CN110113095A - 一种光延时测试装置与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例公开了一种光延时量测量装置,包括:光分路器,所述光分路器具有第一输入端、第一输出端和第二输出端,光信号从所述第一输入端输入,按一定分光比例分别送至第一输出端和第二输出端;光合路器;所述光合路器具有第二输入端、第三输入端和第三输出端,所述第二输入端和第三输入端的光信号按一定合光比例发生干涉并输出;光输入端,所述光输入端耦合到所述第一输入端;以及光输出端,所述光输出端耦合到所述第三输出端,其中所述光分路器的第一输出端耦合到所述光合路器的第二输入端,所述光分路器的第二输出端耦合到所述光合路器的第三输入端。
Description
技术领域
本发明涉及光信号处理技术领域,尤其涉及一种光延时测试装置与系统。
背景技术
可调光延时器是光控相控阵雷达的关键器件。为了适应高频段相控阵雷达的短延时应用需求,并满足其波束指向准确度,可调光延时器的最小延时量都很小,例如,1ps~100ps,并且延时精度要求非常高,一般1ps左右或以下。因此,高精度、低不确定度的延时测量方法和系统就非常必要,是进行光控波束网络器件研制的重要检测和辅助手段。
目前,光延时量测量方法一般可分为两类:时域法和频域法。时域法是利用宽带存储示波器的高速数据采集和存储能力,在时域上直接测量不同延时器的光延时。频域法是基于不同频率射频信号通过某一长度光延时后发生相等的延时量,因而不同频率射频信号经过该光延时后产生的相位变化是射频频率的线性函数的原理来间接测量光延时的,在测试时利用矢量网络分析仪的扫频特性,测得待测延时器件的相频特性曲线,再通过公式换算得出待测光延时器的延时量。
时域法测量光延时,受限于现有技术实时示波器的带宽(<100GHz),无法实现ps级高精度的延时量测量。利用矢量网络分析仪测延时器相频特性的间接延时量测量方法,受系统噪声、相位精确度等影响,延时测量误差也较大。
因此,本领域需要一种新型的光延时器的延时量测量装置和方法,通过该装置或方法至少部分地解决现有的光延时测量中存在的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供了一种光延时测量装置,具有结构简单紧凑,使用方便,抗环境干扰能力强,易于集成、延时测量精确等优点。
在本发明的一个实施例中,提供一种光延时量测量装置,包括:光分路器,所述光分路器具有第一输入端、第一输出端和第二输出端,光信号从所述第一输入端输入,按一定分光比例分别送至第一输出端和第二输出端;光合路器;所述光合路器具有第二输入端、第三输入端和第三输出端,所述第二输入端和第三输入端的光信号按一定合光比例发生干涉并输出;光输入端,所述光输入端耦合到所述第一输入端;以及光输出端,所述光输出端耦合到所述第三输出端,其中所述光分路器的第一输出端耦合到所述光合路器的第二输入端,所述光分路器的第二输出端耦合到所述光合路器的第三输入端,在延时量测试过程中,待测光延时器件被插入在所述第一输出端与所述第二输入端之间或者所述第二输出端与所述第三输入端之间,扣除待测光延时器件后,所述第一输出端至所述第二输入端的光程与所述第二输出端至所述第三输入端的光程相等。
在本发明的一个实施例中,所述待测光延时器件被插入在所述第一输出端与所述第二输入端之间,所述待测光延时器件的一端经由第一波导耦合到所述第一输出端,所述待测光延时器件的另一端经由第二波导耦合到所述第二输入端,所述第二输出端经由第三波导耦合到第三输入端,其中第一波导和第二波导的光程之和与第三波导的光程相等。
在本发明的一个实施例中,所述待测光延时器件被插入在所述第一输出端与所述第二输入端之间,所述待测光延时器件的一端直接耦合到所述第一输出端,所述待测光延时器件的另一端经由第二波导耦合到所述第二输入端,所述第二输出端经由第三波导耦合到第三输入端,其中第二波导的光程与第三波导的光程相等。
在本发明的一个实施例中,所述待测光延时器件被插入在所述第一输出端与所述第二输入端之间,所述待测光延时器件的一端经由第一波导耦合到所述第一输出端,所述待测光延时器件的另一端直接耦合到所述第二输入端,所述第二输出端经由第三波导耦合到第三输入端,其中第一波导的光程与第三波导的光程相等。
在本发明的一个实施例中,所述第一波导、第二波导和第三波导是无源波导。
在本发明的一个实施例中,所述分光比例和合光比例均为1:1。
