CN109238658B - 光延迟器件的延迟参数的测量方法 - Google Patents

光延迟器件的延迟参数的测量方法 Download PDF

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Abstract

光延迟器件的延迟参数的测量方法，旨在于提供一种能够满足任意波长、测量系统简单、测量范围大、测量精度高的需求。测量基于移频外差干涉装置，在该装置中窄线宽激光器输出的光载波通过光分束器送入外差干涉仪的两臂，上臂经过光移频器进行频移，下臂经过待测光延迟器件进行延迟，两臂的光信号在外差干涉仪的末端通过光合束器合束后，送入到光电探测器检测，转换为电信号，并输入到信号分析与处理模块进行处理，得到光电流的功率谱密度函数，利用功率谱密度函数中参考移频频率同侧出现的第一个和第二个谷值所对应的频率，可以计算得到外差干涉仪两臂的相对光延迟时间，然后去掉待测光延迟器件，将光分束器的输出端下臂和光合束器的输入端下臂直接光连接，重复实验操作，计算得到无待测光延迟器件时外差干涉仪两臂的相对光延迟时间，将得到的两个相对光延迟时间相减即为待测光延迟器件的绝对光延迟时间。

Description

光延迟器件的延迟参数的测量方法
技术领域
本发明属于光学技术领域中的测量技术，具体涉及光延迟器件的延迟参数的测量方法。
背景技术
光延迟器件由于其具有高精度延迟、高可靠性、低插入损耗等优点，而被广泛应用于高速光通信系统中。在波分复用系统中，光延迟时间与通信带宽、误码率等相关重要参数密切相关。在光控相控阵天线系统中，精确的光延迟时间测量用来控制特定传输方向的传输信号的延迟。并且在光延迟器件的研制过程中，精确的测量光延迟时间，能够更好地帮助其实现光延迟性能。因此简单且精确的光延迟器件的延迟参数的测量方法在高速光通信系统中尤为重要。
目前光延迟器件的延迟参数的测量方法主要有电学方法和光学方法。电学方法主要是基于矢量网络分析仪或示波器的测量方法，矢量网络分析仪测量的是连续波信号通过被测件时的群时延(D.Ballo,“Measuring Absolute Group Delay of MultistageConverters,”Microwave Conference,2003,European.IEEE,2003:89-92.)，由于其具有相位测量能力，它可以测得被测件的相频响应，通过对相频响应曲线求微分就可以直接测得被测件的时延特性，可以测量线性和变频器件，测量的不确定度比较低，但是整个实验系统比较复杂。示波器测量的是连续波、脉冲或已调信号通过被测件时的时延(万力劢,“基于示波器的调制系统时延测量,”国外电子测量技术,2013,32(5):34-36.)，但是无法对失真大的被测件进行时延测量。而传统的光学测量方法主要是利用干涉，采用各种光学干涉仪，形成干涉条纹，通过测量光程的改变量，从而得到光延迟时间，但是这种测量系统主要依赖于精密调整光程，测量误差较大。另外一种是光学自相关方法测量光延迟时间，采用自相关仪，测量的是相对光延迟时间，并且测量光延迟时间的范围受限于相关仪的量程，大约在ps量级，μs量级的光延迟就不能进行测量(王竞,李建中,温伟峰,“利用自相关方法实现光脉冲时间延迟精确测量,”中国光学,2015,8(2):270-276.)。
发明内容
为了解决以上电学方法系统复杂，光学方法测量范围小、误差大的问题，本发明旨在提供一种简单、易操作、可测绝对光延迟时间的方法，测量范围比较大，并且测量的不确定度较低。
本发明的光延迟器件的延迟参数的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：构建测量装置。所用到的移频外差干涉仪包括窄线宽激光器、外差干涉仪、光电探测器和信号分析与处理模块，所述窄线宽激光器、外差干涉仪和光电探测器依次光连接，所述光电探测器与信号分析与处理模块电连接，所述外差干涉仪包括光分束器、光移频器、待测光延迟器件和光合束器，所述光分束器的输出端上臂、所述光移频器和所述光合束器的输入端上臂依次光连接，所述光分束器的输出端下臂、所述待测光延迟器件和所述光合束器的输入端下臂依次光连接；
步骤2：在干涉仪中将窄线宽激光器输出的波长为λ0的光载波通过光分束器送入外差干涉仪的两臂，上臂经过光移频器进行频移，移频频率为f0，下臂经过待测光延迟器件进行延迟，两臂的光信号在外差干涉仪的末端通过光合束器合束后，送入到光电探测器检测，转换为电信号，并输入到信号分析与处理模块，得到光电流的功率谱密度函数中参照移频频率f0同侧出现的第一个谷值对应的频率f11和第二个谷值对应的频率f21，计算此时的外差干涉仪两臂的相对光延迟时间τ1，计算公式为
Figure GDA0002774379860000021
步骤3：去掉外差干涉仪中的待测光延迟器件，将光分束器的输出端下臂与光合束器的输入端下臂直接光连接，重复步骤1的测试，同样得到光电流的功率谱密度函数中参照移频频率f0同侧出现的第一个谷值对应的频率f12和第二个谷值对应的频率f22，计算此时的外差干涉仪两臂的相对光延迟时间τ2，计算公式为
Figure GDA0002774379860000031
步骤4：计算τ1-τ2得到待测光延迟器件的绝对光延迟时间；
步骤5：改变窄线宽激光器的波长λ0，重复步骤2～步骤4，即可得到不同波长下的待测光延迟器件的绝对光延迟时间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中外差干涉仪两臂的相对光延迟时间只要小于激光器的相干时间，就可以形成相干结构，测量所有满足条件的光纤、光波导或者其他光学元件的绝对光延迟时间。而所用的窄线宽激光器线宽可达kHz量级甚至更小，相干时间就很长，所能测量的光延迟时间范围就很大，并且测量结构简单，不需要矢量网络分析仪等复杂的仪器操作，提高测量的灵活性。
本发明把对光延迟时间的测量转换为对谷值点对应频率的测量，由于频率测量的准确度远高于时间、相位、光程改变量等参数的测量，相应地提高了光延迟时间测量的准确度和可靠性。
