CN108449132B - 一种高精度可调光滤波器波长调谐量的测量方法 - Google Patents

一种高精度可调光滤波器波长调谐量的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高精度可调光滤波器波长调谐量的测量方法，可解决现有波长调谐量测量系统灵敏度和精度较低、测量结果的稳定性不高的问题。本发明通过高精度可调光滤波器波长调谐量的测量装置，利用微波光子技术和色散光纤放大由于光载波波长变化而引起的光载微波相位的变化，实现可调光滤波器波长调谐量的测量，该方法具有测量灵敏度可调、精度高、测量方法简单的优点。

Description

一种高精度可调光滤波器波长调谐量的测量方法
技术领域
本发明属于超小波长移动量的可调光滤波器的滤波性能测试电子测量领域，特别是涉及一种高精度可调光滤波器波长调谐量的测量方法。
背景技术
在全光网络中,光滤波器是实现光波分复用的重要器件，作为其中的一个分支,可调谐光滤波器技术的研究与应用一直是一个非常引人瞩目的课题，由于可调光滤波器具用控制简单调制电压低、光衰减范围大和连续可调等特点，在未来的光通信系统中有很好的应用前景。
高精度的可调光滤波器在光频梳的产生，微波光子单边带调制，微波光子鉴频等领域有广泛的应用。在这些应用中需要可调光滤波器的中心波长分辨率在0.01nm以下，而光谱仪等常用的光学波长测量仪器和方法无法测量小于0.01nm以下的光波长的变化。
本发明提出了一种利用微波光子技术和色散光纤放大由于光载波波长变化而引起的光载微波相位的变化来实现可调光滤波器波长调谐量的测量，该测量系统的波长移动量分辨率可通过改变信号源的频率以及色散光纤的长度和选用色散系数大的色散光纤来任意调节，并且采用微波IQ混频器进行直接信号解调，该方法具有测量灵敏度可调、精度高、测量方法简单等特点。
发明内容
本发明要解决的技术问题克服现有的缺陷，提出一种新的测量可调光滤波器波长移动量的方法和装置，该测量系统的波长移动量分辨率可通过改变信号源的频率和色散光纤的长度，以及选用色散系数大的色散光纤来任意调节，测量系统波长分辨率可低于0.0004nm，该测量系统采用微波IQ混频器进行直接信号解调，波长移动量的测量结果具有极高的稳定性。
为解决上述技术问题本发明采用的的技术方案如下：本发明通过采用一种高精度可调光滤波器波长调谐量的测量方法和装置，其硬件平台包括消偏ASE宽带光源、待测可调光滤波器、光纤起偏器、光调制器控制电路、强度型光调制器、色散光纤、光电探测器、低噪放、微波信号源、微波功分器、IQ混频器、信号处理及显示模块，信号处理及显示模块通过硬件平台采集到电压数据，并将采集到的电压数据传送给单片机，单片机通过一系列的算法对电压信号进行分析和处理，得到待测可调光滤波器的波长移动量。
所述消偏宽带ASE光源输出的光经待测可调光滤波器后进入光纤起偏器变为偏振光，该偏振光经过强度型光调制器后经色散光纤进入光电探测器中，调制器控制电路的输出信号实时调节强度型光调制器的工作点使其始终处于线性调制范围内，信号源输出的微波信号经功分器后分为两路微波信号，一路微波信号加载到强度型光调制器上，将该微波信号调制到光波上而输出一光载微波信号，该光载微波信号经过色散光纤后，光载微波信号的相位会随着待测可调光滤波器输出波长的变化而变化，色散光纤的输出光入射到高速光电探测器上，光电探测器将光信号转换成微波信号，并经低噪放放大后进入IQ混频器的微波输入端，功分器的另一路微波信号进入混频器的本振输入端，混频器的输出为一直流电压信号，该直流电压信号进入信号处理及显示模块进行数据处理，并将待光滤波器的波长最小可移动量通过显控系统显示。
为解决上述技术问题本发明采用的的技术方案，进一步阐述本发明采用的工作原理，本发明提出的可调光滤波器波长移动量测量系统的原理如下：
微波信号在色散光纤中传输，当可调光滤波器的输出波长发生移动时，波长的变化在光载微波信号经过一段色散光纤后会导致微波信号的相位发生变化，根据混频器检测到的光载微波相位的变化量就可以得到可调光滤波器的波长移动量。假设一长为L的色散光纤的色散系数为D(ps/km/nm)，可调光滤波器的波长移动量为Δλ，则微波信号的相位
Figure BDA0001600280280000021
随可调光滤波器波长的变化量而变化关系为
Figure BDA0001600280280000022