在本发明的一个实施例中,提供一种光延时量测量系统,包括:光延时量测量装置;波长可调激光器,所述波长可调激光器耦合在所述光输入端,并提供波长可调的窄线宽激光器扫描输入光信号;以及光功率计,所述光功率计耦合到所述光输出端,用于测量输出光信号的光功率与光波长的关系。
在本发明的一个实施例中,提供一种光延时量测量系统,包括:光延时量测量装置;宽带光源,所述宽带光源耦合在所述光输入端,并提供宽带光信号;以及光谱仪,所述光谱仪耦合到所述光输出端,用于测量光输出端输出的光谱响应曲线。
在本发明的一个实施例中,提供一种光延时量测量系统,包括:光延时量测量装置;窄线宽激光器,所述窄线宽激光器输出单波长光信号;网络分析仪,所述网络分析仪输出频率扫描的射频信号;单边带电光强度调制器,所述单边带电光强度调制器分别与所述窄线宽激光器和网络分析仪相连,接收单波长光信号和频率扫描的射频信号,并且将频率扫描的射频信号调制到单波长光信号上,所述单边带电光强度调制器的输出端与所述光输入端耦合,并且所述光输入端提供调制后的光信号;光探测器,所述光探测器接收所述光输出端输出的光信号并将其转换为电信号,其中所述网络分析仪接收所述光探测器输出的电信号。
在本发明的一个实施例中,所述网络分析仪将所述电信号与自身输出的频率扫描的射频信号相比较,生成待测光延时器件的幅度-频率响应曲线。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征,将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解,这些附图只描绘本发明的典型实施例,因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中,为了清楚明了,相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出根据本发明的实施例的光延时长度测量装置100的结构示意图。
图2示出根据本发明的一个实施例的有限冲击响应光滤波器的频谱响应曲线。
图3示出根据本发明的实施例的光域扫描波长测延时量的系统300的框图。
图4示出根据本发明的实施例的光域宽带光源与光谱仪测延时量系统400的框图。
图5示出根据本发明的实施例的利用网络分析仪扫频测量幅频响应曲线的系统500的框图。
具体实施方式
在以下的描述中,参考各实施例对本发明进行描述。然而,本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中,未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地,为了解释的目的,阐述了特定数量、材料和配置,以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而,本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外,应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。
在本说明书中,对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
图1示出根据本发明的实施例的光延时长度测量装置100的结构示意图。如图1所示,光延时长度测量装置100可包括输入端101、光分路器102、光合路器103、波导104a、104b和105、待测光延时器件106以及输出端107。
在光延时长度测量装置100中,输入端101与光分路器102相耦合,光分路器102将输入光分为两路,分别称为上路和下路,待测光延时器件106耦合在上路或下路中,接入待测光延时器件106后,上路和下路再与光合路器103相耦合,光合路器103的合路输出端再与输出端107相耦合。扣除待测光延时器件106后,上路波导与下路波导的光程相等。
在本发明的一些实施例中,波导104a、104b和105可以是无源波导,其中波导104a和104b的光程之和与波导105的光程相等。例如,无源波导可以是硅基光波导。待测光延时器件106可以是具有光传播和光延时特性的任何器件,例如,有源光波导、无源光波导等等。在图1所示的实施例中,待测光延时器件106耦合在波导104a和104b之间。然而,本领域的技术人员应该理解,在待测光延时器件106所在的光路中,可仅包括一根波导,换言之,待测光延时器件106可耦合在光分路器102的一个输出端与波导104a之间,或者,待测光延时器件106可耦合在波导104b与光合路器103的一个输入端与之间。
