CN110535527A - 相干光接收机的频谱响应测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相干光接收机的频谱响应测量方法。使用角频率为Δω和ω_e的两路微波信号对两路同源光载波分别进行调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ω_e<Δω；将载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号分别输入待测相干光接收机的两个输入端口，并测量出待测相干光接收机的每一路输出信号中的Δω+ω_e分量和Δω‑ω_e分量；根据测得数据计算出待测相干光接收机每一路输出端口在Δω+ω_e和Δω‑ω_e角频率处的频率响应。本发明还公开了一种相干光接收机的频谱响应测量装置。本发明可突破电光器件带宽的限制，将相干光接收机频率响应的测量范围提升一倍，提高了测量效率，降低测量时间和测量成本。

Description

相干光接收机的频谱响应测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种相干光接收机的频谱响应测量方法及装置，属于光电器件测量和微波光子学相交叉的技术领域。

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。对相干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。

中国发明专利CN 201810335344公开了《一种基于移频调制的相干光接收机参数测量方法、装置》，其利用光移频调制，与光载波拍频，通过光移频量的扫频进而完成对相干光接收机幅度和相位响应的高精度测量；中国发明专利CN 201810330924公开了《一种基于混频的相干光接收机参数测量方法、装置》，其利用光移频与抑制载波的光双边带调制技术，实现微波光子混频来进行相干光接收机的测量。

上述现有技术中，《一种基于移频调制的相干光接收机参数测量方法、装置》的局限性在于其测量带宽受限于移频调制装置的带宽；《一种基于混频的相干光接收机参数测量方法、装置》的频率响应测量带宽受限于现有电光调制器的带宽。现有成熟商用的电光调制器的3dB模拟带宽仅为25GHz，这使得频率响应测量带宽一般仅能达到25GHz。然而，现有成熟的商用相干光接收机的3dB模拟带宽是光电调制器的两倍以上。该技术难以获得带宽大于50GHz相干光接收机的频率响应。

因此，如何突破电光器件带宽的限制，以实现相干光接收机的大带宽测量，成为一个亟待解决的问题。

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，提供一种相干光接收机的频谱响应测量方法，可突破电光器件带宽的限制，将相干光接收机频率响应的测量范围提升一倍，提高了测量效率，降低测量时间和测量成本。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种相干光接收机的频谱响应测量方法，使用角频率为Δω和ω_e的两路微波信号对两路同源光载波分别进行载波抑制光单边带调制和载波抑制光双边带调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ω_e＜Δω；将载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号分别输入待测相干光接收机的两个输入端口，并测量出待测相干光接收机的每一路输出信号中的Δω+ω_e分量和Δω-ω_e分量，分别记作i(Δω+ω_e)和i(Δω-ω_e)；利用以下公式计算出待测相干光接收机每一路输出端口在Δω+ω_e和Δω-ω_e角频率处的频率响应R(Δω+ω_e)和R(Δω-ω_e)：

式中，P₁、P₂分别为所述载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号的光功率。

进一步地，该方法还包括：在DC～Δω范围内改变ω_e，并测量出待测相干光接收机每一路输出端口相应的频率响应R(Δω+ω_e)和R(Δω-ω_e)，从而得到待测相干光接收机每一路输出端口在DC～2Δω频率范围内的频谱响应。

进一步地，该方法还包括：通过同时测得的相干光接收机任意两路输出端口的频率响应，得到消除了环境扰动所引入相位抖动条件下的待测相干光接收机这两路输出端口的不平衡度。

优选地，利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器和光带通滤波器实现所述载波抑制光单边带调制；利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器实现所述载波抑制光双边带调制。

优选地，使用幅相接收机测量出待测相干光接收机的每一路输出信号中的Δω+ω_e分量和Δω-ω_e分量。

根据相同发明思路还可以得到以下技术方案：

一种相干光接收机的频谱响应测量装置，包括：

电光调制单元，用于使用角频率为Δω和ω_e的两路微波信号对两路同源光载波分别进行载波抑制光单边带调制和载波抑制光双边带调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ω_e＜Δω；

