CN109728862A - 基于双频调制的相干光接收机参数测量方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双频调制的相干光接收机参数测量方法，包括以下步骤：步骤1、将光载波分为两路；步骤2、分别使用角频率为ω₁的第一微波信号和角频率为ω₂的第二微波信号对两路光载波进行电光强度调制，得到两路载波抑制的光双边带信号，并将此两路信号分别输入到待测相干光接收机的两个输入口；步骤3、对于待测相干光接收机的每一路输出信号，分别测出其中包含ω₂+ω₁分量以及ω₂‑ω₁分量的幅度和相位信息；步骤4、计算出待测相干光接收机每一路输出通道在ω₂+ω₁频率处的幅度和相位的频率响应。本发明还公开了一种基于双频调制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

基于双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、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。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。相干光接收机的基本结构如图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范围，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，提供一种基于双频调制的相干光接收机参数测量方法、装置，能够大幅拓展测量范围，提高测量精度和测量效率。

本发明的基于双频调制的相干光接收机参数测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将光载波分为两路；

步骤2、分别使用角频率为ω₁的第一微波信号和角频率为ω₂的第二微波信号对两路光载波进行电光强度调制，得到两路载波抑制的光双边带信号，并将此两路信号分别输入到待测相干光接收机的两个输入口，其中，ω₂>ω₁；

步骤3、对于待测相干光接收机的每一路输出信号，分别测出其中包含ω₂+ω₁分量以及ω₂-ω₁分量的幅度和相位信息；

步骤4、利用以下公式计算出待测相干光接收机每一路输出通道在ω₂+ω₁频率处的幅度和相位的频率响应R(ω₂+ω₁)：

其中i(ω₂+ω₁)和i^*(ω₂-ω₁)分别为待测相干光接收机输出的角频率为ω₂+ω₁的光电流和角频率为ω₂-ω₁的光电流的共轭，R^*(ω₂-ω₁)为已校准的待测相干光接收机在ω₂-ω₁处的幅度和相位的频率响应的共轭，为已知项。

进一步地，步骤4中还包括：根据待测相干光接收机每一路输出通道的幅度和相位的频率响应，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。

进一步地，该方法还包括：

步骤5、控制第一微波信号和第二微波信号以恒定的角频率差ω₂-ω₁进行扫频，并在每个频点重复步骤1～步骤4，得到待测相干光接收机每一路输出通道的频谱响应。

优选地，所述电光强度调制通过工作在最小传输点状态的马赫-曾德尔调制器实现。

本发明基于双频调制的相干光接收机参数测量装置，包括：

光载波单元，用于生成光载波并将其分为两路；

微波源，用于生成角频率为ω₁的第一微波信号和角频率为ω₂的第二微波信号，其中，ω₂>ω₁；

调制单元，用于分别使用第一微波信号和第二微波信号对两路光载波进行电光强度调制，得到两路载波抑制的光双边带信号，并将此两路信号分别输入到待测相干光接收机的两个输入口；

微波幅相接收及数据处理单元，用于测量待测相干光接收机的每一路输出信号中所包含ω₂+ω₁分量以及ω₂-ω₁分量的幅度和相位信息，并利用以下公式计算出待测相干光接收机每一路输出通道在ω₂+ω₁频率处的幅度和相位的频率响应R(ω₂+ω₁)：

其中i(ω₂+ω₁)和i^*(ω₂-ω₁)分别为待测相干光接收机输出的频率为ω₂+ω₁的光电流和频率为ω₂-ω₁的光电流的共轭，R^*(ω₂-ω₁)为已校准的待测相干光接收机在ω₂-ω₁处的幅度和相位的频率响应的共轭，为已知项。

进一步地，所述微波幅相接收及数据处理单元还用于根据待测相干光接收机每一路输出通道的幅度和相位的频率响应，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。

进一步地，该装置还包括：

控制及处理单元，用于控制第一微波信号和第二微波信号以恒定的角频率差ω₂-ω₁进行扫频，并根据每个频点的频率响应，得到待测相干光接收机每一路输出通道的频谱响应。

优选地，所述调制单元包括两个工作在最小传输点状态的马赫-曾德尔调制器。

相比现有技术，本发明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度和相位的频率响应(简称幅相响应)以及任意两路输出通道之间的差分幅相信息进行高分辨率测量，且可测量的频率范围比现有技术有大幅扩展；本发明还具有结构简单、测试效率高的优点。