以上描述了光分路器102的上路和下路中包含的波导的几种示例实施例,本领域的技术人员应该理解,本发明的保护范围不限于此,光分路器102的上路和下路可以不包含任何波导,只要扣除待测光延时器件106后,上路与下路的光程相等即可;或者光分路器102的上路和下路可以包含更多段波导,扣除待测光延时器件106后,上路波导的光程和与下路波导的光程和相等。
输入端101和输出端107可以是光栅耦合器结构或锥形的模式变换波导结构。
光分路器102和光合路器103实现光信号的分路和合路。光分路器102具有一个输入端和两个输出端,光信号从输入端输入,被按一定比例分别送至两个输出端。光分路器102的分光比例可以是任意数,例如,可以是1:1或10:1等等。在本发明的优选实施例中,光分路器102的分光比例为1:1,此时,谐振频率处陷波最深,便于读取自由频谱宽度数值。
光合路器103与光分路器102的结构类似,具有一个输出端和两个输入端,两个输入端的光信号在光合路器103处发生干涉并输出。光合路器103的合光比例可以是任意数,例如,可以是1:1或10:1等等。在本发明的优选实施例中,光合路器103与光分路器102的合光/分光比例为1:1,此时,谐振频率处陷波最深,便于读取自由频谱宽度数值。
另外,在光延时长度测量装置100中,输入端101和输出端107可调换使用,此时,原光分路器102作为光合路器,而原光合路器103作为光分路器。
本发明公开的光延时长度测量装置100的另一个优点是,该光延时测试结构可以全部做在一个平面波导回路(Planar Lightwave Circuit)芯片内部,也可以不全做在同一个芯片内,例如,由多个分离的器件组装完成。
本发明的实施例公开的光延时长度测量装置也可被看成一个有限冲击响应(Finite Impulse Response)光滤波器,光信号经由光分路器后分为上下两路,其中一路沿参考波导传输,另一路经过延时器件,最终两路光信号在光合路器处发生干涉并输出,不同的延时量可以获得不同的滤波特性。对于有限冲击响应光滤波器,仅靠延时产生相位差,影响滤波特性的参数只有延时量。这种滤波器的频谱响应曲线是周期性的,一个周期即自由谱宽度FSR(Free Spectrum Range)。图2示出根据本发明的一个实施例的有限冲击响应光滤波器的频谱响应曲线。自由频谱宽度是它频谱响应的频率周期。自由频谱宽度(赫兹,Hz)与待测延时量(秒,s)刚好互为倒数,因此,可以通过频域测出其FSR,换算得出待测光延时的延时量。
光合路器103与光分路器102的分光/合光比例会影响到图2中所示的陷波频率处的陷波深度,但只要能读出陷波频率,对自由谱宽度的测量影响较小。因此,光合路器103与光分路器102的分光/合光比例可以是任意数值。在本发明的优选实施例中,考虑到仪器分辨率和误差,为了使陷波波长更清晰,光合路器103与光分路器102的合光/分光比例优选为1:1,此时,谐振频率处陷波最深,便于读取自由频谱宽度数值。
下面结合图3至图5详细介绍如何获取光延时长度测量装置的自由频谱宽度。一般而言,可以在光域或电域测量光延时长度测量装置输出信号的自由频谱宽度。
图3示出根据本发明的实施例的光域扫描波长测延时量的系统300的框图。系统300通过扫描光波长测光功率来获得光延时的延时长度。
如图3所示,系统300包括波长可调激光器310、光延时长度测量装置320以及光功率计330。光延时长度测量装置320与图1所示的光延时长度测量装置类似,因此为了简化说明书,不再重复描述。波长可调激光器310的输出端与光延时长度测量装置320的输入端耦合。波长可调激光器310可向光延时长度测量装置320的输入端提供波长可调的窄线宽激光器扫描输入光信号。在光延时长度测量装置320中,输入端与光分路器相耦合,光分路器将输入光分为两路,分别称为上路和下路,待测光延时器件耦合在上路或下路中,接入待测光延时器件后,上路和下路再与光合路器相耦合,光合路器的合路输出端再与输出端相耦合。扣除待测光延时器件后,上路波导与下路波导的光程相等。光延时长度测量装置320的输出端耦合到光功率计330。光功率计330额定波长范围应覆盖输出光信号的光波段。波长可调激光器310提供的输入光信号波长首先要适应该系统所有器件的可用波段,例如,如果光分路器在1520~1570nm内有效,则输入光信号就不应扫描到1520~1570nm以外。另外,输入光信号的波长范围、波长扫描间隔要和该系统光谱响应的FSR相适应。例如,波长范围大小要至少大于1个FSR;波长扫描间隔会影响到测量精度,间隔太大,测量误差大,间隔太小,误差小但耗时久,也可能受到激光器本身的扫波长步长指标的限制。在本发明的示例实施例中,波长扫描间隔建议设置为FSR的1/100或更小。
