CN108449131B - 一种基于混频的相干光接收机参数测量方法、装置 - Google Patents

一种基于混频的相干光接收机参数测量方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于混频的相干光接收机参数测量方法。将光载波分为两路，对其中一路进行移频操作，得到移频光载波信号，用第一微波信号对另一路光载波进行电光强度调制，得到载波抑制的光双边带信号，并将移频光载波信号和载波抑制的光双边带信号分别输入相干光接收机的两个输入端口；对相干光接收机的每一路输出信号，先将其与一个频率和所述移频操作的移频量相同的第二微波信号进行混频，然后提取出混频信号的幅度和相位信息，最后得到在该光载波波长下，所述相干光接收机每一路输出通道的幅度响应、相位响应。本发明还公开了一种基于混频的相干光接收机参数测量装置。本发明能够大幅拓展测量范围，提高测量精度和测量效率。

Description

一种基于混频的相干光接收机参数测量方法、装置
技术领域
本发明涉及一种相干光接收机参数测量方法，尤其涉及一种基于混频的相干光接收机参数测量方法、装置，属于光电器件测量技术领域。
背景技术
随着信息科技的迅速发展，以及P2P、高清视频等高速率业务的兴起，人们对数据传输的带宽、容量等指标的要求日益增长。当传输容量、传输速率不断增加时，在现有的网络中进行时分复用已经无法满足需求了。相干光通信具有中继距离长，通信容量大，选择性好，灵敏度高，具有多种调制方式等特点，被广泛的应用。
相干光通信中重要的组成部分是相干光接收机。光接收机的任务是把发送端通过光纤传来的微弱光信号检测出来，然后放大再生成原来的电信号。对光接收机的基本要求是：应具有较高的灵敏度，以适应长距离通信的要求；应具有较大的动态范围，以适应各种通信距离的要求。光接收机作为光纤通信系统的关键器件之一，其性能直接影响系统的传输距离和误码率等传输指标。相干光接受机的基本结构如图1所示，本振光与信号光分别经过光耦合器与偏振分束器后生成两路X、Y，输入到两个90°的混频器中进行混频，产生8路输出光信号，通过光电探测器进行光电转换，输出8路微波信号。
为了实现精确的光信号检测，必须对光相干接收机的幅度、相位的频率响应等参数进行准确测量。中国发明专利CN201310346634公开了《一种光相干接收机时延和相位差测试方法及测试系统》，其通过向待测光相干接收机输入与本振信号频率相近的扫描信号光，产生拍频，用示波器采集待测光相干接收机各射频输出的拍频信息，并通过FFT运算消除噪声算出拍频的相位和频率，最后线性拟合出相位和频率关系曲线。中国发明专利CN2012105571113公开了一种《光单边带调制方法、调制器及光器件测量装置、测量方法》，其用光单边带调制测量光器件能够有效消除单边带调制信号中的二阶边带的影响，从而调高系统的动态范围。
上述现有技术中，《一种光相干接收机时延和相位差测试方法及测试系统》的局限性在于只能测试待测光相干接收机的延时和相位差，同时测量光相干接收机的频率范围受采样示波器带宽限制；《光单边带调制方法、调制器及光器件测量装置、测量方法》的局限于需要先进行校准测量，测量效率低。因此，我们迫切需要研究新型的测量方法来提高精确度和测量效率，以测量更高带宽的光相干接收机的频率响应以及相位差。
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，提供一种基于混频的相干光接收机参数测量方法，能够大幅拓展测量范围，提高测量精度和测量效率。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于混频的相干光接收机参数测量方法，将光载波分为两路，对其中一路进行移频操作，得到移频光载波信号，用第一微波信号对另一路光载波进行电光强度调制，得到载波抑制的光双边带信号，并将所述移频光载波信号和载波抑制的光双边带信号分别输入相干光接收机的两个输入端口；对所述相干光接收机的每一路输出信号，先将其与一个频率和所述移频操作的移频量相同的第二微波信号进行混频，然后提取出混频信号的幅度和相位信息，最后结合移频光载波信号、载波抑制的光双边带信号、第二微波信号这三个信号的幅度以及所使用混频器的传输函数，最后得到在该光载波波长下，所述相干光接收机每一路输出通道的幅度响应、相位响应。
