CN112432764B

CN112432764B - 光器件宽带频率响应测量方法及装置

Info

Publication number: CN112432764B
Application number: CN201910795108.7A
Authority: CN
Inventors: 文俊; 石迪飞; 李明; 祝宁华; 李伟
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2022-11-08
Anticipated expiration: 2039-08-26
Also published as: CN112432764A

Abstract

本发明公开了一种光器件宽带频率响应测量方法及装置，该装置包括：光信号产生模块，产生整形光信号；信号处理模块，接收该整形光信号，对其进行移频调制、分路延时和二次相位滤波的信号处理；信号探测模块，接收经过信号处理的光信号，对其进行转化和探测，得到幅相响应信息；以及分析计算模块，接收该幅相响应信息，对其进行傅里叶变换，得到待测器件的宽带频率响应值。本发明对宽带频率响应进行整段测量，大大降低了测量操作的复杂度，避免了分段测量中拼接数据导致的测量误差，基于对非相干光源的信号处理技术进行测量，不仅大大降低了精确测量系统的成本，更重要的是，为光器件测量技术开辟了新的方向。

Description

光器件宽带频率响应测量方法及装置

技术领域

本发明属于光器件测量方法及装置领域，更具体地涉及一种光器件宽带频率响应测量方法及装置。

背景技术

高性能光器件是构建高性能光通信、光传感系统的核心，因而精确获取光器件频谱特征对光电子系统的设计与构建有着非凡的意义。随着光电子技术越来越蓬勃的发展，被广泛应用的光无源器件越来越向功能、特征多样化、高精细度的方向发展。为获取光器件频谱特性，传统的测量方案通常基于激光干涉与相移。这些方案可以达到较大的工作带宽，但测量精度则受限于可调谐激光器的调节精度(通常在100MHz以上)，无法胜任高分辨率的测量；更重要的是，这些测量方案的可靠性严重受限于激光波长与光链路的稳定性，因此很难有再提高的空间，日渐无法满足实际应用需求。

为提高光器件的测量精确度，目前常见的有基于微波光子学的高精度光矢量分析方法，通过光电映射将器件在光域的频谱特性通过电光调制搬移到微波域，借助微波领域高精度的信号产生与测量技术，实现对光器件的超高精度测量(1MHz以下)。众多研究者基于单边带扫描的光矢量分析方法，提出了一系列改进方法，但单边带扫频方法存在一系列明显不足。如，单边带方案存在高阶边带引入的测量误差与大测量动态范围之间的权衡，无法适用于带通型器件的测量。众多研究者提出了一系列方案来克服单边带光矢量分析方法的上述弊病，然而，该测量方案的测量带宽始终无法突破光电子器件频率带宽的限制(典型值40GHz)。

为了解决光电映射方法的带宽限制，现有的方案采用了光频梳，可以通过分信道多次测量结合数据缝合的技术，使得测量带宽覆盖较宽的范围；最近报道的双边带扫频测量技术，相比前者可使单次测量范围加倍。然而，这一类测量技术依然存在明显不足。其一，单次测量的带宽较窄，耗时严重，以双边带技术的典型单次测量范围40GHz为例，若要覆盖10nm测量范围，考虑响应曲线缝合的重叠折损，需要40次以上测量，整个过程将繁琐而冗长，效率低下；其二：分信道测量结果之间的缝合可能人为引入误差，且测量误差不断累积。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于提出一种光器件宽带频率响应测量方法及其装置，用于解决以上技术问题中的至少之一。

为了达到上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出了一种光器件宽带频率响应测量方法，包括以下测量步骤：

非相干光源产生光信号，该光信号经过一光谱整形模块进行整形，得到整形后的光信号的频谱功率谱范围等于待测的频率范围；

该整形后的光信号经由光分束器分为上路光信号和下路光信号，其中，该上路光信号经过一被扫频微波信号调制的移频模块进行移频，该下路光信号经过一待测器件和一可调光延时线实现光链路的延时补偿，移频后的该上路光信号和延时补偿后的下路光信号再通过光合束器耦合，然后传输至色散元件进行二次相位滤波。进一步的，其中的扫频微波信号由一扫频微波源产生；

