为(ω1-ω2)-Δω和(ω1-ω2)+Δω的两个微波信号；
幅相信息提取模块，用于分别提取所述两个微波信号的幅度相位信息，得到待测光器件ω0-ω2和ω0+ω2这两个频率处的幅频响应与相频响应。
4.如权利要求3所述装置，其特征在于，该装置还包括：
扫频控制模块，用于对第一微波源和第二微波源进行控制，以改变第一微波信号和第二微波信号的频率并保证两者的频率差(ω1-ω2)恒定。
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