CN110926511B - 一种宽带高分辨率光谱响应测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种宽带高分辨率光谱响应测量系统及方法，属于光谱响应测量和微波光子学领域，用于解决现有方法测量范围窄、测量分辨率低和仅能测量带阻光器件的问题。具体技术方案为：细步进可调光源发出的光载波进入双平行马赫‑曾德尔调制器，细步进射频源结合微波90°耦合器得到两路射频信号，并分别输入上下两个子调制器，通过偏置控制电路调整偏置电压，产生载波抑制单边带信号。该信号通过50：50保偏耦合器分成上下两路光信号，上路通过待测器件后进入光电探测器；下路经过1:99保偏耦合器后，1％的信号作为反馈信息进入偏置控制电路，99％的信号进入光电探测器。控制与信号采集电路对输入的两路电信号进行平衡探测，从而得到待测器件的光谱响应。
Description
技术领域
本发明提出了一种宽带高分辨率光谱响应测量方法，该方法属于光谱响应测量和微波光子学领域。
背景技术
随着我国电子对抗、雷达系统、卫星遥感、宽带无线通信及天文探测等应用领域的快速发展，对构建系统的光学器件特性的要求越来越高，相应地，对器件光谱响应的测量范围和测量精度的要求也越来越高。而现有技术的测量精度普遍偏低，以光学滤波器为例，对带宽极窄的光学器件，难以用现有技术进行测量，不能满足实际需求。
APEX公司研发了OCSA多功能光谱分析仪，分辨率可达20MHz；Aragon公司研发了BOSA 400型超高分辨率光谱分析仪，该仪器的分辨率可达到10MHz；LUNA公司基于光干涉法，研发了OVA5000系列光矢量分析仪，其测量分辨率能做到20MHz；南京航空航天大学课题组提出的一种基于微波光子技术的光矢量分析方法，并用该方法测量了3dB带宽为32MHz的光纤光栅的振幅响应和相位响应。但该方法也有测量范围窄和测量误差大的缺点，且利用该方法，仅能得到带阻光器件的光谱响应。
发明内容
为了解决现有方法测量范围窄、测量分辨率低和仅能测量带阻光器件的缺点，本发明提出了一种宽带高分辨率光谱响应测量方法。该方法可实现宽带、高分辨率光谱响应测量，且不仅能测量带阻光器件的光谱响应，还能测量带通光器件的光谱响应。
一种宽带高分辨率光谱响应测量方法基于一种宽带高分辨率光谱响应测量系统，包括细步进可调光源、细步进射频源、微波90°耦合器、双平行马赫-曾德尔调制器、50:50保偏耦合器、第一光电探测器、1:99保偏耦合器、偏置控制电路、第二光电探测器和控制与信号采集电路。
所述细步进可调光源、双平行马赫-曾德尔调制器、50:50保偏耦合器和第一光电探测器依次通过光纤连接。
所述细步进射频源、微波90°耦合器和双平行马赫-曾德尔调制器依次通过射频线缆连接。
所述50:50保偏耦合器、1:99保偏耦合器和第二光电探测器通过光纤连接。
所述1:99保偏耦合器和偏置控制电路通过光纤连接，为偏置控制电路提供反馈信息；所述偏置控制电路与双平行马赫-曾德尔调制器通过电缆连接。
所述第一光电探测器、第二光电探测器和控制与信号采集电路通过电缆连接。
所述控制与信号采集电路、细步进可调光源、细步进射频源和偏置控制电路通过电缆连接。
一种宽带高分辨率光谱响应测量方法，过程如下：