光功率测量单元，用于测量所述载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号的光功率P₁、P₂；

微波信号测量单元，用于测量待测相干光接收机的每一路输出信号中的Δω+ω_e分量和Δω-ω_e分量，分别记作i(Δω+ω_e)和i(Δω-ω_e)；

控制及处理单元，用于利用以下公式计算出待测相干光接收机每一路输出端口在Δω+ω_e和Δω-ω_e角频率处的频率响应R(Δω+ω_e)和R(Δω-ω_e)：

进一步地，控制及处理单元还用于控制ω_e在DC～Δω范围内改变，并根据待测相干光接收机每一路输出端口相应的频率响应R(Δω+ω_e)和R(Δω-ω_e)，得到待测相干光接收机每一路输出端口在DC～2Δω频率范围内的频谱响应。

进一步地，控制及处理单元还用于通过同时测得的相干光接收机任意两路输出端口的频率响应，得到消除了环境扰动所引入相位抖动条件下的待测相干光接收机这两路输出端口的不平衡度。

优选地，所述电光调制单元利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器和光带通滤波器实现所述载波抑制光单边带调制；利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器实现所述载波抑制光双边带调制。

优选地，所述微波信号测量单元使用幅相接收机测量出待测相干光接收机的每一路输出信号中的Δω+ω_e分量和Δω-ω_e分量。

本发明可对相干光接收机每一路输出通道的幅相频谱响应进行高分辨率和高精度测量，还可通过同时测得的相干光接收机任意两路输出端口的频率响应，得到消除了环境扰动所引入相位抖动条件下的待测相干光接收机这两路输出端口的不平衡度。由于通过上、下变频信号提取出的频谱响应信息在整个频谱上为互补关系，因此可以实现频率响应测量带宽两倍于电光调制器带宽的相干光接收机频谱响应测量，突破电光器件带宽的限制，将相干光接收机频率响应的测量范围提升一倍，提高了测量效率，降低测量时间和测量成本。

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抑制载波的光单边带信号和抑制载波的光双边带信号进行混频，从而突破电光调制器带宽的限制，将相干光接收机频率响应的测量范围提升一倍，以提高测量效率，降低测量时间和测量成本。

本发明所提出的频谱响应测量方法具体如下：

使用角频率为Δω和ω_e的两路微波信号对两路同源光载波分别进行载波抑制光单边带调制和载波抑制光双边带调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ω_e＜Δω；将载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号分别输入待测相干光接收机的两个输入端口，并测量出待测相干光接收机的每一路输出信号中的Δω+ω_e分量和Δω-ω_e分量，分别记作i(Δω+ω_e)和i(Δω-ω_e)；利用以下公式计算出待测相干光接收机每一路输出端口在Δω+ω_e和Δω-ω_e角频率处的频率响应R(Δω+ω_e)和R(Δω-ω_e)：

式中，P₁、P₂分别为所述载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号的光功率。

在此基础上，可以在DC～Δω范围内改变ω_e，并测量出待测相干光接收机每一路输出端口相应的频率响应R(Δω+ω_e)和R(Δω-ω_e)，从而得到待测相干光接收机每一路输出端口在DC～2Δω频率范围内的频谱响应。也可以通过同时测得的相干光接收机任意两路输出端口的频率响应，得到消除了环境扰动所引入相位抖动条件下的待测相干光接收机这两路输出端口的不平衡度。

本发明所提出的频谱响应测量装置，包括：

电光调制单元，用于使用角频率为Δω和ω_e的两路微波信号对两路同源光载波分别进行载波抑制光单边带调制和载波抑制光双边带调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ω_e＜Δω；

光功率测量单元，用于测量所述载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号的光功率P₁、P₂；

微波信号测量单元，用于测量待测相干光接收机的每一路输出信号中的Δω+ω_e分量和Δω-ω_e分量，分别记作i(Δω+ω_e)和i(Δω-ω_e)；

控制及处理单元，用于利用以下公式计算出待测相干光接收机每一路输出端口在Δω+ω_e和Δω-ω_e角频率处的频率响应R(Δω+ω_e)和R(Δω-ω_e)：

以上各功能模块均可采用现有技术实现，例如，电光调制单元可利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器和光带通滤波器实现所述载波抑制光单边带调制，利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器实现所述载波抑制光双边带调制；或者利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器和受激布里渊散射效应实现所述载波抑制光单边带调制，利用工作在线性传输点的马赫曾德调制器和光带通滤波器实现所述载波抑制光双边带调制等。微波信号测量单元优选采用幅相接收机(矢量网络分析仪)，它同时也可以作为控制及处理单元。