波长可调激光器310提供的光信号,经过待测器件后,进入宽谱的光功率计330。光功率计330测出光功率与光波长的关系曲线数据。从数据中读出两个相邻的陷波光波长λ1、λ2,再通过公式(1)换算,得出待测光延时器件的延时长度。式(1)中c为光速。
图4示出根据本发明的实施例的光域宽带光源与光谱仪测延时量系统400的框图。系统400通过光谱仪显示待测光延时器件的光谱响应曲线来获得光延时的延时长度。
如图4所示,系统400包括宽带光源410、光延时长度测量装置420以及光谱仪430。光延时长度测量装置420与图1所示的光延时长度测量装置类似,因此为了简化说明书,不再重复描述。宽带光源410的输出端与光延时长度测量装置420的输入端耦合。宽带光源410可向光延时长度测量装置420的输入端提供宽带光信号在光延时长度测量装置420中,输入端与光分路器相耦合,光分路器将输入光分为两路,分别称为上路和下路,待测光延时器件耦合在上路或下路中,接入待测光延时器件后,上路和下路再与光合路器相耦合,光合路器的合路输出端再与输出端相耦合。扣除待测光延时器件后,上路波导与下路波导的光程相等。光延时长度测量装置420的输出端耦合到光谱仪430。宽带光源410给出的光信号谱宽和光谱仪430的测量谱宽均要足够宽,能测出至少两个陷波光波长。宽带光信号波长首先要适应该系统所有器件的可用波段,例如,如果光分路器在1520~1570nm内有效,则宽带光信号就不应在1520~1570nm以外。另外,宽带光信号的波长范围要和该系统光谱响应的FSR相适应。例如,波长范围大小要至少大于1个FSR。光谱仪的波长分辨率会影响到测量精度,波长分辨率太低,测量误差大,波长分辨率太高,误差小但耗时久。因此,可根据实际测量的误差允许范围,来确定光谱仪的波长分辨率。
宽带光源410提供的光信号,经过待测器件后,进入光谱仪430。光谱仪430显示待测器件的光谱响应曲线。从数据中可获取两个相邻的陷波光波长λ1、λ2,再通过上文中的公式(1)换算,得出待测待测光延时器件的延时长度。式(1)中c为光速。
图5示出根据本发明的实施例的利用网络分析仪扫频测量幅频响应曲线的系统500的框图。
如图5所示,系统500包括窄线宽激光器510、单边带电光强度调制器520、光延时长度测量装置530、光探测器540以及网络分析仪550。光延时长度测量装置530与图1所示的光延时长度测量装置类似,因此为了简化说明书,不再重复描述。窄线宽激光器510输出一个波长固定的单波长光信号作为光载波。严格来说,实际不存在一个单一波长的光信号,本发明所描述的单波长只是说明线宽很窄,如线宽在几十MHz以下。网络分析仪550输出一个频率扫描的射频信号,通过单边带电光强度调制器520调制到光载波上。网络分析仪550输出的扫频信号的频率范围要足够宽,使得能测出待测器件至少两个陷波频率。同样,网络分析仪550的频率扫描间隔会影响到测量精度,间隔太大,测量误差大,间隔太小,误差小但耗时久。实际测量时应综合待测延时量、期望测量精度来选择频率扫描间隔。
单边带电光强度调制器520的输出端与光延时长度测量装置530的输入端耦合。单边带电光强度调制器520可向光延时长度测量装置530的输入端提供调制后光信号。在光延时长度测量装置530中,输入端与光分路器相耦合,光分路器将输入光分为两路,分别称为上路和下路,待测光延时器件耦合在上路或下路中,接入待测光延时器件后,上路和下路再与光合路器相耦合,光合路器的合路输出端再与输出端相耦合。扣除待测光延时器件后,上路波导与下路波导的光程相等。光延时长度测量装置530的输出端耦合到光探测器540。
光延时长度测量装置530输出的光信号经过光探测器540转换为电信号,再送回至网络分析仪550。网络分析仪550比较自身的输出与输入信号,获得待测光延时器件的幅度-频率响应曲线。从该曲线中读出两个相邻的陷波频率f1、f2,此频率为射频频率,再通过公式(2)计算得待测光延时的延时长度。
