CN110601754B - 一种基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置及方法 - Google Patents

一种基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置及方法，所述装置包括激光器，相位调制器，光学带通滤波器，待测器件，强度调制器，低速光电探测器，电压源，第一射频源，第二射频源，频谱仪。所述方法如下：激光进入相位调制器，由第一射频源输出的微波信号调制后，经带通滤波器产生光学单边带信号，通过待测器件后进入强度调制器，同时第二射频源输出与第一射频源频率相近的微波信号进入强度调制器，进一步调制后经低速光电探测器拍频产生两个同幅同相的低频信号，叠加后由频谱仪探测。本方法可通过检测固定低频处的响应来测试待测器件在一个频率范围内的器件响应；本发明具有测试系统复杂度低，损耗小，无需考虑信号干涉等优点。

Description

一种基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于微波光子下变频技术的无源光器件频谱响应测试装置及方法,属于微波光子学、下变频技术、低频检测技术领域。
背景技术
光无源器件，如微环谐振腔、可调光延时线、波导布拉格光栅等，已广泛应用于信息存储、生物医学、军事雷达等领域。为更好的将光无源器件投入应用，首先需测试其传输特性。考虑到波长扫描对激光器精度及稳定度要求较高、测试精度低，频率扫描测试因其精度更高、速度更快，更适于测试高Q值器件。当测试范围较大时，则需要宽带宽的光电探测器来响应。为了降低对光电探测器的带宽及响应速度要求，通过将下变频技术与微波光子测试结合起来，可有效解决这个问题。
目前，实现下变频主要有两种方案：串联链路、并联链路。其中串联链路可通过级联调制器实现；并联链路可通过调制器并联、双驱强度调制器、移频器实现。将下变频技术和微波光子测试结合起来的研究目前较少，报道过的方案均为通过并联链路实现，这种结构需要光耦合器将信号分为两路，使其中一路信号经过器件，同时两路信号由频率相近的射频调制，再经光耦合器合束，最后由光电探测器拍频产生低频信号；这种结构较为复杂，链路损耗较大，且合束时需考虑因残余光载波干涉引起的探测信号不稳定的问题。为了简化测试系统，降低插损，通过级联“调制器-器件-调制器”的方式，巧妙地将下变频技术与器件测试结合起来，既可通过扫频的方式测试器件，还可实现低频探测，降低了光电探测器的带宽及响应速度要求。
发明内容
本发明的目的是为了使目前基于微波光子下变频的测试系统的复杂度更低、插损更低、不受残余光载波的影响，提供了一种基于微波光子下变频技术的无源光器件频谱响应测试装置及方法，通过级联“调制器-器件-调制器”的方式，既可简化测试系统、降低链路损耗，还可实现器件响应的低频探测，降低了光电探测器的带宽及响应速度要求。
为了达到上述目的，本发明采用的方法是：一种基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置，包括激光器、相位调制器、第一射频源、可调谐带通滤波器、强度调制器、第二射频源、光电探测器、频谱仪；所述相位调制器的光输入端与激光器输出端相连相连，相位调制器的射频输入端与第一射频源的输出端相连；所述可调谐带通滤波器的输入端与相位调制器的输出端相连，可调谐带通滤波器的输出端与待测器件的输入端相连；所述强度调制器的光输入端与待测器件的输出端相连，强度调制器的射频输入端与第二射频源的输出端相连，强度调制器的光输出端与光电探测器的输入端相连；所述频谱仪的输入端与光电探测器的输出端相连。
本发明还公开了上述一种基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置的测试方法，包括如下步骤：
步骤一：采用激光器输出连续波经相位调制器的光输入端进入相位调制器，第一射频源输出的微波信号经相位调制器的射频输入端进入相位调制器；经相位调制器调制后的信号经可调谐带通滤波器产生仅含0阶及+1阶边带的光学单边带信号，
步骤二：光学单边带信号通过待测器件后进入强度调制器的光输入端；第二射频源输出与第一射频源频率相近的微波信号进入强度调制器的射频输入端；经强度调制器进一步调制后产生频率相近且携带待测器件传输特性的两组光边带；
步骤三：两组光边带由低速光电探测器拍频后，产生两个幅度相同且同相的低频信号，叠加后的信号由频谱仪探测；
步骤四：改变第一射频源和第二射频源的输出频率，且保持第一射频源和第二射频源输出信号的频率差固定，即可通过检测固定低频处的器件响应来得到待测光器件在这个频率范围内的频谱响应。
作为本发明的一种改进，所述的步骤一中，经相位调制器调制后的信号通过可调谐带通滤波器滤除负阶边带和+2阶以上的边带，得到仅含0阶及+1阶边带的光学单边带信号。