细步进可调光源发出波长连续可调的光信号，光信号进入双平行马赫-曾德尔调制器，作为双平行马赫-曾德尔调制器的光载波；将细步进射频源发出的射频信号输入微波90°耦合器从而得到强度相等、相位相差90°的两路射频信号，并将两路射频信号分别输入双平行马赫-曾德尔调制器的上下两个子马赫-曾德尔调制器；同时通过偏置控制电路控制双平行马赫-曾德尔调制器的三个偏置电压，实现对+1阶射频信号的载波抑制单边带调制。该载波抑制单边带信号经过50：50保偏耦合器后分成两路完全相同的光信号，上路光信号通过待测光器件后进入第一光电探测器，将光信号转换为电信号并利用控制与信号采集电路探测接收该电信号；下路光信号经过1:99保偏耦合器后，99％的光信号进入第二光电探测器转化为电信号，并由控制与信号采集电路探测接收；1％的光信号作为反馈信号进入偏置控制电路。控制与信号采集电路将接收到的两路电信号进行做差处理，完成平衡探测。利用控制与信号采集电路协同控制细步进可调光源输出光信号的中心频率和细步进射频源输出电信号的频率，实现宽带、高分辨率的扫描，并结合平衡探测后的结果，从而得到待测光器件的光谱响应。
为了实现光学器件的宽带光谱响应测量，本发明采用了细步进可调光源，具体调节范围由可调光源性能决定，故实际使用时尽可能选择性能优的细步进可调光源。为了解决测量分辨率低的问题，本发明选用了微波光子学领域的方法，引入了双平行马赫-曾德尔电光调制器和细步进可调射频源，具体分辨率性能由细步进可调射频源的性能决定，故实际使用时尽可能选择性能优的细步进射频源。为了实现不仅适用于带阻光器件还能适用于带通光器件的功能，本发明利用偏置控制电路对双平行马赫-曾德尔调制器的三个直流偏置电压VDC1、VDC2、VDC3进行调整，使双平行马赫-曾德尔调制器输出载波抑制单边带光信号。
本发明的有益效果：
本发明通过对细步进可调光源和细步进射频源的协同控制，可实现宽带高分辨率光谱响应测量。
本发明所用扫描信号为载波抑制单边带光信号，有效避免了现有测量方法在扫描过程中必须保留载波的限制，故既能测量带阻光器件的光谱响应，又能测量带通光器件的光谱响应。
附图说明
图1为宽带高分辨率光谱响应测量系统的链路结构示意图。
图2为测量带阻光器件时，图1中(A)、(B)处的频谱示意图。
图3为测量带通光器件时，图1中(A)、(B)处的频谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图和数学推导对本发明做进一步说明：
图1为本发明的宽带高分辨率光谱响应测量系统的结构图，包括细步进可调光源、细步进射频源、微波90°耦合器、双平行马赫-曾德尔调制器、偏置控制电路、50:50保偏耦合器、第一光电探测器、1:99保偏耦合器、第二光电探测器和控制与信号采集电路。
所述细步进可调光源可以发出波长连续可调的光信号且调谐范围较大，该光信号可作为双平行马赫-曾德尔调制器的光载波。通过改变该细步进可调光源输出光信号的中心频率，可实现双平行马赫-曾德尔调制器输出光信号频率的宽带调谐。
所述细步进射频源可以输出频率连续可调的射频信号且调谐步进极小，该电信号可作为双平行马赫-曾德尔调制器的调制信号。通过改变该细步进射频源输出射频信号的频率，可实现双平行马赫-曾德尔调制器输出光信号频率的精细调谐。
所述偏置控制电路用于控制双平行马赫-曾德尔调制器的偏置电压，从而实现对+1阶射频信号的载波抑制单边带调制。
所述控制与信号采集电路协同控制细步进可调光源和细步进射频源的输出信号，实现双平行马赫-曾德尔调制器输出信号的宽带、高分辨率扫描；所述控制与信号采集电路为偏置控制电路供电，并采集上下两路光电探测器输出的电信号，进行平衡探测信号处理，从而得到待测光器件的光谱响应。
所述细步进可调光源、双平行马赫-曾德尔调制器、50:50保偏耦合器、待测光器件和第一光电探测器依次通过光纤连接；所述细步进射频源、微波90°耦合器和双平行马赫-曾德尔调制器依次通过射频线缆连接。