将二次相位滤波后的光信号传输至一光电探测器，转换为微波信号，进一步的，上述扫频微波源产生的扫频微波信号输入至一微波幅度相位探测器作为参考信号，该微波信号输入该微波幅度相位探测器探测并结合该参考信号得到幅相响应信息；

该幅相响应信息输入一分析计算模块进行傅里叶变换，得到未校准的待测器件的频率响应；

然后，取出该待测器件，直接连接该待测器件的前后链路，调节可调光延时线使得该待测器件取出前后链路长度不变，重复上述测量步骤，得到测量系统的频率响应；

最后，用上述未校准的待测器件的频率响应，扣除该测量系统的频率响应，即可得到准确的待测器件的频率响应值。

为了达到上述目的，作为本发明的另一个方面，本发明还提出了一种光器件宽带频率响应测量装置，包括：

光信号产生模块，用于产生经整形后的光信号，该整形后的光信号的频谱功率谱范围等于待测频率范围；

信号处理模块，用于接收该整形后的光信号，对其进行移频、分路延时和二次相位滤波的信号处理；

信号探测模块，用于接收经过信号处理的光信号，对其进行转化和探测，得到幅相响应信息；以及

分析计算模块，用于接收该幅相响应信息，并对其进行傅里叶变换，得到待测器件的宽带频率响应值。

一些实施例中，该光器件宽带频率响应测量装置还包括：

一扫频微波源，输出扫频微波信号至信号处理模块和信号探测模块。

进一步地，上述测量装置中：

光信号产生模块包括：

一非相干光源，产生上述光信号；和

一光谱整形模块，对该光信号进行整形。

信号处理模块包括：

光分束器，用于接收整形的光信号并将其分为上路光信号和下路光信号；

一移频模块，用于接收上路光信号，并结合扫频微波信号对该上路光信号进行移频调制；

待测器件，设置于光分束器和一可调光延时线之间，接收下路光信号；

所述可调光延时线，用于补偿下路光信号经过该待测器件后的光链路延时；

光合束器，用于对该上路光信号和该下路光信号进行耦合；以及

一色散元件，用于接收该光合束器耦合后的光信号，并对其进行相位滤波。

信号探测模块包括：

一光电探测器，用于探测通过信号处理模块的光信号，并将其转换为微波信号；

一微波幅度相位探测器，用于探测上述扫频微波信号得到参考幅相响应信息，和/或用于探测该光探测元件输出的微波信号得到实际幅相响应信息。

进一步地，上述分析计算模块为矢量分析计算模块。

本发明提出的该光器件宽带频率响应测量方法及装置，具有以下有益效果：

1、本发明通过对测量的幅相响应作傅里叶变换，直接得到完整的宽频带光器件频谱幅相响应的测量，相比于光电映射的传统方案，大大拓宽了测量范围；

2、本发明仅需包含待测器件的测量过程与不包含待测器件的系统响应校准过程，由两次测量的幅相响应结果进行简单处理即可得到光频谱特性，避免了分信道多次测量的繁琐过程，更避免了缝合大量数据可能人为引入的测量误差；

3、本发明所采用的光源是最简单非相干光源，相比所有传统方案所需的可调谐、高稳定性激光器而言，大大节约了构建成本，更为光器件测量技术开辟了全新的方向。

附图说明

图1是本发明一实施例提出的光器件宽带频率响应值测量装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提出的光器件宽带频率响应值测量装置的实例图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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。

本发明通过下述实施例提供了一种光器件宽带频率响应测量方法及装置，其主要思路是，构建一个基于非切割的非相干光源的微波光子滤波器，其滤波器幅相响应与非相干光在延时路所经历的的幅相滤波特征呈傅里叶变换的关系，因此可通过探测微波光子滤波器的幅相响应进行逆傅里叶变换，求得非相干光延时路的光器件光域幅相响应。本实施例中，非相干光源产生宽谱光信号，该宽谱光信号各频率成分之间不相干，结合图2中的测量装置实例图，本发明一实施例提供了该光器件宽带频率响应测量装置，一般的，请参照图1，该装置包括：