作为本发明的一种改进，步骤三中，光学单边带信号经过待测器件后进入强度调制器，通过直流偏压使强度调制器工作在正交偏置点，经第二射频源输出与第一射频源频率相近的信号进一步调制后，产生频率相近且携带待测器件传输特性的两组光边带。
有益效果：
(1)与现有技术相比，采用本发明通过级联“相位调制器-待测器件-强度调制器”有效的将下变频技术与微波光子测试结合起来；
(2)较通过并联结构实现的器件低频探测而言，避免了耦合器的使用，使得测试系统更为简单，损耗更低，且无需考虑残余光载波合束时引起的探测信号不稳定的问题。
附图说明
图1为本发明提供的基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置的结构示意图。
图2为本发明提供的基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试方法的边带示意图。
图3为本发明提供的基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置及方法测试窄带宽器件(微盘)的结果对比图。
图4为本发明提供的基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置及方法测试宽带宽器件(微环)的结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明提供的基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置的结构示意图，包括激光器1、相位调制器2、第一射频源3、可调谐带通滤波器4、强度调制器6、第二射频源7、光电探测器8、频谱仪9；所述相位调制器2的光输入端与激光器1输出端相连相连，相位调制器2的射频输入端与第一射频源3的输出端相连；所述可调谐带通滤波器4的输入端与相位调制器2的输出端相连，可调谐带通滤波器4的输出端与待测器件5的输入端相连；所述强度调制器6的光输入端与待测器件5的输出端相连，强度调制器6的射频输入端与第二射频源7的输出端相连，强度调制器6的光输出端与光电探测器8的输入端相连；所述频谱仪9的输入端与光电探测器8的输出端相连。
上述基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置的测试方法，包括以下的步骤：
激光器1输出的连续波进入相位调制器2，经第一射频源3输出的射频信号调制后生成光学双边带信号，通过可调谐带通滤波器4滤除负阶边带和+2阶以上的边带，得到仅有0阶和+1阶边带的光学单边带信号，
该光学单边带信号经过待测器件5后进入强度调制器6，通过直流偏压使强度调制器工作在正交偏置点，经第二射频源7输出与第一射频源3频率相近的信号进一步调制后，产生频率相近且携带待测器件传输特性的两组光边带，由低速光电探测器8拍频后，产生两个幅度相同且同相的低频信号，叠加后的信号由频谱仪9探测，通过改变第一射频源3和第二射频源7的输出频率，且保持两频率源输出信号的频率差固定，即可通过检测固定低频处的频谱响应来得到待测光器件在这个频率范围内的频谱响应。
根据图1所示的测试装置结构示意图，激光器输出功率为Pc，频率为ωc的信号：
Figure BDA0002188698380000031
第一射频源输出频率为ω0的射频信号对进入PM1的光信号调制，调制后的信号为：
Figure BDA0002188698380000035
其中η1为PM1的插损，m1为PM1的调制系数，将uA(t)进行贝塞尔展开，小信号调制时，仅考虑0、±1阶边带，分别记为uA(0)(t)、uA(-1)(t)、uA(+1)(t)表达式如下：
Figure BDA0002188698380000032
Figure BDA0002188698380000033
Figure BDA0002188698380000034
经带通滤波器滤除-1阶边带后，仅剩0阶+1阶边带，如图2中B点所示，记为uB(0)(t)及uB(+1)(t)，表达式如下：
Figure BDA0002188698380000041
Figure BDA0002188698380000042
其中η2为可调谐带通滤波器的插损，设器件传输函数为：
Figure BDA0002188698380000043
则过器件后的0阶边带uC(0)(t)及+1阶边带uC(+1)(t)信号表达式为：
Figure BDA0002188698380000044
Figure BDA0002188698380000045
经强度调制器(置于正交偏置点)，第二射频源输出频率为ω1的射频信号进一步调制后，考虑小信号情况，频率为ωc、ωc+ω0、ωc+ω1、ωc+ω0-ω1、ωc-ω1边带信号(如图2中D点所示)为：
Figure BDA0002188698380000046
Figure BDA0002188698380000047
Figure BDA0002188698380000048