本发明采用外差干涉仪结构，避免了测试链路中的不稳定和非线性效应的影响。
附图说明
图1为本发明的光延迟器件的延迟参数的测量方法；
图2为利用信号分析与处理模块得到的有待测光延迟器件时的光电流的功率谱密度函数；
图3为利用信号分析与处理模块得到的去掉待测光延迟器件时的光电流的功率谱密度函数。
其中附图1标记：1-窄线宽激光器、2-光分束器、3-光移频器、4-待测光延迟器件、5-光合束器、6-外差干涉仪、7-光电探测器、8-信号分析与处理模块。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，光延迟器件的延迟参数的测量方法基于移频外差干涉装置，包括窄线宽激光器、外差干涉仪、光电探测器和信号分析与处理模块，所述窄线宽激光器、外差干涉仪和光电探测器依次光连接，所述光电探测器与信号分析与处理模块电连接，所述外差干涉仪包括光分束器、光移频器、待测光延迟器件和光合束器，所述光分束器的输出端上臂、所述光移频器和所述光合束器的输入端上臂依次光连接，所述光分束器的输出端下臂、所述待测光延迟器件和所述光合束器的输入端下臂依次光连接。
本发明的光延迟器件的延迟参数的测量原理及方法如下：
窄线宽激光器输出的光载波为：
Figure GDA0002774379860000041
式中，t是时间，j是复数，E0是光载波的振幅，ω0是光载波的角频率。该光载波通过光分束器送入外差干涉仪的两臂，上臂经过光移频器进行频移，移频频率为Ω；下臂经过待测光延迟器件进行延迟，要求外差干涉仪两臂的相对光延迟时间小于激光器的相干时间，从而形成干涉结构；此时外差干涉仪两臂的相对光延迟时间为τ1，两臂的光信号在外差干涉仪的末端通过光合束器合束后得到移频外差后的光场，表示为：
Figure GDA0002774379860000051
然后将得到的光场送入光电探测器中转换为电信号，将转化后的电信号通过信号分析与处理模块，得到光电流的功率谱密度函数，表示为：
Figure GDA0002774379860000052
式中，P0是光电探测器探测得到的光功率，τc是窄线宽激光器的相干时间，ω是测量的频率，δ函数是冲击函数；
对光电流的功率谱密度函数进行化简，令α＝2τ1/τc，θ＝(ω-Ω)·τ1，则功率谱密度函数可以表示为：
Figure GDA0002774379860000053
通过计算可以得到化简后的功率谱密度函数第一和第二个谷值分别对应的横坐标θ，表示为：
Figure GDA0002774379860000054
令m＝1和2，对应ω1和ω2，即光电流功率谱密度函数中参照移频频率f0同侧出现的第一个谷值对应的角频率和第二个谷值对应的角频率，联立方程，可以计算得到此时外差干涉仪两臂的相对光延迟时间τ1，计算公式为：
Figure GDA0002774379860000055
式中，f11和f21分别是实验获得的光电流功率谱密度函数中参照移频频率f0同侧出现的第一个谷值对应的频率和第二个谷值对应的频率，f0是光移频器的移频频率。
以上装置外差干涉仪中，去掉待测光延迟器件，将光分束器的输出端下臂与光合束器的输入端下臂直接光连接，重复以上步骤的测试，实验得到此时光电流功率谱密度函数中参照移频频率f0同侧出现的第一个谷值对应的频率f12和第二个谷值对应的频率f22，计算此时的外差干涉仪两臂的相对光延迟时间τ2，计算公式为：
Figure GDA0002774379860000061
最后将两个相对光延迟时间相减，即τ1-τ2，即可得到待测光延迟器件的绝对光延迟时间。
实施例
窄线宽激光器输出的光载波通过光分束器送入外差干涉仪的两臂，上臂经过光移频器进行频移，下臂经过待测光延迟器件进行延迟，两臂的光信号在外差干涉仪的末端通过光合束器合束后，得到移频外差后的光场，然后送入光电探测器中光电转换后形成电信号，将转化后的电信号通过信号分析与处理模块，测量获得光电流的功率谱密度函数中参照移频频率f0同侧出现的第一和第二个谷值对应的频率，带入公式(6)即可计算得到此时外差干涉仪两臂的相对光延迟时间。去掉待测光延迟器件，按照以上步骤重复实验操作，获得相应光电流的功率谱密度函数中参照移频频率f0同侧出现的第一和第二个谷值对应的频率，利用公式(7)计算得到无待测光延迟器件时外差干涉仪两臂的相对光延迟时间，将两个相对光延迟时间相减，即可得到待测光延迟器件的绝对光延迟时间。
窄线宽激光器的线宽为1kHz，输出光载波的波长λ0为1550.036nm，激光器的理论相干时间τc为3.1800×10-4s，光移频器采用的是一个移频量f0为70MHz的声光移频器。
设置待测光延迟器件为单模光纤，长度为10m，外差干涉仪末端输出的光信号经过光电探测后，利用信号分析与处理模块得到光电流的功率谱密度函数，如图2所示，实验测量得到功率谱密度函数中参照移频频率f0右侧出现的第一和第二个谷值对应的频率分别为f11＝77.3397MHz和f21＝84.6154MHz，代入公式(6)可得此时外差干涉仪两臂的相对光延迟时间τ1＝1.3704×10-7s。去掉待测单模光纤后，如图3所示，实验测量得到功率谱密度函数中参照移频频率f0右侧出现的第一和第二个谷值对应的频率分别为f12＝81.4423MHz和f22＝92.9808MHz，带入公式(7)可得τ2＝8.6908×10-8s，则待测光延迟器件单模光纤的绝对光延迟时间为τ＝τ1-τ2＝5.0132×10-8s。
设置待测光延迟器件为硅波导，长度为1cm，外差干涉仪末端输出的光信号经过光电探测后，利用信号分析与处理模块得到光电流的功率谱密度函数，实验测量得到功率谱密度函数中参照移频频率f0右侧出现的第一和第二个谷值对应的频率分别为f11＝149.26700MHz和f21＝228.53328MHz，代入公式(6)可得τ1＝1.2616×10-8s，去掉待测硅波导后，同样得到τ2＝1.2500×10-8s，则待测光延迟器件硅波导的绝对光延迟时间为τ＝τ1-τ2＝1.16×10-10s。

