CN108540219B - 一种基于移频调制的相干光接收机参数测量方法、装置 - Google Patents

一种基于移频调制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移频调制的相干光接收机参数测量方法。该方法将光载波分为两路，对其中一路进行光移频调制，并将所得到的移频调制信号与另一路光载波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通道，分别提取其输出信号的幅度和相位信息，并结合所述移频调制信号及另一路光载波的幅度，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移频调制的相干光接收机参数测量装置。相比现有技术，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

一种基于移频调制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，尤其涉及一种基于移频调制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。相干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。相干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，必须对相干光接收机的幅度、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，提供一种基于移频调制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：
一种基于移频调制的相干光接收机参数测量方法，将光载波分为两路，对其中一路进行光移频调制，并将所得到的移频调制信号与另一路光载波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通道，分别提取其输出信号的幅度和相位信息，并结合所述移频调制信号及另一路光载波的幅度，得到所述相干光接收机在该光载波波长下，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：对所述光移频调制的移频量进行扫频操作，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，所述光移频调制方法具体如下：将频率等于光移频调制的移频量的微波信号分为相位相差90°的两路，然后将这两路微波信号和一路光载波分别输入双平行马赫曾德尔调制器的两个微波信号输入端口和光信号输入端口；令所述双平行马赫曾德尔调制器工作于载波抑制的单边带调制状态，则该双平行马赫曾德尔调制器所输出调制信号即为所述移频调制信号。
进一步地，所述光移频调制方法还包括：对双平行马赫曾德尔调制器所输出调制信号进行带通滤波，滤除载波以及其中一边边带。
进一步地，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：
一种基于移频调制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，对其中一路进行光移频调制，并将所得到的移频调制信号与另一路光载波分别输入相干光接收机的两个输入端口；检测单元，用于对所述相干光接收机的每一路输出通道，分别提取其输出信号的幅度和相位信息，并结合所述移频调制信号及另一路光载波的幅度，得到所述相干光接收机在该光载波波长下，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，用于控制所述光移频调制的移频量进行扫频操作，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，所述检测信号生成单元包括：
光源，用于产生光载波；
光分路器，用于将光源产生的光载波分为两路，其中一路输入相干光接收机的其中一个输入端口；
微波源，用于输出频率等于光移频调制的移频量的微波信号；
90°微波电桥，用于将微波源输出的微波信号分为相位相差90°的两路；
双平行马赫曾德尔调制器，90°微波电桥输出的两路微波信号和光分路器输出的另一路光载波分别输入该双平行马赫曾德尔调制器的两个微波信号输入端口和光信号输入端口，且该双平行马赫曾德尔调制器工作于载波抑制的单边带调制状态。
进一步地，所述检测信号生成单元还包括对双平行马赫曾德尔调制器所输出调制信号进行滤波的带通滤波器，用于滤除载波以及另一个边带。
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；
图4为本发明测量装置另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调制的方式来生成检测光信号，从而来提高相干光接收机参数测量的精确度和测量效率。本发明测量方法具体如下：将光载波分为两路，对其中一路进行光移频调制，并将所得到的移频调制信号与另一路光载波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通道，分别提取其输出信号的幅度和相位信息，并结合所述移频调制信号及另一路光载波的幅度，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光移频调制的移频量进行扫频操作，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、微波源、光移频调制模块、光功率计、微波幅相接收模块和控制及数据处理单元。如图2所示，光源输出的光载波被光分束器分成两路，其中一路光载波输入至待测相干光接收机的本振信号端口(L端口)，作为本振光信号；通过光移频调制模块将微波源生成的微波信号调制于另一路光载波上，从而实现光移频调制，移频调制后产生的移频调制信号输入至待测相干光接收机的信号端口(S端口)，作为探测光信号，且移频量等于输入的微波信号频率；分别通过光功率计1、光功率2对输入L端口的光载波及输入S端口的移频调制信号进行光功率测量，并将测量结果发送至控制及数据处理单元；本振光信号与探测光信号经过待测相干光接收机，待测相干光接收机输出与所输入微波信号频率(等于移频量)一致的微波信号，且该微波信号携带有待测相干光接收机的光谱响应信息；利用幅相接收模块提取待测相干光接收机各路输出通道输出信号的幅度和相位信息，控制及数据处理单元依据所得到的幅度和相位信息，再结合两个光功率计所测得的光功率信息，可以获取在该光载波波长下，待测相干光接收机每一路输出通道的幅度和相位响应；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控制所述微波源扫频(即对光移频调制的移频量进行扫频操作)并重复上述过程，即可得到待测相干光接收机的光谱矢量响应信息。
为了便于对光移频调制的移频量进行扫频操作，本发明优选采用以下的光移频调制方法：将频率等于光移频调制的移频量的微波信号分为相位相差90°的两路，然后将这两路微波信号和一路光载波分别输入双平行马赫曾德尔调制器的两个微波信号输入端口和光信号输入端口；令所述双平行马赫曾德尔调制器工作于载波抑制的单边带调制状态，则该双平行马赫曾德尔调制器所输出调制信号即为所述移频调制信号。
图3显示了采用以上光移频调制方案的一个具体实施例。如图3所示，该实施例的测量装置包括：光源、偏置点控制器、双平行马赫曾德尔调制器、90°微波电桥、光分束器1～3、两个光功率计、幅相接收模块和控制及数据处理单元。如图3所示，光源输出的光载波通过光分束器1分成两路，一路作为光本振信号(EL)；另一路输入工作在抑制载波单边带调制状态的双平行马赫曾德尔调制器的光信号输入端口，微波源输出的微波信号被90°微波电桥分为相位相差90°的两路，分别输入双平行马赫曾德尔调制器的两个微波信号输入端口，偏置点控制器用于通过对偏置电压的调整实现对双平行马赫曾德尔调制器工作状态的控制；光分束器2将光本振信号分为两路，一路送入光功率计1进行光功率测量，另一路光本振信号送入本振输入口(L端口)中；光分束器3将双平行马赫曾德尔调制器输出的光检测信号分为两路，一路送入光功率计2进行光功率测量，另一路光光检测信号输入到待测相干光接收机的信号输入口(S端口)；在双平行马赫曾德尔调制器输出的光检测信号中，光载波(设其角频率为ω0)以及一个边带被抑制，此信号(ES)与光本振信号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，幅相接收模块用来接收并提取相干接收机输出信号的幅度与相位信息。
假定光源输出光载波为：
其中E0表示光载波的幅度大小，ω0表示光载波的角频率。
经过双平行马赫曾德尔调制器后，生成载波及一边边带被抑制的单边带光信号，该光信号记作E1，根据Jacobi-Anger expansion公式可以简化为
其中ω0、ωe分别是光源输出光载波和微波源输出微波信号的角频率，β为双平行马赫曾德尔调制器的调制系数，J+1(β)表示正一阶贝塞尔函数在β处的值。
输入到相干光接收机的光信号分别为：
进入相干光接收机后，输入到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，R(ω)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。
因此，待测相干光接收机输出的微波信号携带了待测相干光接收机传输函数的信息。通过幅相接收模块可获得待测相干光接收机输出微波信号的幅度和相位信息。由于载频ω0是固定的，AL、AS可由光功率1以及光功率计2得到，为已知常数，所以可得：
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端口的移频调制光信号的幅度，E(ωe)为检测到待测相干光接收机输出微波信号的幅度和相位信息。同时也可以测出任意两路输出信号之间的相位差。
需要说明的是，本发明技术方案中的光本振信号与光检测信号的位置可以互换，即可以将光检测信号输入到待测相干光接收机L端口，将光本振信号输入待测相干光接收机S端口，并不会对测量结果产生影响。
在图3的实施例中，测量范围会受限于90°微波电桥的频率范围，为此，可以在双平行马赫曾德尔调制器后加入一个光滤波器，以提高扫频频率范围。如图4所示，本实施例在双平行马赫曾德尔调制器后加入一个带通滤波器，其余部分与图3所示测量装置相同。由于90°微波电桥有频率的限制，当频率过高时光移频调制模块无法生成移频信号，因此可以使用一个光带通滤波器用于滤除载波以及其中一个边带，以生成所需的移频信号。
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)