尽管上文描述了本发明的多个实施例,但是,应该理解,它们只是作为示例来呈现的,而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是,可以对各个实施例做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此,此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制,而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
Claims (10)
1.一种光延时量测量装置,包括:
光分路器,所述光分路器具有第一输入端、第一输出端和第二输出端,光信号从所述第一输入端输入,按一定分光比例分别送至第一输出端和第二输出端;
光合路器;所述光合路器具有第二输入端、第三输入端和第三输出端,所述第二输入端和第三输入端的光信号按一定合光比例发生干涉并输出;
光输入端,所述光输入端耦合到所述第一输入端;以及
光输出端,所述光输出端耦合到所述第三输出端,
其中所述光分路器的第一输出端耦合到所述光合路器的第二输入端,所述光分路器的第二输出端耦合到所述光合路器的第三输入端,
在延时量测试过程中,待测光延时器件被插入在所述第一输出端与所述第二输入端之间或者所述第二输出端与所述第三输入端之间,扣除待测光延时器件后,所述第一输出端至所述第二输入端的光程与所述第二输出端至所述第三输入端的光程相等。
2.如权利要求1所述的光延时量测量装置,其特征在于,所述待测光延时器件被插入在所述第一输出端与所述第二输入端之间,所述待测光延时器件的一端经由第一波导耦合到所述第一输出端,所述待测光延时器件的另一端经由第二波导耦合到所述第二输入端,所述第二输出端经由第三波导耦合到第三输入端,其中第一波导和第二波导的光程之和与第三波导的光程相等。
3.如权利要求1所述的光延时量测量装置,其特征在于,所述待测光延时器件被插入在所述第一输出端与所述第二输入端之间,所述待测光延时器件的一端直接耦合到所述第一输出端,所述待测光延时器件的另一端经由第二波导耦合到所述第二输入端,所述第二输出端经由第三波导耦合到第三输入端,其中第二波导的光程与第三波导的光程相等。
4.如权利要求1所述的光延时量测量装置,其特征在于,所述待测光延时器件被插入在所述第一输出端与所述第二输入端之间,所述待测光延时器件的一端经由第一波导耦合到所述第一输出端,所述待测光延时器件的另一端直接耦合到所述第二输入端,所述第二输出端经由第三波导耦合到第三输入端,其中第一波导的光程与第三波导的光程相等。
5.如权利要求2至4中的任一项所述的光延时量测量装置,其特征在于,所述第一波导、第二波导和第三波导是无源波导。
6.如权利要求1所述的光延时量测量装置,其特征在于,所述分光比例和合光比例均为1:1。
7.一种光延时量测量系统,包括:
如权利要求1至6中的任一项所述的光延时量测量装置;
波长可调激光器,所述波长可调激光器耦合在所述光输入端,并提供波长可调的窄线宽激光器扫描输入光信号;以及
光功率计,所述光功率计耦合到所述光输出端,用于测量输出光信号的光功率与光波长的关系。
8.一种光延时量测量系统,包括:
如权利要求1至6中的任一项所述的光延时量测量装置;
宽带光源,所述宽带光源耦合在所述光输入端,并提供宽带光信号;以及
光谱仪,所述光谱仪耦合到所述光输出端,用于测量光输出端输出的光谱响应曲线。
9.一种光延时量测量系统,包括:
如权利要求1至6中的任一项所述的光延时量测量装置;
窄线宽激光器,所述窄线宽激光器输出单波长光信号;
网络分析仪,所述网络分析仪输出频率扫描的射频信号;
单边带电光强度调制器,所述单边带电光强度调制器分别与所述窄线宽激光器和网络分析仪相连,接收单波长光信号和频率扫描的射频信号,并且将频率扫描的射频信号调制到单波长光信号上,所述单边带电光强度调制器的输出端与所述光输入端耦合,并且所述光输入端提供调制后的光信号;
光探测器,所述光探测器接收所述光输出端输出的光信号并将其转换为电信号,
其中所述网络分析仪接收所述光探测器输出的电信号。
10.如权利要求9所述的光延时量测量系统,其特征在于,所述网络分析仪将所述电信号与自身输出的频率扫描的射频信号相比较,生成待测光延时器件的幅度-频率响应曲线。
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