CN111473958A - 一种伪随机码激励的光滤波器幅频响应测量装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种伪随机码激励的光滤波器幅频响应测量装置与方法，旨在提供一种无需扫频、灵活可调、宽范围的光器件幅频响应测量方法。本发明将激光器产生的光载波分为两路，上光支路通过电光调制器被码型发生模块产生的伪随机信号调制，产生的光信号入射到待测光滤波器，下光支路连接移频器，上下两支路的光信号合束后由光电探测器进行光电转换，通过频谱分析模块获取特定频点的幅度值，将待测光滤波器撤除，频谱分析模块再一次获取特定频点的幅度值，两次数据对比即可获取待测器件的幅频响应，本方法无需扫频，提高了测量效率，且将测量范围约扩展为伪随机码码率的2倍，通过码率、码长的设置还可以适应不同的测量需求。

Description

一种伪随机码激励的光滤波器幅频响应测量装置与方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种伪随机激励的光滤波器幅频响应测量装置与方法。
背景技术
光滤波器具有波长选择、光复用/解复用等功能，是通信系统中不可或缺的光学器件，其功能与微波滤波器相似，但克服了微波滤波器存在的电子瓶颈和电磁干扰等问题。在不同的应用场景下，对光滤波器的带宽与抑制比也有不同的要求，因此为充分发挥器件性能，实现链路最优化，获取光滤波器的幅频响应具有十分重要的意义。
目前测量器件幅频响应的方式主要分为两类，一类是以干涉法(M J,Loayssa A,Tainta S,et al.On the measurement of fiber bragg grating's phase responsesand the applicability of phase Reconstruction methods[J].IEEE,2011,60(4):1416-1422.)和相移法(Tapio nieni M U,Hanne L.Limitations of Phase-Shift methodin measuring dense group delay ripple of fiber bragg gratings[J].IEEE,2001,13(12):1334-1336.)为代表的基于光域的测量方法，第二类是以光单边带扫频(Xue Min,PanShilong,Zhao Yongjiu.Large dynamic range optical vector analyzer based onoptical single-sideband modulation and Hilbert transform[J].Laser and Optics,2016,122(197):1-6.)、双边带扫频(Wen Jun,Ling Wang,Yang Cheng-wu,et al.Opticalvector network analyzer based on double-sideband modulation[J].Optics LettersLetter,2017,42(21):4426-4429.)以及移频外差(Zhang Shangjian,Wang Heng,LiuYong.Extinction-ratio-independent electrical method for measuring chirpparameters of Mach–Zehnder modulators using frequency-shifted heterodyne[J].Optics Letters,2015,40(12):2854-2857.)为代表的基于电域的测量方法。相移法与干涉法都具有大动态范围和宽测量范围的特性，缺点在于使用这两种方法实现幅频响应测量需要对激光器进行扫频，受制于光源的波长精确度和稳定性，这两种方法的分辨率大于1.6pm(200MHz@1550nm)。基于光单边带扫频的光矢量分析技术，理论最高分辨率可达赫兹量级。基于光双边带扫频的方法实现了精确测量以及双倍的测量范围。基于移频外差的方法实现了高分辨率，且无需校准光电探测器的响应波动。基于电域的方法极大的提高了测量精度，但各种方法具有自身的缺点。比如基于单边带、双边带扫频以及移频外差的测量方法不能消除测量过程中光载波漂移造成的误差，且基于单边扫频的方法测量范围受电器件限制无法测量带通型器件。
目前，亟需一种即时、宽测量范围的光滤波器幅频响应测量方法。为了解决以上问题，本发明基于伪随机码激励的方式结合移频外差的结构，实现了具有即时、宽测量带宽、可满足不同测量需求等特性的测量方法。
