CN112113747A - 光器件频率响应测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光器件频率响应测量方法，用步进频率为Δω的微波扫频信号分别对频率为ω0、ω0+Δω的第一光载波、第二光载波进行双边带电光调制，并令所生成的第一光双边带信号、第二光双边带信号分别经过待测光器件后进行光电探测，测量出对应于各扫频点nΔω处的光电流i(nΔω)、i1(nΔω)，n＝1，2，3，…，N，N为所述微波扫频信号的扫频点数；最后根据所测得的光电流获得待测光器件在频率为ω0±nΔω处的频率响应H(ω0±nΔω)。本发明还公开了一种光器件频率响应测量装置。相比现有技术，本发明可大幅简化测量系统结构，降低系统实现成本，并且可有效保证光器件的测量范围和测量精度。

Description

光器件频率响应测量方法及装置
技术领域
本发明涉及光器件测量技术领域，尤其涉及一种光器件幅相(幅度和相位)响应测量方法。
背景技术
近年来，伴随着微波光子技术的飞速发展，光子系统得到广泛的应用，如超高精度光纤传感、长距离光纤通信等。其中，光器件的测量技术必不可少，且愈发重要。为了使已有的高精度光器件(如微环、微球等高Q值微谐振器等)在光子系统中更好地发挥作用，需要对光器件进行高精度、高分辨率的测量。
为了实现高分辨率的光器件测量，中国发明专利CN103067075中公开了《光单边带调制方法、调制器及光器件测量装置、测量方法》，其用光单边带调制测量光器件，能够有效消除单边带调制信号中的二阶边带的影响，从而提高系统的动态范围。中国发明专利CN108088655中公开了《基于双边带调制与频移的光器件测量方法》，其将频移双边带调制信号与经过待测件的双边带探测信号耦合后拍频，从而得到待测光器件频率响应，提高了光器件的测量范围。
上述现有技术中，《光单边带调制方法、调制器及光器件测量装置、测量方法》的局限性在于产生光单边带需要使用滤波器，增加系统的复杂度和不稳定性。《基于双边带调制与频移的光器件测量方法》的局限性在于两路同时进行调制和微波扫频，需要精细控制，测量系统复杂。因此，我们迫切需要研究新型的测量方法来提高测量精度和测量效率，且简化测量系统，降低成本。
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，提供一种光器件频率响应测量方法，可大幅简化测量系统结构，降低系统实现成本，并且可有效保证光器件的测量范围和测量精度。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种光器件频率响应测量方法，用步进频率为Δω的微波扫频信号分别对频率为ω0、ω0+Δω的第一光载波、第二光载波进行双边带电光调制，并令所生成的第一光双边带信号、第二光双边带信号分别经过待测光器件后进行光电探测，测量出对应于各扫频点nΔω的光电流i(nΔω)、i1(nΔω)，n＝1，2，3，…，N，N为所述微波扫频信号的扫频点数；最后依据以下公式获得待测光器件在频率为ω0±nΔω处的频率响应H(ω0±nΔω)：
Figure BDA0002697584250000021
Figure BDA0002697584250000022
其中，H(ω0)、H(ω0+Δω)分别是预先测得的待测光器件在频率为ω0、ω0+Δω处的频率响应，“*”表示取共轭。
优选地，利用工作在线性工作点的马赫曾德尔调制器实现所述双边带电光调制。
优选地，第二光载波通过将第一光载波移频Δω得到。
进一步优选地，利用声光调制器实现所述移频。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
一种光器件频率响应测量装置，包括：
电光调制单元，用于用步进频率为Δω的微波扫频信号分别对频率为ω0、ω0+Δω的第一光载波、第二光载波进行双边带电光调制，生成第一光双边带信号、第二光双边带信号；
光电探测单元，用于对经过待测光器件后的第一光双边带信号、第二光双边带信号进行光电探测；
测量单元，用于测量出对应于各扫频点nΔω的光电流i(nΔω)、i1(nΔω)，n＝1，2，3，…，N，N为所述微波扫频信号的扫频点数；
控制及数据处理单元，用于依据以下公式获得待测光器件在频率为ω0±nΔω处的频率响应H(ω0±nΔω)：
Figure BDA0002697584250000031
Figure BDA0002697584250000032
其中，H(ω0)、H(ω0+Δω)分别是预先测得的待测光器件在频率为ω0、ω0+Δω处的频率响应，“*”表示取共轭。
优选地，所述电光调制单元为工作在线性工作点的马赫曾德尔调制器。
优选地，第二光载波通过将第一光载波移频Δω得到。
进一步优选地，利用声光调制器实现所述移频。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