进一步地，该方法还包括以下步骤：令所述第一微波信号进行扫频操作，并在每个扫频频率点重复以上步骤，得到所述相干光接收机每一路输出通道的光谱矢量响应信息。
进一步地，该方法还包括以下步骤：根据相干光接收机每一路输出通道的幅度响应、相位响应，得到所述相干光接收机任意两路输出通道之间的差分幅相信息。
优选地，所述移频操作通过声光调制器实现。
优选地，所述电光强度调制通过马赫曾德尔调制器实现。
优选地，所述光载波的波长可调谐。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种基于混频的相干光接收机参数测量装置，包括：
检测信号生成单元，用于将光载波分为两路，对其中一路进行移频操作，得到移频光载波信号，用第一微波信号对另一路光载波进行电光强度调制，得到载波抑制的光双边带信号，并将所述移频光载波信号和载波抑制的光双边带信号分别输入相干光接收机的两个输入端口；
混频器，用于将所述相干光接收机的每一路输出信号分别与一个频率和所述移频操作的移频量相同的第二微波信号进行混频；
检测单元，用于提取出混频信号的幅度和相位信息，然后结合移频光载波信号、载波抑制的光双边带信号、第二微波信号这三个信号的幅度以及所使用混频器的传输函数，最后得到在该光载波波长下，所述相干光接收机每一路输出通道的幅度响应、相位响应。
优选地，所述检测单元包括扫频控制模块，用于控制所述第一微波信号进行扫频操作，并在每个扫频频率点进行幅度响应、相位响应的检测，得到所述相干光接收机每一路输出通道的光谱矢量响应信息。
优选地，所述检测单元包括差分幅相信息提取模块，用于根据相干光接收机每一路输出通道的幅度响应、相位响应，得到所述相干光接收机任意两路输出通道之间的差分幅相信息。
优选地，所述移频操作通过声光调制器实现。
优选地，所述电光强度调制通过马赫曾德尔调制器实现。
优选地，所述光源的输出波长可调谐。
相比现有技术，本发明技术方案及其进一步改进或优选技术方案具有以下有益效果：
本发明可对相干光接收机的各输出通道的幅相响应以及任意两路输出通道之间的差分幅相信息进行准确测量，且可测量的频率范围比现有技术有大幅扩展；
本发明具有结构简单、测试效率高的优点。
附图说明
图1为相干光接收机的结构示意图；
图2为本发明测量装置的结构示意图；
图3为本发明测量装置一个具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
针对现有技术的不足，本发明的思路是利用移频操作结合电光强度调制的方式来生成检测光信号，并对待测相干光接收机的输出信号进行混频处理，从而实现提高相干光接收机参数测量的精确度和测量效率的目的。本发明测量方法具体如下：将光载波分为两路，对其中一路进行移频操作，得到移频光载波信号，用第一微波信号对另一路光载波进行电光强度调制，得到载波抑制的光双边带信号，并将所述移频光载波信号和载波抑制的光双边带信号分别输入相干光接收机的两个输入端口；对所述相干光接收机的每一路输出信号，先将其与一个频率和所述移频操作的移频量相同的第二微波信号进行混频，然后提取出混频信号的幅度和相位信息，最后结合移频光载波信号、载波抑制的光双边带信号、第二微波信号这三个信号的幅度以及所使用混频器的传输函数，最后得到在该光载波波长下，所述相干光接收机每一路输出通道的幅度响应、相位响应。
在此基础上还可进一步对所述第一微波信号进行扫频操作，并在每个扫频频率点重复以上步骤，从而得到所述相干光接收机每一路输出通道的光谱矢量响应信息。也可以根据相干光接收机每一路输出通道的幅度响应、相位响应，得到所述相干光接收机任意两路输出通道之间的差分幅相信息。