为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

图2显示了本实施例测量装置的基本结构，如图2所示，其包括光源、光分束器、两个微波源、两个马赫曾德尔调制器和对应的偏置点控制器、光滤波器、两个光功率计、微波幅相接收机以及控制及处理单元。光源输出的光载波被光分束器分成两路，第一条光路上有一个马赫曾德尔调制器和对应的偏置点控制器，将第一个微波源产生的微波信号强度调制于光载波上，得到抑制载波的光双边带调制信号，接着经过光带通滤波器，得到抑制载波的光单边带信号，并由一个光功率计测量其功率。第二条光路上同样有一个马赫曾德尔调制器和对应的偏置点控制器，将第二个微波源产生的微波信号强度调制于光载波上，得到抑制载波的光双边带信号，并由第二个光功率计测量其功率。这两路信号分别输入待测相干光接收机的两个输入端口，使用幅相接收机测得相干光接收机输出端的光电流信号的幅度和相位，并由控制及处理单元计算得到待测相干光接收机的频率响应。对第二个微波信号进行扫频，即可得到待测相干光接收机的频谱响应曲线。根据同时测得的相干光接收机任意两路输出端口的频率响应，可得到消除了环境扰动所引入相位抖动条件下的待测相干光接收机这两路输出端口的不平衡度。

假定由激光器输出光信号为

E_in＝E_cexp(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。

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Δω和ω_e,两个微波信号可分别表示为：

E_RF1＝E₁sin(Δωt) (2)

E_RF2＝E₂sin(ω_et+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。

经过光分束器后，下路输出至马赫-曾德尔调制器，假设加载在射频端口的微波信号频率为ω_e,且偏置点控制器控制调制器工作在最小传输点，则调制器输出抑制载波的光双边带信号，可表示为：

E_upper(t)＝E_uJ_-1[β(ω_e)]exp[i(ω_c-ω_e)t]+E_uJ₊₁[β(ω_e)]exp[i(ω_c+ω_e)t] (4)

其中，E_u为调制器输出的抑制载波的光双边带调制信号±1阶边带的幅度，β为马赫-曾德尔调制器的调制系数，J_n(·)表示第一类n阶贝赛尔函数，i为虚数单位。

经过光分束器后，上路同样输入工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器，加载在射频端口的微波信号频率为Δω，输出的抑制载波的光双边带信号经过光带通滤波器后，其－1阶边带被滤除，剩下+1阶边带的输出信号为：

两路光信号分别输入待测相干光接收机的两个输入端口。其中下路E_upper(t)输入相干光接收机的S端口，上路E_lower(t)输入相干光接收机的L端口。

输入到待测相干光接收机内光电探测器的信号分别为：

其中，和分别是相干光接收机中90°光耦合器引入的相移量，理想情况下分别为0°，90°，180°和270°。

拍频产生的光电流信号，即Δω+ω_e分量可表示为：

拍频产生的光电流信号，即Δω-ω_e分量可表示为：

其中，R_XI+(ω)，R_XQ+(ω)，R_XI–(ω)，R_XI–(ω)，R_YI+(ω)，R_YQ+(ω)，R_YI–(ω)和R_YI–(ω)，分别是相干光接收机中8个通道的光电探测器的频率响应函数。

由光功率计可探测上、下两条光路输出的光信号功率为P₁和P₂，鉴于下路光信号由正负一阶边带主导，调制器输出的光双边带调制信号正负一阶边带的功率值P_-1，P₊₁相等，因此

P_±1(ω)＝2|E_uJ_±1[β(ω)]|² (9)

其中P_±1(ω)指抑制载波的光双边带信号的功率随角频率ω变化的函数，有P_±1(ω)＝P₁且

抑制载波的光单边带信号功率为

P_carrier＝|E_l|²＝P₂ (10)

因此，可以获得待测相干光接收机每个通道的幅度和相位频率响应

还可以通过使用同时测量的相干光接收机两路信号中的Δω+ω_e分量和Δω-ω_e分量，来消除环境扰动所引入的相位抖动，从而精确获取这两个通道相频响应和幅频响应的不平衡度：