Figure BDA0002188698380000049
Figure BDA00021886983800000410
其中η3为强度调制器的插损，当采用低速光电探测器探测时，只能响应由频率相差较小的边带拍出的信号，如图2中D点所示边带中频率为“ωc与ωc+ω1-ω0”及“ωc+ω0与ωc+ω1”的分量；记频率为“ωc与ωc+ω1-ω0”的边带拍频后产生的低频信号的光电流为i1(t)，频率为“ωc+ω0与ωc+ω1”的边带拍频后产生的低频信号的光电流为i2(t)，表达式如下：
Figure BDA00021886983800000411
Figure BDA00021886983800000412
由(8)式可得，i1(t)与i2(t)幅度和相位均相同，所以经PD拍频后产生的总电流(记为i(t)) 为：
Figure BDA0002188698380000051
考虑光电流的振幅项，记为A(i)，由(9)式可得：
A(i)∝T(ωc)T(ωc+ω0) (10)
将A(i)对ω0求导，可得：
Figure BDA0002188698380000052
由(11)可得基于级联“相位调制器-带通滤波器-待测器件-强度调制器”的微波光子下变频的光器件光谱响应测试方法测得的电学上的振幅响应与待测器件的光学上的振幅响应一致，即该方法可以用来测光器件的振幅响应。
基于本发明提供的这种基于级联“相位调制器-待测器件-强度调制器”的微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置及方法，我们测试了窄带宽器件(微盘)及宽带宽器件(微环) 的振幅响应，将其测试结果与光波测试系统测得的振幅响应对比，可发现本发明的测试系统测试精度更高，如图3及图4所示。且理论上，可通过改变频率扫描的步进可实现超高分辨率的测试。
以上所述的具体实施方法，对于本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明方案的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在不脱离本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置，其特征在于，包括：激光器（1）、相位调制器（2）、第一射频源（3）、可调谐带通滤波器（4）、强度调制器（6）、第二射频源（7）、光电探测器（8）、频谱仪（9）；所述相位调制器（2）的光输入端与激光器（1）输出端相连，相位调制器（2）的射频输入端与第一射频源（3）的输出端相连；所述可调谐带通滤波器（4）的输入端与相位调制器（2）的输出端相连，可调谐带通滤波器（4）的输出端与待测器件（5）的输入端相连；所述强度调制器（6）的光输入端与待测器件（5）的输出端相连，强度调制器（6）的射频输入端与第二射频源（7）的输出端相连，强度调制器（6）的光输出端与光电探测器（8）的输入端相连；所述频谱仪（9）的输入端与光电探测器（8）的输出端相连；
所述的光器件光谱响应测试装置的测试方法，包括如下步骤：
步骤一：采用激光器（1）输出连续波经相位调制器（2）的光输入端进入相位调制器（2），第一射频源（3）输出的微波信号经相位调制器（2）的射频输入端进入相位调制器（2）；经相位调制器（2）调制后的信号经可调谐带通滤波器（4）产生仅含0阶及+1阶边带的光学单边带信号；
步骤二：光学单边带信号通过待测器件（5）后进入强度调制器（6）的光输入端；第二射频源（7）输出与第一射频源（3）频率相近的微波信号进入强度调制器（6）的射频输入端；经强度调制器（6）进一步调制后产生频率相近且携带待测器件传输特性的两组光边带；
步骤三：两组光边带由低速光电探测器（8）拍频后，产生两个幅度相同且同相的低频信号，叠加后的信号由频谱仪（9）探测；
步骤四：改变第一射频源（3）和第二射频源（7）的输出频率，且保持第一射频源（3）和第二射频源（7）输出信号的频率差固定，即可通过检测固定低频处的器件响应来得到待测光器件在这个频率范围内的频谱响应。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置，其特征在于：所述的步骤一中，经相位调制器（2）调制后的信号通过可调谐带通滤波器（4）滤除负阶边带和+2阶以上的边带，得到仅含0阶及+1阶边带的光学单边带信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于微波光子下变频的光器件光谱响应测试装置，其特征在于：步骤三中，光学单边带信号经过待测器件（5）后进入强度调制器（6），通过直流偏压使强度调制器（6）工作在正交偏置点，经第二射频源（7）输出与第一射频源（3）频率相近的信号进一步调制后，产生频率相近且携带待测器件传输特性的两组光边带。
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