图2显示了本发明测量装置的基本结构，如图2所示，其包括光源、光分束器1～3、两个微波源、光移频调制模块、电光强度调制模块、两个光功率计、一组混频器、微波幅相接收模块和控制及数据处理单元。光分束器1将光源输出的光载波分为上下两路；光移频调制模块对上路光载波进行移频调制，将上路微波源输出的微波信号移频调制于上路光载波上，得到移频光载波信号，上路微波源输出的微波信号频率即为移频量；电光强度调制模块对下路光载波进行电光强度调制，将下路微波源输出的微波信号调制于下路光载波上，得到载波抑制的光双边带信号；光分束器2、3用于配合上下两个光功率计分别实现对移频光载波信号和载波抑制的光双边带信号的光功率进行监测，监测结果送入控制及数据处理单元；将移频光载波信号和载波抑制的光双边带信号分别输入待测相干光接收机的L端口和S端口；对相干光接收机的每一路输出信号，先利用混频器将其与从上路微波源输出信号中分出的一路微波信号进行混频，然后利用微波幅相接收模块提取出混频信号的幅度和相位信息，最后结合移频光载波信号、载波抑制的光双边带信号、上路微波源输出的微波信号频率这三个信号的幅度以及所使用混频器的传输函数，最后得到在该光载波波长下，所述相干光接收机每一路输出通道的幅度响应、相位响应。利用各个输出通道的幅度相位信息，控制及数据处理单元还可以获取待测相干光接收机中任意两个输出通道间的差分幅相信息；控制及数据处理单元还可控制下路微波源扫频并重复上述测量过程，即可得到待测相干光接收机的光谱矢量响应信息。
图3显示了本发明测量装置的一个具体实施例，其利用声光调制器来实现频移调制，利用马赫曾德尔调制器实现载波抑制的光双边带调制。如图3所示，光源输出的光载波通过光分束器1分成两路，一路通过声光调制器产生一个移频量为Δω的移频光载波信号EL，另一路通过工作在抑制载波的双边带调制状态的马赫曾德尔调制器，载波ω0被抑制，得到的抑制载波的双边带信号ES与移频光载波信号EL分别输入到待测相干光接收机的信号输入口(S端口)以及本振输入口(L端口)中。
假定光源输出光信号为：
其中E0表示光载波的幅度大小；ω0表示光载波的角频率；j为虚数单位
经过光分束器后，上路光载波输入光移频调制模块，载波信号经移频调制后的输出为：
其中，Δω为移频量。
经过光分束器后，下路光载波输入至马赫-曾德尔调制器中，假设加载在射频端口的微波信号频率为ωe，则调制器输出可表示为：
其中，β为马赫-曾德尔调制器的调制系数，γ为调制器上下两臂的分光比，Jn(·)表示第一类n阶贝塞尔函数。
通过偏置点控制器调节加载在马赫-曾德尔调制器上的偏置电压，使得其工作在最小传输工作点，即可生成载波被抑制的双边带调制信号。考虑在小调制系数下，生成的调制信号主要有正负一阶边带组成，式(3)可近似为式(4)：
输入到相干光接收机的光信号分别为：
马赫曾德尔调制器输出的负一阶边带和移频光载波经过待测相干接收机后，输入到待测相干光接收机内光电探测器的信号为：
在光电探测器里，拍频得到的微波信号为：
为待测相干光接收机的传输函数，为待测相干光接收机内光电探测器的响应系数，HL(ω)为待测相干光接收机中除去光电探测器部分对于L端信号的传输函数，HS(ω)为待测相干光接收机中除去光电探测器部分对于S端信号的传输函数。
同理，马赫曾德尔调制器输出的正一阶边带和移频光载波经过待测相干接收机后，输入到待测相干光接收机内光电探测器的信号为：
在光电探测器里，拍频得到的微波信号为：
为待测相干光接收机的传输函数，为待测相干光接收机内光电探测器的响应系数。
因此，该微波信号携带了待测相干接收机传输函数的信息。选取其中一个边带(例如正一阶边带)与移频载波经过待测相干光接收机后得到的微波信号E(ωe+Δω)通过混频器与上路微波源输出的微波信号混频后，得到的微波信号为：
E(ωe)＝A1ALASHDUT(ωe-Δω)H'(ωe)
通过幅相接收模块可获得E(ωe)的幅度和相位信息。由于光载波频率ω0是固定的，AL、AS可由光功率1以及光功率计2得到，A1为上路微波源输出信号的幅度，H‘(ω)为混频器的传输函数，都为已知常数，所以可得