故对相干光接收机的任意一个输出通道，其频率响应R(Δω+ω_e)和R(Δω-ω_e)为

保持Δω不变，ω_e在DC～Δω范围内进行扫频，得到上、下变频两组频谱响应，其中下变频分量角频率Δω-ω_e测得的相干光接收机频谱响应角频率范围为DC～Δω，上变频分量角频率Δω+ω_e测得的相干光接收机频谱响应角频率范围为Δω～2Δω，将两者进行拼接即可得到待测相干光接收机在DC～2Δω角频率范围内的频谱响应。

Claims (10)

1.一种相干光接收机的频谱响应测量方法，其特征在于，使用角频率为Δω和ω_e的两路微波信号对两路同源光载波分别进行载波抑制光单边带调制和载波抑制光双边带调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ω_e＜Δω；将载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号分别输入待测相干光接收机的两个输入端口，并测量出待测相干光接收机的每一路输出信号中的Δω+ω_e分量和Δω-ω_e分量，分别记作i(Δω+ω_e)和i(Δω-ω_e)；利用以下公式计算出待测相干光接收机每一路输出端口在Δω+ω_e和Δω-ω_e角频率处的频率响应R(Δω+ω_e)和R(Δω-ω_e)：

式中，P₁、P₂分别为所述载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号的光功率。

2.如权利要求1所述相干光接收机的频谱响应测量方法，其特征在于，还包括：在DC～Δω范围内改变ω_e，并测量出待测相干光接收机每一路输出端口相应的频率响应R(Δω+ω_e)和R(Δω-ω_e)，从而得到待测相干光接收机每一路输出端口在DC～2Δω频率范围内的频谱响应。

3.如权利要求1或2所述相干光接收机的频谱响应测量方法，其特征在于，还包括：通过同时测得的相干光接收机任意两路输出端口的频率响应，得到消除了环境扰动所引入相位抖动条件下的待测相干光接收机这两路输出端口的不平衡度。

4.如权利要求1或2所述相干光接收机的频谱响应测量方法，其特征在于，利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器和光带通滤波器实现所述载波抑制光单边带调制；利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器实现所述载波抑制光双边带调制。

5.如权利要求1或2所述相干光接收机的频谱响应测量方法，其特征在于，使用幅相接收机测量出待测相干光接收机的每一路输出信号中的Δω+ω_e分量和Δω-ω_e分量。

6.一种相干光接收机的频谱响应测量装置，其特征在于，包括：

电光调制单元，用于使用角频率为Δω和ω_e的两路微波信号对两路同源光载波分别进行载波抑制光单边带调制和载波抑制光双边带调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ω_e＜Δω；

光功率测量单元，用于测量所述载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号的光功率P₁、P₂；

微波信号测量单元，用于测量待测相干光接收机的每一路输出信号中的Δω+ω_e分量和Δω-ω_e分量，分别记作i(Δω+ω_e)和i(Δω-ω_e)；

控制及处理单元，用于利用以下公式计算出待测相干光接收机每一路输出端口在Δω+ω_e和Δω-ω_e角频率处的频率响应R(Δω+ω_e)和R(Δω-ω_e)：

7.如权利要求6所述相干光接收机的频谱响应测量装置，其特征在于，控制及处理单元还用于控制ω_e在DC～Δω范围内改变，并根据待测相干光接收机每一路输出端口相应的频率响应R(Δω+ω_e)和R(Δω-ω_e)，得到待测相干光接收机每一路输出端口在DC～2Δω频率范围内的频谱响应。

8.如权利要求6或7所述相干光接收机的频谱响应测量装置，其特征在于，控制及处理单元还用于通过同时测得的相干光接收机任意两路输出端口的频率响应，得到消除了环境扰动所引入相位抖动条件下的待测相干光接收机这两路输出端口的不平衡度。

9.如权利要求6或7所述相干光接收机的频谱响应测量装置，其特征在于，所述电光调制单元利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器和光带通滤波器实现所述载波抑制光单边带调制；利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器实现所述载波抑制光双边带调制。

10.如权利要求6或7所述相干光接收机的频谱响应测量装置，其特征在于，所述微波信号测量单元使用幅相接收机测量出待测相干光接收机的每一路输出信号中的Δω+ω_e分量和Δω-ω_e分量。