一、本发明不受高阶边带的影响。
二、本发明具有测量系统结构简单，测量分辨率高，测量精度高等优点；
三、本发明对测量对象无选择性，可测带通器件。
附图说明
图1为本发明光器件频率响应测量装置一个优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是基于光双边带调制，通过步进频率与前后两次光载波频率差值相同的微波扫频信号同时进行光器件幅频响应、相频响应的测量，以实现高精度测量的同时简化系统结构，降低测量成本。
本发明所提出的光器件频率响应测量方法，具体如下：用步进频率为Δω的微波扫频信号分别对频率为ω0、ω0+Δω的第一光载波、第二光载波进行双边带电光调制，并令所生成的第一光双边带信号、第二光双边带信号分别经过待测光器件后进行光电探测，测量出对应于各扫频点nΔω的光电流i(nΔω)、i1(nΔω)，n＝1，2，3，…，N，N为所述微波扫频信号的扫频点数；最后依据以下公式获得待测光器件在频率为ω0±nΔω处的频率响应H(ω0±nΔω)：
Figure BDA0002697584250000041
Figure BDA0002697584250000042
其中，H(ω0)、H(ω0+Δω)分别是预先测得的待测光器件在频率为ω0、ω0+Δω处的频率响应，“*”表示取共轭。
本发明的光器件频率响应测量装置，包括：
电光调制单元，用于用步进频率为Δω的微波扫频信号分别对频率为ω0、ω0+Δω的第一光载波、第二光载波进行双边带电光调制，生成第一光双边带信号、第二光双边带信号；
光电探测单元，用于对经过待测光器件后的第一光双边带信号、第二光双边带信号进行光电探测；
测量单元，用于测量出对应于各扫频点nΔω的光电流i(nΔω)、i1(nΔω)，n＝1，2，3，…，N，N为所述微波扫频信号的扫频点数；
控制及数据处理单元，用于依据以下公式获得待测光器件在频率为ω0±nΔω处的频率响应H(ω0±nΔω)：
Figure BDA0002697584250000043
Figure BDA0002697584250000044
其中，H(ω0)、H(ω0+Δω)分别是预先测得的待测光器件在频率为ω0、ω0+Δω处的频率响应，“*”表示取共轭。
为了便于公众理解，下面通过一个优选实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本实施例利用声光调制器来实现将第一光载波移频Δω以得到第二光载波，利用马赫曾德尔调制器实现光双边带调制。如图1所示，光源输出频率为ω0的光载波，与来自扫频微波源频率为ωe的射频信号进行调制，通过偏置点控制器调节加载在马赫曾德尔调制器上的偏置电压，使其工作在线性工作点，即可生成光双边带调制信号。考虑在小调制系数下，当调制系数比较小时，可忽略二阶及其以上边带，此时调制信号只含有载波与±1阶边带，信号可以表示为：
Figure BDA0002697584250000051
其中，E0是光载波的幅度，β(ω)表示在不同频率下待测光器件的调制指数，Jn(·)表示第一类的n阶贝塞尔函数。将式(1)从时域转为频域表达式，即进行傅里叶变换：
Figure BDA0002697584250000052
当调制信号通过待测光器件时，各分量会发生相应的幅度和相位的变化，携带上待测器件在相应频点的响应，此时经待测器件输出的光信号有如下关系式：
Eout(ω)＝E0J+1[β(ωe)]δ[ω-(ω0-ωe)]H(ω0-ωe)+E0J0[β(ωe)]δ(ω-ω0)H(ω0)+E0J+1[β(ωe)]δ[ω-(ω0+ωe)]H(ω0+ωe) (3)
对式(3)进行傅里叶反变换可得到：
Eout(t)＝E0J+1[β(ωe)]H(ω0-ωe)exp[i(ω0-ωe)t]+E0J0[β(ωe)]H(ω0)exp(iω0t)+E0J+1[β(ωe)]H(ω0+ωe)exp[i(ω0+ωe)t] (4)
光电探测器接收上述信号，进行平方率检波，将光信号转换为光电流。其电场表达式为：
i(t)＝ηEout(t)·Eout *(t)
＝ηE0 2J0[β(ωe)]J+1[β(ωe)]·[H(ω0)H*(ω0-ωe)+H(ω0+ωe)H*(ω0)]·exp(iωet) (5)
其中，η是光电探测器的响应度。
为简化式子，我们可将上式写成
i(ωe)＝H(ω0)H*(ω0-ωe)+H(ω0+ωe)H*(ω0) (6)
H(ω0)是待测光器件在载波ω0处的频率响应，且相对相位为0，则有H(ω0)＝H*(ω0)＝|H(ω0)|，结合式(6)，可得
Figure BDA0002697584250000061
利用移频装置将光载波的频率移动一个固定的频率Δω，重复上述测量过程，则待测器件输出光信号有如下关系式：
Figure BDA0002697584250000062