Claims (3)

1.光延迟器件的延迟参数的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：本测量方法的测量装置是基于移频外差干涉仪的，其包括窄线宽激光器(1)、外差干涉仪(6)、光电探测器(7)和信号分析与处理模块(8)，所述窄线宽激光器(1)、外差干涉仪(6)和光电探测器(7)依次光连接，所述光电探测器(7)与信号分析与处理模块(8)电连接，所述外差干涉仪(6)包括光分束器(2)、光移频器(3)、待测光延迟器件(4)和光合束器(5)，所述光分束器(2)的输出端上臂、所述光移频器(3)和所述光合束器(5)的输入端上臂依次光连接，所述光分束器(2)的输出端下臂、所述待测光延迟器件(4)和所述光合束器(5)的输入端下臂依次光连接；
步骤2：在外差干涉仪中将窄线宽激光器(1)输出的波长为λ0的光载波通过光分束器(2)送入外差干涉仪(6)的两臂，上臂经过光移频器(3)进行频移，移频频率为f0，下臂经过待测光延迟器件(4)进行延迟，两臂的光信号在外差干涉仪(6)的末端通过光合束器(5)合束后，送入到光电探测器(7)检测，转换为电信号，并输入到信号分析与处理模块(8)，得到光电流的功率谱密度函数的第一个谷值对应的频率f11和第二个谷值对应的频率f21，计算此时的外差干涉仪(6)两臂的相对光延迟时间τ1，计算公式为
Figure FDA0002774379850000011
步骤3：去掉外差干涉仪(6)中的待测光延迟器件(4)，将光分束器(2)的输出端下臂与光合束器(5)的输入端下臂直接光连接，重复步骤2的测试，同样得到光电流的功率谱密度函数的第一个谷值对应的频率f12和第二个谷值对应的频率f22，计算此时的外差干涉仪(6)两臂的相对光延迟时间τ2，计算公式为
Figure FDA0002774379850000012
步骤4：计算τ1-τ2得到待测光延迟器件(4)的绝对光延迟时间；
步骤5：改变窄线宽激光器(1)的波长λ0，重复步骤2～步骤4，即可得到不同波长下的待测光延迟器件(4)的绝对光延迟时间。
2.根据权利要求1所述的光延迟器件的延迟参数的测量方法，其特征在于：窄线宽激光器(1)的相干时间要大于外差干涉仪(6)两臂的相对光延迟时间。
3.根据权利要求1所述的光延迟器件的延迟参数的测量方法，其特征在于：第一个谷值和第二个谷值分布在移频频率f0的同侧。
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