假设信号源输出信号的频率为f，该信号经功分器201后得到两个相同的微波信号，其中一路作为本振信号直接进入混频器202的本振输入端，该信号可表示为：
Figure BDA0001600280280000023
Vo为信号幅值，
Figure BDA0001600280280000024
为信号的初相位。该微波信号通过强度型光调制器调制到光域后经过待测可调光滤波器，由于可调光滤波器的波长变化，导致高速光电探测器107输出的信号可表示为：
Figure BDA0001600280280000031
该微波信号进入IQ混频器后，混频器将该信号分为两路，一路信号作为I路输入微波信号与本振信号进行混频，另一路信号经过90度相移后作为Q路输入微波信号也与本振信号进行混频，则I路输出信号可表示为：
Figure BDA0001600280280000032
Q路输出信号可表示为：
Figure BDA0001600280280000033
将混频器输出的两路直流信号相除可得：
Figure BDA0001600280280000034
由此，可得可调光滤波器的波长移动量为：
Figure BDA0001600280280000035
由上式可知，根据混频器输出的直流分量的大小和光路中色散光纤的长度及色散系数就可得到可调光滤波器的波长移动量。如果选用的微波信号的频率为40GHz，色散光纤的色散系数为-150ps/km/nm，色散光纤的长度为1km，由于混频器的相位测量灵敏度为10，则可以得到本发明提出的可调光滤波器的波长移动分辨率可达0.0004nm，远高于现有的光谱仪等波长变化量测量仪器或系统的波长分辨率精度。
本发明中色散光纤需要进行如下处理来提高系统的测量准确度：
①根据波长移动量测量的精度和范围利用公式
Figure BDA0001600280280000036
计算出测试系统所需色散光纤的长度；
②将色散光纤绕制在铝骨架上，利用成熟的光纤陀螺环绕制工艺将色散光纤进行绕环处理，并且在保证光损耗的情况下使得色散光纤环的内径尽可能小。绕制完毕后对光纤环灌注导热胶水，提高整个色散光纤环的热传到能力；对于色散系数为150ps/km/nm，长度为1km的色散光纤来说，绕制的光纤环的外径可小于10cm，高度可小于1.5cm，这就有利于对色散光纤环进行温度管理，避免在测量过程中由于温度的变化对色散光纤环的折射率和长度产生影响而影响测量结果；
③灌注导热胶水后，待胶水完全固化后将铝骨架拆解，然后将绕制好的色散光纤环放置在一个隔热容器或小型恒温容器中。
本发明的有益效果在于：通过计算微波光子技术和色散光纤放大时由于光载波波长变化而引起的光载微波相位的变化，来实现可调光滤波器波长调谐量的测量。相对传统的测量方案，该方法具有测量灵敏度可调、精度高、测量方法简单等优点，该测量系统的波长移动量分辨率可通过改变信号源的频率以及色散光纤的长度和选用色散系数大的色散光纤任意调节，测量系统波长分辨率可低于0.0004nm，同时采用微波IQ混频器进行直接信号解调，波长移动量的测量结果具有极高的稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明高精度可调光滤波器波长调谐量的测量系统框架示意图；
附图中：
101：消偏ASE宽带光源 102：待测可调光滤波器 103：光纤起偏器
104：光调制器控制电路 105：强度型光调制器 106：色散光纤
107：光电探测器 108：低噪放 109：微波信号源
201：微波功分器 202：IQ混频器 203：信号处理及显示模块
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种高精度可调光滤波器波长调谐量的测量方法和装置，利用微波光子技术和色散光纤放大由于光载波波长变化而引起的光载微波相位的变化来实现可调光滤波器波长调谐量的测量；该测量系统的波长移动量分辨率可通过改变信号源的频率以及色散光纤的长度和选用色散系数大的色散光纤任意调节，同时采用微波IQ混频器进行直接信号解调。
如图1所示，所述一种高精度可调光滤波器波长调谐量的测量方法和装置，其硬件平台包括，其硬件平台包括消偏ASE宽带光源(101)、待测可调光滤波器(102)、光纤起偏器(103)、光调制器控制电路(104)、强度型光调制器(105)、色散光纤(106)、光电探测器(107)、低噪放(108)、微波信号源(109)、微波功分器(201)、IQ混频器(202)、信号处理及显示模块(203)。