同理，选取负一阶边带时，
其中AL为输入到待测相干光接收机L端口的光载波的幅度，AS为输入到待测相干光接收机S端口的信号的幅度，E(ωe)为检测到的待测相干光接收机输出的微波信号的幅度和相位信息。控制下路微波源扫频并重复上述测量过程，即可得到待测相干光接收机的光谱矢量响应信息。此外，根据任意两路输出通道的幅度和相位信息，同时也可以得出这两路输出信号之间的相位差。
本发明优选使用输出波长可调谐的光源，通过调节光载波波长，可以测量不同光波长下，待测相干光接收机每一路输出通道的幅度和相位响应。也可以根据在不同光波长下，相干光接收机每一路输出通道的幅度响应、相位响应，得到在不同光波长下，相干光接收机任意两路输出通道之间的差分幅相信息。

Claims (12)

1.一种基于混频的相干光接收机参数测量方法，其特征在于，将光载波分为两路，对其中一路进行移频操作，得到移频光载波信号，用第一微波信号对另一路光载波进行电光强度调制，得到载波抑制的光双边带信号，并将所述移频光载波信号和载波抑制的光双边带信号分别输入相干光接收机的两个输入端口；对所述相干光接收机的每一路输出信号，先将其与一个频率和所述移频操作的移频量相同的第二微波信号进行混频，然后提取出混频信号的幅度和相位信息，最后结合移频光载波信号、载波抑制的光双边带信号、第二微波信号这三个信号的幅度以及所使用混频器的传输函数，最后得到在该光载波波长下，所述相干光接收机每一路输出通道的幅度响应、相位响应。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：令所述第一微波信号进行扫频操作，并在每个扫频频率点重复以上步骤，得到所述相干光接收机每一路输出通道的光谱矢量响应信息。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：根据相干光接收机每一路输出通道的幅度响应、相位响应，得到所述相干光接收机任意两路输出通道之间的差分幅相信息。
4.如权利要求1～3任一项所述方法，其特征在于，所述移频操作通过声光调制器实现。
5.如权利要求1～3任一项所述方法，其特征在于，所述电光强度调制通过马赫曾德尔调制器实现。
6.如权利要求1～3任一项所述方法，其特征在于，所述光载波的波长可调谐。
7.一种基于混频的相干光接收机参数测量装置，其特征在于，包括：
检测信号生成单元，用于将光载波分为两路，对其中一路进行移频操作，得到移频光载波信号，用第一微波信号对另一路光载波进行电光强度调制，得到载波抑制的光双边带信号，并将所述移频光载波信号和载波抑制的光双边带信号分别输入相干光接收机的两个输入端口；
混频器，用于将所述相干光接收机的每一路输出信号分别与一个频率和所述移频操作的移频量相同的第二微波信号进行混频；
检测单元，用于提取出混频信号的幅度和相位信息，然后结合移频光载波信号、载波抑制的光双边带信号、第二微波信号这三个信号的幅度以及所使用混频器的传输函数，最后得到在该光载波波长下，所述相干光接收机每一路输出通道的幅度响应、相位响应。
8.如权利要求7所述装置，其特征在于，所述检测单元包括扫频控制模块，用于控制所述第一微波信号进行扫频操作，并在每个扫频频率点进行幅度响应、相位响应的检测，得到所述相干光接收机每一路输出通道的光谱矢量响应信息。
9.如权利要求7所述装置，其特征在于，所述检测单元包括差分幅相信息提取模块，用于根据相干光接收机每一路输出通道的幅度响应、相位响应，得到所述相干光接收机任意两路输出通道之间的差分幅相信息。
10.如权利要求7～9任一项所述装置，其特征在于，所述移频操作通过声光调制器实现。
11.如权利要求7～9任一项所述装置，其特征在于，所述电光强度调制通过马赫曾德尔调制器实现。
12.如权利要求7～9任一项所述装置，其特征在于，所述光载波的波长可调谐。
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