光电探测器接收上述信号，进行平方率检波，将光信号转换为光电流。其电场表达式为：
Figure BDA0002697584250000063
为了便于表达，我们可将上式简化为
i1(ωe)＝H(ω0+Δω)H*(ω0+Δω-ωe)+H(ω0+Δω+ωe)H*(ω0+Δω) (10)
H(ω0+Δω)是待测光器件在移频载波ω0+Δω处的响应，是一个常数，且由于Δω相较于光载波频率相当小，因此有以下近似关系：
|H(ω0)|＝|H(ω0-ωe)|＝|H(ω0+ωe)|
phase[H(ω0)]＝phase[H(ω0-ωe)]＝phase[H(ω0+ωe)]＝0 (11)
可得
Figure BDA0002697584250000064
当射频信号ωe以Δω为步进频率扫频时，在第n个扫频点处，即ωe＝n·Δω，由式(7)和式(12)我们可得：
Figure BDA0002697584250000071
Figure BDA0002697584250000072
则由式(13)我们可推出
Figure BDA0002697584250000073
Figure BDA0002697584250000074
Figure BDA0002697584250000075
……
Figure BDA0002697584250000076
则有
Figure BDA0002697584250000077
而载波移频之后，在第n个扫频点处，即ωe＝n·Δω，同样我们有
Figure BDA0002697584250000078
Figure BDA0002697584250000079
Figure BDA00026975842500000710
……
则有
Figure BDA00026975842500000711
式中，H(ω0)、H(ω0+Δω)分别是待测光器件在频率为ω0、ω0+Δω处的频率响应，可预先测得；则结合式(18)和式(23)，可得：
Figure BDA0002697584250000081
Figure BDA0002697584250000082
则根据以上，我们即可得到待测光器件在频率为ω0±nΔω处的频率响应H(ω0±nΔω)。
综上，控制及数据处理模块控制微波源的扫频过程，并同时对幅相接收模块提取到的幅度和相位信息进行上述处理，即可得到待测光器件的频率响应。

Claims (8)

1.一种光器件频率响应测量方法，其特征在于，用步进频率为Δω的微波扫频信号分别对频率为ω0、ω0+Δω的第一光载波、第二光载波进行双边带电光调制，并令所生成的第一光双边带信号、第二光双边带信号分别经过待测光器件后进行光电探测，测量出对应于各扫频点nΔω的光电流i(nΔω)、i1(nΔω)，n＝1，2，3，…，N，N为所述微波扫频信号的扫频点数；最后依据以下公式获得待测光器件在频率为ω0±nΔω处的频率响应H(ω0±nΔω)：
Figure FDA0002697584240000011
Figure FDA0002697584240000012
其中，H(ω0)、H(ω0+Δω)分别是预先测得的待测光器件在频率为ω0、ω0+Δω处的频率响应，“*”表示取共轭。
2.如权利要求1所述光器件频率响应测量方法，其特征在于，利用工作在线性工作点的马赫曾德尔调制器实现所述双边带电光调制。
3.如权利要求1所述光器件频率响应测量方法，其特征在于，第二光载波通过将第一光载波移频Δω得到。
4.如权利要求3所述光器件频率响应测量方法，其特征在于，利用声光调制器实现所述移频。
5.一种光器件频率响应测量装置，其特征在于，包括：
电光调制单元，用于用步进频率为Δω的微波扫频信号分别对频率为ω0、ω0+Δω的第一光载波、第二光载波进行双边带电光调制，生成第一光双边带信号、第二光双边带信号；
光电探测单元，用于对经过待测光器件后的第一光双边带信号、第二光双边带信号进行光电探测；
测量单元，用于测量出对应于各扫频点nΔω的光电流i(nΔω)、i1(nΔω)，n＝1，2，3，…，N，N为所述微波扫频信号的扫频点数；
控制及数据处理单元，用于依据以下公式获得待测光器件在频率为ω0±nΔω处的频率响应H(ω0±nΔω)：
Figure FDA0002697584240000021
Figure FDA0002697584240000022
其中，H(ω0)、H(ω0+Δω)分别是预先测得的待测光器件在频率为ω0、ω0+Δω处的频率响应，“*”表示取共轭。
6.如权利要求5所述光器件频率响应测量装置，其特征在于，所述电光调制单元为工作在线性工作点的马赫曾德尔调制器。
7.如权利要求5所述光器件频率响应测量装置，其特征在于，第二光载波通过将第一光载波移频Δω得到。
8.如权利要求7所述光器件频率响应测量装置，其特征在于，利用声光调制器实现所述移频。
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