CN113203552A - 基于双光频梳的快速矢量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

基于双光频梳的快速矢量测量装置及测量方法，该测量装置包括激光器、光频梳产生模块、待测试光器件模块、90°光混频器模块和数据处理模块。光频梳产生模块包括信号光频梳产生模块和本振光频梳产生模块，激光器分别与信号光频梳产生模块和本振光频梳产生模块连接，信号光频梳产生模块、待测试光器件模块、90°光混频器模块依次连接，本振光频梳产生模块与90°光混频器模块连接，90°光混频器模块的输出端与数据处理模块电连接。通过同一激光器源在光频梳产生模块分别产生信号光频梳和本振光频梳，然后对信号进行混频、傅里叶变换、归一化等处理，最终获取待测器件的频谱响应。本发明能抑制镜频信号的干扰，提高信号光频梳频谱利用率和测量精度。

Description

基于双光频梳的快速矢量测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及气体源测量领域，特别是涉及一种基于双光频梳的快速矢量测量装置及测量方法。

背景技术

目前，温室气体和污染物排放对全球气候变暖、人类健康和安全构成严重威胁。因此，对微量气体源进行区域探测、定量检测和产生来源分析意义重大。光谱响应精确测量是微量气体源精密定量检测和分析研究的重要手段。高精度光矢量网络分析仪器为大气实时遥感和医学快速诊断以及相关科学问题研究提供有力的测量技术保障。然而，由于待测试微量气体频谱响应快速变化特性，传统的激光器扫描测试法和基于精细微波调制信号扫描的光矢量网络分析仪难以快速测量。

现有的频谱响应分析技术，根据频谱响应测试结果的维度分为一维的光标量分析技术和多维的光矢量分析技术两类。激光器扫描式光谱测试技术和傅里叶光谱分析技术属于典型的光标量分析技术，傅里叶光谱分析技术虽然分辨率能达到～30MHz，但其测量时间长和易受外界干扰等缺陷限制了其仅适应于大线宽和频谱稳定性高的待测试器件。光矢量分析技术主要是基于单边带调制的光矢量分析技术，然而该方案仍存在测量带宽小、非线性误差大以及测量时间长等不足之处。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种基于双光频梳的快速矢量测量装置及测量方法，通过本振光频梳和I/Q解调模块对承载幅相信息的信号光频梳进行相干接收，对接收的下变频信号进行数字处理并提取各频点的幅相信息，从而实现频谱响应准实时测量、无需AOM等器件进行光载波移频等，提高了光谱利用效率，能够快速测量待测试光器件的光谱响应。

本发明的技术方案是：基于双光频梳的快速矢量测量装置，包括激光器、光频梳产生模块、待测试光器件模块、I/Q相干接收模块和数据处理模块。

所述光频梳产生模块包括第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一掺铒光纤放大器、第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制器、第四相位调制器和第二掺铒光纤放大器。

第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器和第一掺铒光纤放大器构成信号光频梳产生模块；第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制器、第四相位调制器和第二掺铒光纤放大器构成本振光频梳产生模块。

第一微波信号源的输出与第一电耦合器的输入端连接，第一电耦合器的两个输出分别与第一电放大器和第二电放大器的输入端连接，第一电放大器的输出端与第一相位调制器的第一输入端连接，第二电放大器的输出端与第一电移相器的输入端连接，第一电移相器的输出端与第二相位调制器的第一输入端连接，第一相位调制器的输出端与第二相位调制器的第二输入端连接，第二相位调制器的输出端与第一掺铒光纤放大器的输入端连接；本振光频梳产生模块与信号光频梳产生模块的结构和连接方式相同。

所述I/Q相干接收模块包括90°光混频器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一模/数转换器、第三光电探测器、第四光电探测器、第二模/数转换器。第一光电探测器、第二光电探测器的输出端分别与第一模/数转换器的输入端连接，第三光电探测器、第四光电探测器的输出端分别与第二模/ 数转换器的输入端连接。

所述数据处理模块主要用来对模数转换器采集的时域数据进行傅里叶变换，提取射频梳幅度和相位信息，通过归一化处理获取待测试器件频谱响应。

所述激光器的输出端分别与第一相位调制器和第三相位调制器的第二输入端连接，第一掺铒光纤放大器的输出端与待测试光器件模块的输入端连接，待测试光器件模块的输出端与90°光混频器模块的第一输入端连接，第二掺铒光纤放大器的输出端与90°光混频器模块的第二输入端连接，90°光混频器模块的第一～第四输出端分别与第一～第四光电探测器的输入端连接。