1.一种基于移频调制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，对其中一路进行光移频调制，并将所得到的移频调制信号与另一路光载波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通道，分别提取其输出信号的幅度和相位信息，并结合所述移频调制信号及另一路光载波的幅度，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：对所述光移频调制的移频量进行扫频操作，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，所述光移频调制方法具体如下：将频率等于光移频调制的移频量的微波信号分为相位相差90°的两路，然后将这两路微波信号和一路光载波分别输入双平行马赫曾德尔调制器的两个微波信号输入端口和光信号输入端口；令所述双平行马赫曾德尔调制器工作于载波抑制的单边带调制状态，则该双平行马赫曾德尔调制器所输出调制信号即为所述移频调制信号。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述光移频调制方法还包括：对双平行马赫曾德尔调制器所输出调制信号进行带通滤波，滤除载波以及其中一边边带。
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。
7.一种基于移频调制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，对其中一路进行光移频调制，并将所得到的移频调制信号与另一路光载波分别输入相干光接收机的两个输入端口；
检测单元，用于对所述相干光接收机的每一路输出通道，分别提取其输出信号的幅度和相位信息，并结合所述移频调制信号及另一路光载波的幅度，得到在该光载波波长下，所述相干光接收机在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，用于控制所述光移频调制的移频量进行扫频操作，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，所述检测信号生成单元包括：
光源，用于产生光载波；
光分路器，用于将光源产生的光载波分为两路，其中一路输入相干光接收机的其中一个输入端口；
微波源，用于输出频率等于光移频调制的移频量的微波信号；
90°微波电桥，用于将微波源输出的微波信号分为相位相差90°的两路；
双平行马赫曾德尔调制器，90°微波电桥输出的两路微波信号和光分路器输出的另一路光载波分别输入该双平行马赫曾德尔调制器的两个微波信号输入端口和光信号输入端口，且该双平行马赫曾德尔调制器工作于载波抑制的单边带调制状态。
11.如权利要求10所述装置，其特征在于，所述检测信号生成单元还包括对双平行马赫曾德尔调制器所输出调制信号进行滤波的带通滤波器，用于滤除载波以及其中一边边带。
12.如权利要求10所述装置，其特征在于，所述光源的输出波长可调谐。
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