发明内容
针对目前基于电扫频法的光器件幅频响应测量方法中存在的光载波漂移引起测量误差的问题，本发明的目的在于提供一种能够实现即时、宽测量带宽、可满足不同测量需求等特性的光滤波器幅频响应测量方法。
本发明提供一种测量光滤波器幅频响应的方法，窄线宽激光器产生的光载波经过光分束器Ⅰ后分成两路，上光支路为测量光路，码型发生模块产生的伪随机码型信号通过电光调制器加载到光载波上，产生了测量光信号，测量光信号入射到待测光滤波器。下光支路连接移频器，产生中心频率微小偏移的移频光信号。上下两支路的光经过光合束器Ⅱ后合束。经光电探测器拍频后将光信号转换成电信号，并将产生的电信号输入频谱分析模块进行数据采集，根据码型发生模块产生伪随机码信号的码率和码长计算基波频率，并在频谱分析模块上采集特定频点的功率值。将待测光滤波器撤除，第二次采集特定频点的功率值，两次得到的特定频点的功率值进行数据处理即可获得待测光滤波器的幅频响应。测量过程主要包括以下几个步骤：
步骤A、将光载波(频率记为f0)通过光分束器Ⅰ后分成两束，上光支路经过伪随机码调制的电光调制器产生测量光信号，测量光信号入射待测光滤波器，下光支路经过移频器(移频量记为f移)使光载波产生微小移频，待测光滤波器和移频器输出的光信号经过光合束器Ⅱ后构成移频外差结构；
步骤B、设置码型发生模块的码率、码长，标记伪随机码信号的基波频率(记为Δf)
Figure BDA0002457086470000021
经过电光调制后产生以光载波为中心，两边具有若干等间隔且对称分布的光边带的光谱，相邻边带之间的间隔为基波频率Δf；
步骤C、在保留待测光滤波器的情况下，上下两光路的光经过光合束后在光电探测器上进行拍频，产生电信号，利用频谱分析模块采集频率分别为f移、|f移±Δf|、|f移±2*Δf|、…、|f移±n*Δf|(n≥0，且n为整数)处的功率值，分别记为i’f移、i’|f移±Δf|、i’|f移±2*Δf|、…、i’|f移±n*Δf|(n≥0，且n为整数)；
步骤D、将待测光滤波器移除出链路，电光调制器的输出与光合束器Ⅱ的输入直接连接，下支路保持不变；上下两光路的光合束后经过光电探测器产生电信号，利用频谱分析模块采集频率分别为f移、|f移±Δf|、|f移±2*Δf|、…、|f移±n*Δf|(n≥0，且n为整数)处的功率值，分别记为if移、i|f移±Δf|、i|f移±2*Δf|、…、i|f移±n*Δf|(n≥0，且n为整数)；
步骤E、计算待测光滤波器在频率为f0±n*Δf(n≥0，且n为整数)处的响应：
Figure BDA0002457086470000031
通过上述公式即可获得待测光滤波器的幅频响应。
在上述技术方法中，可根据测量需求实现不同精度的测量。当码率为定值，基波频率Δf值越小时，测量点数越多，测量结果的分辨率越高。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明由窄线宽激光器、外差结构、码型发生模块和频谱分析模块组成，通过调节码型发生模块输出伪随机信号的码长和码型实现高精度的光滤波器的幅频响应测量。利用伪随机信号的时频特性，实现即时采集数据，避免了由于光载波漂移造成的测量误差。
本发明采用外差的方式克服了在单边带扫频法中只能测量带通型器件不能测量带阻型器件的缺点。同时利用移频外差的结构将测量带宽约扩展为伪随机码电信号带宽的2倍。
附图说明
图1是本发明一种伪随机码激励的光滤波器幅频响应测量装置图。
图2是本发明实施实例1中通过对码型发生模块的输出模式、码型以及码长设置后产生伪随机信号的频谱图。
图3是本发明实施实例1测量光滤波器幅频响应得到的结果与采用光谱法测量得到的结果对比图。
其中附图1标记：1-窄线宽激光器、2-光分束器Ⅰ、3-码型发生模块、4-电光调制器、5-待测光滤波器、6-移频器、7-光合束器Ⅱ、8-光电探测器、9-频谱分析模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种伪随机码激励的光滤波器光谱响应测量装置图如图1所示。窄线宽激光器发出的光经过光分束器Ⅰ后进入移频外差结构的上、下两光路。上光支路的光在电光调制器中被码型发生模块产生的伪随机电信号调制，调制后的光信号通过待测光滤波器获取该器件的幅频响应。下光支路连接一个移频器，对光载波产生微小移频。上下两光路的光经过光合束器Ⅱ后由光电探测器产生拍频信号，在频谱分析模块上采集特定频点的功率值，此值为测量值。将待测光滤波器移除出链路，电光调制器的输出直接接光合束器Ⅱ的输入，在频谱分析模块上重复采集特定频点的功率值，记录此值为参考值。将得到的测量值与参考值进行数据处理即可获得待测光滤波器的幅频响应。