本发明进一步的技术方案是：所述激光器用于产生后续光频梳产生模块调制需要的光载波信号。

本发明的另一技术方案是：应用于前述基于双光频梳的快速矢量测量装置的测量方法，包括如下步骤，

A、启动激光器、第一微波信号源和第二微波信号源，在光频梳产生模块的第一、第二掺铒光纤放大器分别产生信号光频梳和本振光频梳。

B、将信号光频梳送入待测试光器件模块，待测试光器件模块的输出送入 90°光混频器模块，本振光频梳送入90°光混频器模块。

C、将90°光混频器模块的光输出信号送入光电探测器，光电探测器输出两路正交的I/Q光电流信号，并分别通过第一、第二模/数转换器进行时域数据采集。

D、通过数据处理器将采集的时域数据的Q路信号进行90°移相后进行傅里叶变换，提取下变频射频梳信号的幅频和相频响应，采用校准步骤进行归一化处理，最终获取待测器件的频谱响应。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1、本发明相比普通单臂相干探测，采用I/Q相干探测方式，既能实现信号光频梳的多外差下变频，还能抑制镜频信号的干扰，无需光载波移频处理，提高了信号光频梳的频谱利用率。

2、本发明通过本振光频梳和I/Q解调模块对承载幅相信息的信号光频梳进行相干接收，对接收的下变频信号进行数字处理并提取各频点的幅相信息，受益于异步光学采样原理，实现光器件频谱响应准实时测试，测量精度得到提高。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的矢量测量装置的原理结构图；

图2(a)、(b)分别为HCN分子单一吸收谱线的幅频响应和相频响应；

图3(a)为本振光频梳和信号光频梳在经过HCN分子吸收后的光谱图、3(b) 为图3(a)对应的频偏在-250MHz～250MHz局部光谱图；

图4(a)为测量臂多外差射频信号电谱图、4(b)为测量臂多外差射频信号幅度和相位信息图；

图5(a)为参考臂多外差射频信号电谱图、5(b)为参考臂多外差射频信号幅度和相位信息图；

图6(a)、(b)分别为测量的HCN分子单一吸收谱线的幅频响应和相频响应

具体实施方式

实施例，如图1所示，基于双光频梳的快速矢量测量装置，包括激光器 1、光频梳产生模块、待测试光器件模块3、I/Q相干接收模块4和数据处理模块5。

所述激光器1用于产生后续光频梳产生模块调制需要的光载波信号，激光器1输出光频率和功率分别为193THz和14.2mW。

所述光频梳产生模块包括第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一掺铒光纤放大器、第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制器、第四相位调制器和第二掺铒光纤放大器。

所述第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器和第一掺铒光纤放大器构成信号光频梳产生模块2-1；第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制器、第四相位调制器和第二掺铒光纤放大器构成本振光频梳产生模块2-2。

第一微波信号源的输出与第一电耦合器的输入端连接，第一电耦合器的两个输出分别与第一电放大器和第二电放大器的输入端连接，第一电放大器的输出端与第一相位调制器的第一输入端连接，第二电放大器的输出端与第一电移相器的输入端连接，第一电移相器的输出端与第二相位调制器的第一输入端连接，第一相位调制器的输出端与第二相位调制器的第二输入端连接，第二相位调制器的输出端与第一掺铒光纤放大器的输入端连接。

第一微波信号源经过第一电耦合器分为两路微波信号，两路微波信号分别通过第一电放大器和第二电放大器产生高功率射频调制信号，产生的光载波信号经过第一、二个相位调制器被高功率射频信号所调制，在第一掺铒光纤放大器的输出端得到重复频率为100MHz的信号光频梳。

其中，第一电移相器是为了确保两路射频调制信号的相位差为零，提高光频梳的平坦度；同时利用高功率射频信号增强电光调制的非线性，使得产生较多数目的梳齿；第一掺铒光纤放大器是为了对信号光频梳放大，从而提高光矢量测量系统的动态范围。

本振光频梳产生模块2-2与信号光频梳产生模块2-1的结构和连接方式相同，且基于相同的光频梳产生原理和方法，第二微波信号源产生频率不同的微波信号作为调制信号，在第一掺铒光纤放大器的输出端得到重复频率为 99MHz的本振光频梳。