所述消偏宽带ASE光源(101)输出的光经待测可调光滤波器(102)后进入光纤起偏器(103)变为偏振光，所述偏振光经过强度型光调制器(105)后经色散光纤(106)进入光电探测器(107)中，所述强度型光调制器(105)工作点的输出信号被调制器控制电路(104)实时地调节并始终处于线性调制范围内，所述信号源(109)输出的微波信号经功分器(201)后分为两路微波信号，所述功分器(201)的一路微波信号加载到强度型光调制器(105)上，将该微波信号调制到光波上再输出一光载微波信号，所述该光载微波信号经过色散光纤(106)后，所述光载微波信号的相位会随着待测可调光滤波器输出波长的变化而变化，所述色散光纤(106)的输出光入射到高速光电探测器(107)上，所述光电探测器(107)将光信号转换成微波信号并经低噪放(108)放大后进入IQ混频器(202)的微波输入端，所述功分器(201)的另一路微波信号进入混频器(202)的本振输入端，所述混频器(202)的输出为一直流电压信号，所述直流电压信号进入信号处理及显示模块(203)进行数据处理并将待光滤波器的波长最小可移动量通过显控系统显示，所述信号处理及显示模块(203)通过硬件平台采集到电压数据，再传送给单片机，所述单片机通过一系列的算法对电压信号进行分析和处理，得到待测可调光滤波器的波长移动量。
本发明提出的可调光滤波器波长移动量测量系统采用的工作原理包括如下：
微波信号在色散光纤中传输，当可调光滤波器的输出波长发生移动时，波长的变化在光载微波信号经过一段色散光纤后会导致微波信号的相位发生变化，根据混频器检测到的光载微波相位的变化量就可以得到可调光滤波器的波长移动量。
假设一长为L的色散光纤的色散系数为D(ps/km/nm)，可调光滤波器的波长移动量为Δλ，则微波信号的相位
Figure BDA0001600280280000061
随可调光滤波器波长的变化量而变化关系为
Figure BDA0001600280280000062
假设信号源输出信号的频率为f，该信号经功分器201后得到两个相同的微波信号，其中一路作为本振信号直接进入混频器202的本振输入端，该信号可表示为：
Figure BDA0001600280280000063
Vo为信号幅值，
Figure BDA0001600280280000064
为信号的初相位。该微波信号通过强度型光调制器调制到光域后经过待测可调光滤波器，由于可调光滤波器的波长变化，导致高速光电探测器107输出的信号可表示为：
Figure BDA0001600280280000065
该微波信号进入IQ混频器后，混频器将该信号分为两路，一路信号作为I路输入微波信号与本振信号进行混频，另一路信号经过90度相移后作为Q路输入微波信号也与本振信号进行混频，则I路输出信号可表示为：
Figure BDA0001600280280000066
Q路输出信号可表示为：
Figure BDA0001600280280000067
将混频器输出的两路直流信号相除可得：
Figure BDA0001600280280000068
Figure BDA0001600280280000071
由此，可得可调光滤波器的波长移动量为：
Figure BDA0001600280280000072
由上式可知，根据混频器输出的直流分量的大小和光路中色散光纤的长度及色散系数就可以得到可调光滤波器的波长移动量。如果选用的微波信号的频率为40GHz，色散光纤的色散系数为-150ps/km/nm，色散光纤的长度为1km，由于混频器的相位测量灵敏度为10，则得到本发明提出的可调光滤波器的波长移动分辨率可达0.0004nm，远高于现有的光谱仪等波长变化量测量仪器或系统的波长分辨率精度。
本发明中色散光纤需要进行如下处理来提高系统的测量准确度：
①根据波长移动量测量的精度和范围利用公式
Figure BDA0001600280280000073
计算出测试系统所需色散光纤的长度；