附图说明

图1为相干光接收机的结构原理示意图；

图2为本发明测量装置的结构示意图。

具体实施方式

针对现有技术的不足，本发明的思路是利用双频率调制并进行同步扫频的方式来检测光信号，从而简化测量系统，提高测量范围和准确度，同时提高测量效率。本发明测量方法具体如下：将光载波分为两路，分别使用频率为ω₁的第一微波信号和频率为ω₂的第二微波信号(假设ω₂>ω₁)对两路光波进行电光强度调制，得到两路载波抑制的光双边带信号，将此两路载波抑制的光双边带信号分别输入待测相干光接收机的两个输入端口；分别测量待测相干光接收机的每一路输出信号中包含ω₂+ω₁分量以及ω₂-ω₁分量的幅度和相位信息，从而得到该相干光接收机的每一路通道的幅度响应和相位响应。

在此基础上对两个微波信号进行同步扫频，并在每个扫频频率点重复以上步骤，从而得到待测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，得到待测相干光接收机任意两路输出通道之间的差分幅相信息。

具体而言，本发明基于双频调制的相干光接收机参数测量装置，包括：

光载波单元，用于生成光载波并将其分为两路；

微波源，用于生成角频率为ω₁的第一微波信号和角频率为ω₂的第二微波信号，其中，ω₂>ω₁；

调制单元，用于分别使用第一微波信号和第二微波信号对两路光载波进行电光强度调制，得到两路载波抑制的光双边带信号，并将此两路信号分别输入到待测相干光接收机的两个输入口；

微波幅相接收及数据处理单元，用于测量待测相干光接收机的每一路输出信号中所包含ω₂+ω₁分量以及ω₂-ω₁分量的幅度和相位信息，并利用以下公式计算出待测相干光接收机每一路输出通道在ω₂+ω₁频率处的幅度和相位的频率响应R(ω₂+ω₁)：

其中i(ω₂+ω₁)和i^*(ω₂-ω₁)分别为待测相干光接收机输出的频率为ω₂+ω₁的光电流和频率为ω₂-ω₁的光电流的共轭，R^*(ω₂-ω₁)为已校准的待测相干光接收机在ω₂-ω₁处的幅度和相位的频率响应的共轭，为已知项。

上述装置中的各个功能部件可采用各种现有技术实现，其中，所述调制单元优选利用工作在最小传输点的马赫-曾德尔调制器实现，从而可产生载波抑制的双边带调制信号；所述微波幅度相位接收及数据处理单元优选采用幅相接收机(矢量网络分析仪)，它同时也可以用于微波信号的产生和控制。

为便于公众理解，下面以一个具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。

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、马赫曾德尔调制器和对应的偏置点控制器，幅相接收机以及控制及数据处理单元。光源输出的光载波被光分束器分成两路，每一路上均有一个马赫曾德尔调制器和对应的偏置点控制器，将微波源产生的两个微波信号分别强度调制于光载波上，得到两路载波抑制的光双边带调制信号，分别输入光相干接收机的两个输入端口——本振信号端口(L端口)和信号端口(S端口)。使用幅相接收机测得待测相干光接收机每一路输出端口微波信号的幅度和相位，并由数据处理单元计算得到待测相干光接收机每一个输出的频率响应。对两个微波信号进行同步扫频，即可得到待测相干光接收机每一个输出的频谱响应曲线。

假定由激光器输出光信号为

E_in＝E₀exp(iω_ct) (1)

其中E0表示光载波的幅度大小，ω_c表示光载波的角频率，i为虚数单位。

经过光分束器后，上下两路分别输入至马赫-曾德尔调制器，假设加载在射频端口的微波信号频率分别为ω₁和ω₂,两个微波信号可分别表示为：

E_RF1＝E₁sin(ω₁t) (2)

E_RF2＝E₂sin(ω₂t+φ) (3)

其中E₁和E₂分别为两个微波信号的幅度大小，φ为两者的初始相位差。

通过调节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，两个调制器分别输出载波抑制的光双边带调制信号，第一个调制器的输出信号可表示为：

其中J_m(·)表示第一类m阶贝赛尔函数，β₁为所述第一个马赫-曾德尔调制器的调制系数。

其±1阶边带分别表示为：

ω_c+ω₁:-2E₀J₁(β₁)exp[i(ω_c+ω₁)t] (5)

ω_c-ω₁:-2E₀J_-1(β₁)exp[i(ω_c-ω₁)t] (6)