所述50:50保偏耦合器、1:99保偏耦合器和第二光电探测器通过光纤连接；所述1:99保偏耦合器和偏置控制电路通过光纤连接，为偏置控制电路提供反馈信息；所述偏置控制电路与双平行马赫-曾德尔调制器通过电缆连接。
所述第一光电探测器、第二光电探测器和控制与信号采集电路通过电缆连接。
所述控制与信号采集电路、细步进可调光源、细步进射频源和偏置控制电路通过电缆连接。
本发明的思路是通过对细步进可调光源和细步进射频源的协同控制，实现系统的宽带高分辨率光谱响应检测功能；利用载波抑制单边带调制方法，解决现有方法仅能测量带阻型光学器件光谱响应而无法测量带通型光学器件光谱响应的问题。
利用图1所示的宽带高分辨率光谱响应测量系统测量光学器件光谱响应的方法如下：
步骤一：利用控制与信号采集电路调谐细步进可调光源输出光信号的中心频率，此处为了便于理解，以中心频率为ω0，功率为P0的光信号为例进行分析。此时，细步进可调光源输出的光信号表达式为：
上述光信号可作为双平行马赫-曾德尔调制器的光载波；该光信号进入双平行马赫-曾德尔调制器后，功率等分的进入上下两个子马赫-曾德尔调制器。
步骤二：利用控制与信号采集电路以很小的步进精细调谐细步进射频源输出射频信号的频率，从而实现光学器件的高分辨率光谱响应测量。此处为了便于理解，以频率为ω，电压幅度为V的射频信号为例进行分析。此时，细步进射频源输出的射频信号表达式为：
V(t)＝V cosωt (2)
将细步进射频源产生的射频信号输入微波90°耦合器以得到强度相等、相位相差90°的两路射频信号，并分别以这两路射频信号为调制信号，对双平行马赫-曾德尔调制器的上下两个子马赫-曾德尔调制器进行调制。上下两个子马赫-曾德尔调制器的输出光场表达式分别为：
式中，
为双平行马赫-曾德尔调制器的调制深度，V为射频信号的电压幅度，Vπ为双平行马赫-曾德尔调制器的半波电压。
和
分别为上下两个子马赫-曾德尔调制器两臂光信号的相位差，VDC1、VDC2分别为双平行马赫-曾德尔调制器的第一外加直流偏置电压和第二外加直流偏置电压的幅度值。
该双平行马赫-曾德尔调制器的输出光场表达式为
式中，
为双平行马赫-曾德尔调制器上下两路光信号的相位差，VDC3为双平行马赫-曾德尔调制器的第三外加直流偏置电压的幅度值；Jn(m)为第一类贝塞尔函数，此处n的值代表边带的阶数，例如：J0(m)代表载波，J1(m)代表正一阶边带，J-1(m)代表负一阶边带。根据小信号近似，只保留光载波和±1阶边带，则双平行马赫-曾德尔调制器输出光场表达式为
步骤三：偏置控制电路通过采集双平行马赫-曾德尔调制器输出的光信号得到反馈信息，从而调整双平行马赫-曾德尔调制器的三个直流偏置电压VDC1、VDC2、VDC3，使θ1＝θ2＝π、
以实现对+1阶射频信号的载波抑制单边带调制，则此时双平行马赫-曾德尔调制器输出光场的表达式为
步骤四：将双平行马赫-曾德尔调制器产生的载波抑制单边带光信号输入50:50保偏耦合器，分成两路完全相同的光信号。上路光信号通过待测光器件后，输出光信号为
其中，H0为待测光器件的振幅响应，
为待测光器件的相位响应。
图2(A)是待测光器件为带阻光器件时，图1(A)处的频谱，即上路光信号通过带阻型待测光器件后的频谱；图3(A)是待测光器件为带通光器件时，图1(A)处的频谱，即上路光信号通过带通型待测光器件后的频谱。
将通过待测光器件后的光信号输入光电探测器，则经过光电探测后得到的光电流为
其中，
为光电探测器的响应度。
下路光信号经过1:99保偏耦合器后，1％的光信号作为反馈信号被偏置控制电路采集，构成闭环控制系统，从而实现对+1阶射频信号的载波抑制单边带调制；99％的光信号进入光电探测器进行光电转换，输出的光电流为