②将色散光纤绕制在铝骨架上，利用成熟的光纤陀螺环绕制工艺将色散光纤进行绕环处理，并且在保证光损耗的情况下使得色散光纤环的内径尽可能小。绕制完毕后对光纤环灌注导热胶水，提高整个色散光纤环的热传导能力；对于色散系数为150ps/km/nm，长度为1km的色散光纤来说，绕制的光纤环的外径可小于10cm，高度可小于1.5cm，这就有利于对色散光纤环进行温度管理，避免在测量过程中由于温度的变化对色散光纤环的折射率和长度产生影响而影响测量结果；
③灌注导热胶水后，待胶水完全固化后将铝骨架拆解，然后将绕制好的色散光纤环放置在一个隔热容器或小型恒温容器中。
本可调光滤波器波长移动量测量系统的工作流程如下：
上电后，调制器驱动板通过程序自动控制强度型光调制器工作在线性工作点，调制器工作点确定后，将信号源打开，将待测可调光滤波器的波长移动一个最小值，系统的显示模块将实时显示当前可调光滤波器的波长移动量。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于高精度可调光滤波器波长调谐量测量装置的测量方法，其特征在于具体测量原理如下：
微波信号在色散光纤中传输，当可调光滤波器(102)的输出波长发生移动时，波长的变化在光载微波信号经过一段色散光纤后会导致微波信号的相位发生变化，根据混频器(202)检测到的光载微波相位的变化量就可以得到可调光滤波器(102)的波长移动量，假设一长为L的色散光纤的色散系数为D(ps/km/nm)，可调光滤波器(102)的波长移动量为Δλ，则微波信号的相位
Figure FDA0002657163650000016
随可调光滤波器波长的变化量而变化关系为
Figure FDA0002657163650000017
假设信号源输出信号的频率为f，该信号经功分器(201)后得到两个相同的微波信号，其中一路作为本振信号直接进入混频器(202)的本振输入端，该信号可表示为：
Figure FDA0002657163650000011
Vo为信号幅值，
Figure FDA0002657163650000012
为信号的初相位，该微波信号通过强度型光调制器(105)调制到光域后经过待测可调光滤波器，由于可调光滤波器(102)的波长变化，导致高速光电探测器(107)输出的信号可表示为：
Figure FDA0002657163650000013
该微波信号进入IQ混频器(202)后，混频器将该信号分为两路，一路信号作为I路输入微波信号与本振信号进行混频，另一路信号经过90度相移后作为Q路输入微波信号也与本振信号进行混频，则I路输出信号可表示为：
Figure FDA0002657163650000014
Q路输出信号可表示为：
Figure FDA0002657163650000015
Figure FDA0002657163650000021
将混频器输出的两路直流信号相除可得：
Figure FDA0002657163650000022
由此，可得可调光滤波器的波长移动量为：
Figure FDA0002657163650000023
由上式可知，根据混频器输出的直流分量的大小和光路中色散光纤的长度及色散系数就可以得到可调光滤波器的波长移动量，如果选用的微波信号的频率为40GHz，色散光纤的色散系数为-150ps/km/nm，色散光纤的长度为1km，由于混频器的相位测量灵敏度为1°，则得到可调光滤波器的波长移动分辨率可达0.0004nm，远高于现有的光谱仪等波长变化量测量仪器或系统的波长分辨率精度。
2.根据权利要求1所述的一种基于高精度可调光滤波器波长调谐量测量装置的测量方法，其特征在于，色散光纤需要进行如下处理来提高系统的测量准确度：
①根据波长移动量测量的精度和范围利用公式
Figure FDA0002657163650000024
计算出测试系统所需色散光纤的长度；
②将色散光纤绕制在铝骨架上，利用成熟的光纤陀螺环绕制工艺将色散光纤进行绕环处理，并且在保证光损耗的情况下使得色散光纤环的内径尽可能小，绕制完毕后对光纤环灌注导热胶水，提高整个色散光纤环的热传导能力；对于色散系数为150ps/km/nm，长度为1km的色散光纤来说，绕制的光纤环的外径可小于10cm，高度可小于1.5cm，这就有利于对色散光纤环进行温度管理，避免在测量过程中由于温度的变化对色散光纤环的折射率和长度产生影响而影响测量结果；
③灌注导热胶水后，待胶水完全固化后将铝骨架拆解，然后将绕制好的色散光纤环放置在一个隔热容器或小型恒温容器中。
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