为了更好的了解本技术发明方案，下面对本发明的测量原理进行简要介绍：
窄线宽激光器产生的光载波由下式表示：
E＝E0exp(j2πf0t) (1)
E0为光载波的幅度，f0为光载波的频率，光载波发出的光信号由光分束器Ⅰ分成两路。上光支路中电光调制器的输出光信号可表示为：
Figure BDA0002457086470000041
Figure BDA0002457086470000042
其中(2)、(3)式表示接入的电光调制器分别为强度调制器、相位调制器时的输出光信号。
Figure BDA0002457086470000043
为电光强度调制器的偏置相位，γ为上下两光路的分光比，Δf为伪随机码信号的基波频率，m(k*Δf)为调制频率为k*Δf时电光调制器的调制系数。将(2)中的
Figure BDA0002457086470000044
项、(3)式中的exp[jm(k*Δf)sin(2πk*Δf*t)]分别作贝塞尔展开，如(4)、(5)式所示：
Figure BDA0002457086470000045
Figure BDA0002457086470000046
其中Jl(m)为第一类贝塞尔函数。根据以上公式，上支路的光信号可表示为：
Figure BDA0002457086470000047
其中，当电光调制器为强度调制器时Fn为满足lk＝n的
Figure BDA0002457086470000048
的叠加，当电光调制器为相位调制器时Fn为满足lk＝n的Jl(mk*Δf)的叠加。经过电光调制器调制后的光，通过待测光滤波器时获取该器件的幅频响应，此时光信号可表示为：
Figure BDA0002457086470000051
其中，H(f0+n*Δf)为待测光滤波器频率为f0+n*Δf处的传输函数。下光支路连接了一个移频器，对输入的光载波产生微小移频量，移频器的输出光信号可表示为：E下＝(1-γ)E0exp[j2π(f0+f移)t]。其中f移为移频器的移频量。上下两支路的光合束后，光信号为E’上+E下。经过光电探测器进行拍频，得到的电信号可以表示为：
Figure BDA0002457086470000052
其中，R为光电探测器的响应函数，第一项为上支路具有等间隔分布光边带的光信号之间的拍频，其频率成分为基波频率的整数倍，第二项为下支路光信号拍频产生的直流信号，第三项为上下两支路的光信号拍频产生的新的频率成分。实验中有效的数据为第三项所产生新的频率成分，因此有效的电信号为：
Figure BDA0002457086470000053
第二次测量时将待测光滤波器移除出链路，电光调制器的输出直接接光合束器Ⅱ的输入，此时合束前上支路的光可由E上表示。第二次采集上下两支路光信号拍频产生的电信号为：
Figure BDA0002457086470000054
光路中接入待测光滤波器时，第一次在频谱分析模块上采集频点为|f移-n*Δf|处的幅度值为
Figure BDA0002457086470000055
将待测光滤波器移除时，第二次采集频点为|f移-n*Δf|处的幅度值为
Figure BDA0002457086470000056
因此，可得到待测光滤波器的传输函数如下：
Figure BDA0002457086470000057
上式中，i’|f移-n*Δf|表示将待测光滤波器接入链路中频谱分析模块采集到频点为|f移-n*Δf|的幅度值，i|f移-n*Δf|表示将待测光滤波器移除出链路中频谱分析模块采集到频点为|f移-n*Δf|处的幅度值。
实施例1
待测光滤波器的中心频率为1550.03nm，带宽约为0.14nm。
设置窄线宽激光器的输出光载波为193410MHz(对应波长为1550.03nm)，设置码型发生模块输出伪随机信号的码长设置为27-1，码率为12.5GBit/s，此时的基波频率为
Figure BDA0002457086470000061
图2为该电信号的频谱图。下支路的移频量为-70MHz，上下两支路的光经过光电探测器后拍频产生电信号，采集频谱分析模块上频率为28.425MHz，70MHz，168.425MHz，126.85MHz,…，|-70-n*Δf|MHz(n∈(-∞,+∞),且n为整数)对应的待测光滤波器的测量点为193410-98.425MHz，193410MHz，193410+98.425MHz，193410-2*98.425MHz，…,193410+n*125MHz(n∈(-∞,+∞),且n为整数)。将待测光滤波器移除出链路，在频谱分析模块上采集特定频点的功率值，并与未移出待测光滤波器时得到的功率值进行数据处理，即可获得待测光滤波器的幅频响应。