光信号产生模块，用于产生经整形后的光信号，该整形后的光信号的频谱功率谱范围等于待测频率的范围；

一些实施例中，该光器件宽带频率响应测量装置还包括：

具体的，请参照图2，上述测量装置中：

光信号产生模块包括：

一非相干光源，产生非相干光信号；和

一光谱整形模块，对该非相干光信号进行整形，输出功率谱平坦的光信号。

信号处理模块包括：

其中，该可调光延时线用于补偿下路光信号经过该待测器件后的光链路延时；

信号探测模块包括：

一些实施例中，上述分析计算模块为矢量分析计算模块。

基于上述光器件宽带频率响应测量装置，本发明另一实施例提供了一种光器件宽带频率响应测量方法，其测量方案的具体实施步骤描述如下：

步骤1、非相干光源产生光信号，将该光信号经过一光谱整形模块进行整形，使输出的宽谱光信号功率谱平坦，其频谱功率谱范围等于待测的频率范围；

步骤2、对该整形后的功率谱平坦的宽谱光信号进行信号处理，具体包括：整形后的宽谱光信号由光分束器分为上路光信号和下路光信号，其中，该上路光信号经过一被扫频微波信号调制的移频模块进行移频，该下路光信号经过一待测器件和一可调光延时线实现光链路的延时补偿，然后该上下两路光信号通过光合束器结合，之后传输至色散元件进行相位滤波，一些实施例中，该扫频微波信号由一扫频微波源产生；

步骤3、对步骤2所述经过信号处理后的宽谱光信号进行探测，具体包括：将二次相位滤波后的宽谱光信号传输至一光电探测器，转换为微波信号，一些实施例中，上述扫频微波源产生的扫频微波信号输入至一微波幅度相位探测器作为参考信号，该微波信号由一微波幅度相位探测器探测并结合该参考信号得到扫频的幅相响应信息；

步骤4、该扫频的幅相响应信息输入一分析计算模块，经过傅里叶变换，得到未校准的待测器件的频率响应；

步骤5、取出该待测器件，直接连接该待测器件的前后链路，调节可调光延时线使得该待测器件取出前后链路长度不变，重复步骤1-4，得到测量系统的频率响应；

步骤6、用步骤4中未校准的待测器件的频率响应，扣除步骤5中测量系统的频率响应，即可得到准确的待测器件的频率响应值。

下面根据该实施例，阐述上述测量装置的原理，以便公众理解本发明的技术方案。

本实施例中，假设宽谱光信号产生模块输出的经过整形后的光场为E_A(Ω)，则该频谱可视作随机变量，该随机变量符合以下规律：

<E(Ω)E^*(Ω′)>＝2πN(Ω)δ(Ω-Ω′)， (1)

其中，N(Ω)为宽谱光功率谱密度。该光信号经光分束器分为两路，上路经过移频，下路经过延时及可调光延时线调节光程，之后上下两路经光合束器合束，合束后的光信号可以表达为：

E₂(Ω)＝m₁E_A(Ω+ω_m)+cH(Ω)E_A(Ω)e^-jΩΔT， (2)

其中，c是下路光载波强度系数，m₁表示上路移频光信号的强度，ΔT表示上下两路光链路的真时延差，H(Ω)表示延时路中设置的待测器件的频率响应。耦合后的宽谱光被注入到一段色散元件，其中色散元件的传输函数可以表达为：

其中Ω₀为色散中心。经过色散元件后的宽谱光信号输入光电探测器，被转换为微波信号，根据平方律检波原理，光电探测器输出的微波信号可表达为：

其中，E₃(Ω)＝E₂(Ω)H_DE(Ω)为色散元件输出光场的频域表达，γ是与探测器响应度及链路损耗相关的一常数。根据公式(1)-(3)，公式(4)中光电流表达式可化简为：

其中，H_b(ω_m)是一个微波光子滤波器的基础传输函数，其响应如下给出：

考虑到输入微波信号的频域表达可以写作2πδ(ω-ω_m)，则该微波光子滤波器的传输响应可以写作：

结合(6)(7)两式可知，待测的光域频率响应可表达为：

其中，

具体测量实施过程中，单次测量后根据公式(8)和(9)得到的同时包含系统的幅相响应与待测器件的幅相响应，即，H(Ω)＝H_DUT(Ω)H_sys(Ω)。通过移除待测器件，再次测量系统的幅相响应，并在校准操作中加以扣除，即可得到精确的待测器件幅相响应。假设接入待测器件与不接入待测器件测量过程中，微波幅相探测器得到的幅相响应分别是T₁(ω_m)和T₂(ω_m)，移频光路与可调延时线路的真时延差分别为ΔT₁和ΔT₂，则待测器件的频率响应可表达为：