图2(B)是待测光器件为带阻光器件时，图1(B)处的频谱，即下路光信号在测量带阻型待测光器件时的频谱；图3(B)是待测光器件为带通光器件时，图1(B)处的频谱，即下路光信号在测量带通型待测光器件时的频谱。
步骤五：利用控制与信号采集电路接收上下两路光电流，并进行做差处理，从而完成平衡探测以减轻高阶边带残留导致的测量精度过低的问题。经过平衡探测后得到的光电流可以表示为
根据平衡探测后得到的光电流，可计算出待测光器件的振幅响应为
上式为细步进可调光源输出光信号中心频率为ω0，细步进射频源输出电信号频率为ω时，所得的待测光器件振幅响应。通过控制与信号采集电路对细步进可调光源和细步进射频源输出信号的频率进行协同控制，从而在较宽的频率范围内得到待测光器件的振幅响应；同时，由于细步进射频源具有极小的调谐步进，从而实现了测量系统及方法的高分辨率特性。最后，结合控制与信号采集电路对细步进可调光源和细步进射频源发出的控制指令及在该控制指令下得到的待测光器件振幅响应，便可绘制出待测光器件的光谱响应曲线。
综上所述，我们提出了一种宽带高分辨率光谱响应测量方法，该方法解决了现有方法仅能测量带阻光器件的限制，实现了对任意光器件进行宽带高分辨率的光谱响应的测量。
Claims (1)
1.一种宽带高分辨率光谱响应测量方法，基于一种宽带高分辨率光谱响应测量系统，包括细步进可调光源、细步进射频源、微波90°耦合器、双平行马赫-曾德尔调制器、50:50保偏耦合器、第一光电探测器、1:99保偏耦合器、偏置控制电路、第二光电探测器和控制与信号采集电路；
所述细步进可调光源、双平行马赫-曾德尔调制器、50:50保偏耦合器和第一光电探测器依次通过光纤连接；
所述细步进射频源、微波90°耦合器和双平行马赫-曾德尔调制器依次通过射频线缆连接；所述50:50保偏耦合器、1:99保偏耦合器和第二光电探测器通过光纤连接；
所述1:99保偏耦合器和偏置控制电路通过光纤连接，为偏置控制电路提供反馈信息；所述偏置控制电路与双平行马赫-曾德尔调制器通过电缆连接；
所述第一光电探测器、第二光电探测器和控制与信号采集电路通过电缆连接；
所述控制与信号采集电路与细步进可调光源通过电缆连接，
所述控制与信号采集电路与细步进射频源通过电缆连接，
所述控制与信号采集电路与偏置控制电路通过电缆连接；
其特征在于包括以下过程：
细步进可调光源发出波长连续可调的光信号，光信号进入双平行马赫-曾德尔调制器，作为双平行马赫-曾德尔调制器的光载波；将细步进射频源发出的射频信号输入微波90°耦合器从而得到强度相等、相位相差90°的两路射频信号，并将两路射频信号分别输入双平行马赫-曾德尔调制器的上下两个子马赫-曾德尔调制器；同时通过偏置控制电路控制双平行马赫-曾德尔调制器的三个偏置电压，实现对+1阶射频信号的载波抑制单边带调制；该载波抑制单边带信号经过50：50保偏耦合器后分成两路完全相同的光信号，上路光信号通过待测光器件后进入第一光电探测器，将光信号转换为电信号并利用控制与信号采集电路探测接收该电信号；下路光信号经过1:99保偏耦合器后，99％的光信号进入第二光电探测器转化为电信号，并由控制与信号采集电路探测接收；1％的光信号作为反馈信号进入偏置控制电路；控制与信号采集电路将接收到的两路电信号进行做差处理，完成平衡探测；利用控制与信号采集电路协同控制细步进可调光源输出光信号的中心频率和细步进射频源输出电信号的频率，实现宽带、高分辨率的扫描，并结合平衡探测后的结果，从而得到待测光器件的光谱响应。
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