第二个调制器的输出信号可表示为：

其中J_n(·)表示第一类n阶贝赛尔函数，β₂为所述第二个马赫-曾德尔调制器的调制系数。

其±1阶边带分别表示为：

ω_c+ω₂:-2E₀J₁(β₂)exp[i(ω_c+ω₂)t+iφ] (8)

ω_c-ω₂:-2E₀J_-1(β₂)exp[i(ω_c-ω₂)t-iφ] (9)

所述两路信号分别输入进待测相干光接收机的本振信号端口(L端口)和信号端口(S端口)，在任一输出端口都能够得到ω₂+ω₁和ω₂-ω₁两个频率的微波信号，即光电流。假设待测相干光接收机某一输出端口在ω₂+ω₁和ω₂-ω₁两个频率处的响应函数分别为R(ω₂+ω₁)和R(ω₂-ω₁)则，得到的微波信号可表示为：

可以得到

令ω₂-ω₁保持不变，即两个射频信号的频率差固定，R^*(ω₂-ω₁)即为常数，通过两个微波信号的同步扫频得到i(ω₂+ω₁)和i^*(ω₂-ω₁)的变化曲线即可求得待测相干光接收机某一输出通道的频谱响应。重复相同方法即可求得所有4个输出通道的频谱响应。同时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。

Claims (8)

1.基于双频调制的相干光接收机参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将光载波分为两路；

步骤2、分别使用角频率为ω₁的第一微波信号和角频率为ω₂的第二微波信号对两路光载波进行电光强度调制，得到两路载波抑制的光双边带信号，并将此两路信号分别输入到待测相干光接收机的两个输入口，其中，ω₂>ω₁；

步骤3、对于待测相干光接收机的每一路输出信号，分别测出其中包含ω₂+ω₁分量以及ω₂-ω₁分量的幅度和相位信息；

步骤4、利用以下公式计算出待测相干光接收机每一路输出通道在ω₂+ω₁频率处的幅度和相位的频率响应R(ω₂+ω₁)：

其中i(ω₂+ω₁)和i^*(ω₂-ω₁)分别为待测相干光接收机输出的角频率为ω₂+ω₁的光电流和角频率为ω₂-ω₁的光电流的共轭，R^*(ω₂-ω₁)为已校准的待测相干光接收机在ω₂-ω₁处的幅度和相位的频率响应的共轭，为已知项。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤4中还包括：根据待测相干光接收机每一路输出通道的幅度和相位的频率响应，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。

3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，还包括：

步骤5、控制第一微波信号和第二微波信号以恒定的角频率差ω₂-ω₁进行扫频，并在每个频点重复步骤1～步骤4，得到待测相干光接收机每一路输出通道的频谱响应。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述电光强度调制通过工作在最小传输点状态的马赫-曾德尔调制器实现。

5.基于双频调制的相干光接收机参数测量装置，其特征在于，包括：

光载波单元，用于生成光载波并将其分为两路；

微波源，用于生成角频率为ω₁的第一微波信号和角频率为ω₂的第二微波信号，其中，ω₂>ω₁；

调制单元，用于分别使用第一微波信号和第二微波信号对两路光载波进行电光强度调制，得到两路载波抑制的光双边带信号，并将此两路信号分别输入到待测相干光接收机的两个输入口；

微波幅相接收及数据处理单元，用于测量待测相干光接收机的每一路输出信号中所包含ω₂+ω₁分量以及ω₂-ω₁分量的幅度和相位信息，并利用以下公式计算出待测相干光接收机每一路输出通道在ω₂+ω₁频率处的幅度和相位的频率响应R(ω₂+ω₁)：

其中i(ω₂+ω₁)和i^*(ω₂-ω₁)分别为待测相干光接收机输出的角频率为ω₂+ω₁的光电流和角频率为ω₂-ω₁的光电流的共轭，R^*(ω₂-ω₁)为已校准的待测相干光接收机在ω₂-ω₁处的幅度和相位的频率响应的共轭，为已知项。

6.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述微波幅相接收及数据处理单元还用于根据待测相干光接收机每一路输出通道的幅度和相位的频率响应，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。

7.如权利要求5或6所述装置，其特征在于，该装置还包括：

控制及处理单元，用于控制第一微波信号和第二微波信号以恒定的角频率差ω₂-ω₁进行扫频，并根据每个频点的频率响应，得到待测相干光接收机每一路输出通道的频谱响应。

8.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述调制单元包括两个工作在最小传输点状态的马赫-曾德尔调制器。