对于给定的测量系统，公式(10)中的参数β₁，β₂都是可以预先知道的；ΔT₂-ΔT₁是两次测量期间，可调光延时的延时调节量，可以精确获得；T₁(ω_m)和T₂(ω_m)则是两次测量中微波幅度相位探测器所探得的幅相数据。至此，一个光待测器件的宽带光谱幅相响应测量完成。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在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

1.一种光器件宽带频率响应测量方法，其特征在于，包括以下测量步骤：

非相干光源产生宽谱光信号，所述宽谱光信号各频率成分之间不相干，所述宽谱光信号经过一光谱整形模块进行整形，得到整形后的光信号的频谱功率谱范围等于待测的频率范围；

所述整形后的光信号经由光分束器分为上路光信号和下路光信号，所述上路光信号经过一被扫频微波信号调制的移频模块进行移频，所述下路光信号经过一待测器件和一可调光延时线实现光链路的延时补偿，移频后的所述上路光信号和延时补偿后的所述下路光信号再通过光合束器耦合，然后传输至色散元件进行二次相位滤波；

将二次相位滤波后的光信号传输至一光电探测器，转换为微波信号，所述微波信号输入一微波幅度相位探测器进行探测得到幅相响应信息；

所述幅相响应信息输入一分析计算模块进行傅里叶变换，得到未校准的待测器件的频率响应；

其中，所述微波信号输入一微波幅度相位探测器进行探测得到幅相响应信息包括：

所述扫频微波信号输入所述微波幅度相位探测器作为参考信号，所述参考信号结合所述微波信号得到幅相响应信息；

还包括：

取出所述待测器件，直接连接所述待测器件的前后链路，调节可调光延时线使得所述待测器件取出前后链路长度不变，重复所述测量步骤，得到测量系统的频率响应；

用所述未校准的待测器件的频率响应，扣除所述测量系统的频率响应，得到待测器件的频率响应值。

2.根据权利要求1所述的光器件宽带频率响应测量方法，其特征在于，所述扫频微波信号由一扫频微波源产生。

3.一种光器件宽带频率响应测量装置，其特征在于，包括：

光信号产生模块，用于产生经整形后的光信号，所述整形后的光信号的频谱功率谱范围等于待测的频率范围，所述光信号产生模块包括：一非相干光源，产生宽谱光信号，所述宽谱光信号各频率成分之间不相干；和一光谱整形模块，对所述宽谱光信号进行整形；

信号处理模块，用于接收所述整形后的光信号，对其进行移频、分路延时和二次相位滤波的信号处理；

分析计算模块，用于接收所述幅相响应信息，对其进行傅里叶变换，得到待测器件的宽带频率响应值；

还包括：

一扫频微波源，输出扫频微波信号至所述信号处理模块和所述信号探测模块；

其中，所述信号处理模块包括：

光分束器，用于接收所述整形的光信号并将其分为上路光信号和下路光信号；

一移频模块，用于接收上路光信号，并结合所述扫频微波信号对所述上路光信号进行移频调制；

待测器件，设置于所述光分束器和一可调光延时线之间，接收下路光信号；

所述可调光延时线，用于补偿所述下路光信号经过所述待测器件后的光链路延时；

光合束器，用于对所述上路光信号和所述下路光信号进行耦合；以及

一色散元件，用于接收所述光合束器耦合后的光信号，并对其进行二次相位滤波；

所述信号探测模块包括：

一光电探测器，用于探测通过所述信号处理模块的光信号，并将其转换为微波信号；

一微波幅度相位探测器，用于探测所述扫频微波信号得到参考幅相响应信息，和/或用于探测所述光电探测器输出的微波信号得到实际幅相响应信息。

4.根据权利要求3所述的光器件宽带频率响应测量装置，其特征在于，所述分析计算模块为矢量分析计算模块。