Claims (6)

1.基于伪随机码激励的光滤波器幅频响应测量装置，包括窄线宽激光器(1)、光分束器Ⅰ(2)、码型发生模块(3)、电光调制器(4)、待测光滤波器(5)、移频器(6)、光合束器Ⅱ(7)、光电探测器(8)以及频谱分析模块(9)；所述窄线宽激光器(1)与光分束器Ⅰ(2)连接，将光路一分为二，上光支路依次连接电光调制器(4)和待测光滤波器(5)，其中电光调制器(4)与码型发生模块(3)电连接，下光支路连接移频器(6)，所述两光支路又与光合束器Ⅱ(7)连接将两路光合束成一路；其特征在于，窄线宽激光器(1)产生的光载波经过光分束器Ⅰ(2)后分成两路，上支路为探测光路，码型发生模块(3)产生码率、码长和码型可调的伪随机码信号通过电光调制器(4)加载到光载波上作为待测光滤波器(5)的激励信号；激励信号通过待测光滤波器(5)后再经过光合束器Ⅱ(7)与下光支路的光信号合束，构成移频外差结构；光电探测器(8)将合束后的光信号转换成电信号，产生的电信号最后输入频谱分析模块(9)进行数据采集和处理；根据码型发生模块(3)产生的伪随机信号的码率和码长计算基波频率，并设置频谱分析模块(9)采集特定频点的功率值；第二次将待测光滤波器(5)从光路中移除，短接其与光路的连接点后再次采集特定频点的功率值，两次得到的数据进行处理即可获得待测光滤波器(5)的幅频响应。
2.一种基于伪随机码激励的光滤波器幅频响应测量方法，包括如下步骤：
步骤A、将光载波(频率记为f0)通过光分束器Ⅰ(2)后分成两束，上光支路经过伪随机码调制的电光调制器(4)产生测量光信号，测量光信号入射待测光滤波器(5)，下光支路经过移频器(6)(移频量记为f移)使光载波产生微小移频，待测光滤波器(5)和移频器(6)输出的光信号经过光合束器Ⅱ(7)后构成移频外差结构；
步骤B、设置码型发生模块(3)的码率、码长和码型，标记伪随机码信号的基波频率(记为Δf)
Figure FDA0002457086460000011
经过电光调制(4)后产生以光载波为中心，两边具有若干等间隔且对称分布的光边带的光谱，相邻边带之间的间隔为基波频率Δf；
步骤C、在保留待测光滤波器(5)的情况下，上下两光路的光经过光合束后在光电探测器(8)上进行拍频，产生电信号，利用频谱分析模块(9)采集频率分别为f移、|f移±Δf|、|f移±2*Δf|、…、|f移±n*Δf|(n≥0，且n为整数)处的功率值，分别记为
Figure FDA0002457086460000012
Figure FDA0002457086460000013
(n≥0，且n为整数)；
步骤D、将待测光滤波器(5)移除出链路，电光调制器(4)的输出与光合束器Ⅱ(7)的输入直接连接，下支路保持不变；上下两光路的光合束后经过光电探测器(8)产生电信号，利用频谱分析模块(9)采集频率分别为f移、|f移±Δf|、|f移±2*Δf|、…、|f移±n*Δf|(n≥0，且n为整数)处的功率值，分别记为
Figure FDA0002457086460000021
(n≥0，且n为整数)；
步骤E、计算待测光滤波器(5)在频率为f0±n*Δf(n≥0，且n为整数)处的响应：
Figure FDA0002457086460000022
(n≥0，且n为整数)
通过上述公式即可获得待测光滤波器(5)的幅频响应，当码率为定值时，所设置的码长越长，基波频率Δf值越小，所能获得的测量点数就越多，测量结果的分辨率也越高。
3.根据权利要求书1所述的一种基于伪随机码激励的光滤波器幅频响应测量装置，其特征在于电光调制器(4)为电光相位调制器或电光强度调制器。
4.根据权利要求书2所述的一种基于伪随机码激励的光滤波器幅频响应测量方法，其特征在于利用伪随机码信号对光载波进行调制产生测量信号，并采用移频外差结构获得光滤波器的幅频响应。
5.根据权利要求书2所述一种基于伪随机码激励的光滤波器幅频响应测量方法，其特征在于对伪随机码的码率和码长进行设置，频谱分析模块(9)采集频点间隔等于基波频率(记为Δf)，且满足
Figure FDA0002457086460000023
为整数，同时要求n*Δf≠|f移|、n*Δf≠|f移|/2(n≥0，且n为整数)。
6.根据权利要求书2所述一种基于伪随机码激励的光滤波器幅频响应测量方法，其特征在于电光调制器(4)仅仅需要伪随机码信号作为驱动，无需扫频即可测量光滤波器频点为f0±n*Δf(n≥0，且n为整数)处的幅频响应，测量分辨率取决于基波频率Δf。
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