信号光频梳和本振光频梳的重复频率差极小，且通过共用的激光器确保了双光梳相干性，通过第一、第二掺铒光纤放大器分别对信号光频梳和本振光频梳进行功率放大，提高双光梳矢量分析系统的测量范围和信噪比。因此，基于时间透镜原理，通过级联相位调制器产生了双相干光频梳，为后续的快速光矢量测量提供了光源基础。

所述I/Q相干接收模块4包括第一光电探测器、第二光电探测器、第一模/数转换器、第三光电探测器、第四光电探测器、第二模/数转换器。第一光电探测器、第二光电探测器的输出端分别与第一模/数转换器的输入端连接，第三光电探测器、第四光电探测器的输出端分别与第二模/数转换器的输入端连接。

所述数据处理器5用于对其输入信号进行傅里叶变换、射频梳信号的幅频和相频响应提取、归一化处理，最终获取待测器件频谱响应。

所述激光器1的输出端分别与第一相位调制器和第三相位调制器的第二输入端连接，第一掺铒光纤放大器的输出端与待测试光器件模块3的输入端连接，待测试光器件模块3的输出端与90°光混频器模块的第一输入端连接，第二掺铒光纤放大器的输出端与90°光混频器模块的第二输入端连接，90°光混频器模块的第一～第四输出端分别与第一～第四光电探测器的输入端连接。

本实施例中待测试光器件模块3为待测试的HCN分子吸收模型。所述HCN 分子吸收模型的衰减系数具有近洛伦兹线型。HCN分子单一吸收谱线的幅频响应和相频响应如图2(a)、(b)所示，从该图2(a)、(b)能够看出其中心吸收深度为6dB，半高全宽为1GHz，谱宽为10GHz。

利用上述基于双光频梳的快速矢量测量装置对待测试的HCN分子吸收模型的测量方法包括如下步骤：

A、启动激光器1、第一微波信号源和第二微波信号源，在光频梳产生模块的第一、第二掺铒光纤放大器分别产生信号光频梳和本振光频梳。

B、将信号光频梳送入HCN分子吸收模型3，HCN分子吸收模型3的输出送入90°光混频器模块，本振光频梳送入90°光混频器模块。

具体的推导过程如下：假设HCN分子吸收模型在信号光梳第n根梳齿对应频率处的幅度衰减及相移分别为a_1，n和φ_1，n，则与HCN分子吸收模型作用后的信号光频梳表示如下：

其中，A_1，n为频率ω_1，n梳齿的幅值，下标1,n表示信号光频梳第n根梳齿。

在本次推导中，只考虑信号和本振光频梳第0、±1根梳齿，对该方案镜像抑制混频特性和光矢量测量功能进行验证，所有梳齿同时考虑的推导过程基本类似，具体如下：

其中，A_2，n为本振梳第n根梳齿幅值，ω₀为激光器输出光频率，ω₁和ω₂分别为信号光频梳、本振光频梳的重复频率，且ω₁＞ω₂。

图3(a)、(b)分别示出了本振光频梳的光谱图和信号光频梳在经过HCN 分子吸收后的光谱图，从图3(a)能够看出信号光频梳光谱中心频率为193 THz，测量带宽为10GHz，由此可知该信号光频梳经过HCN分子吸收后梳齿幅度存在衰减，即信号光频梳梳齿出现被“吸收”情况。为了明显观察信号光频梳梳齿被“吸收”情况，图3(b)示出了图3(a)信号光频梳和本振光频梳频偏在-250到250MHz的局部光谱图，从图3(b)能够看出相对于本振光频梳，信号光频梳各梳齿因被HCN分子对应频率吸收而存在衰减，表明其对应频点的频谱响应已被信号光学频率梳各梳齿携带。

C、90°光混频器模块的光输出信号在经过光电探测器后输出两路正交的I/Q光电流信号，并分别通过第一、第二模/数转换器进行时域数据采集；

具体的推导过程为：信号光频梳与本振光频梳分别输入90°光混频器后，光输出信号为：

上式中的四路光输出信号在光电探测器内进行光电转换后，得到两路正交的I/Q光电流信号为：

由于光域梳齿频率极高难以直接进行数据采集，因而将本振光频梳作为参考光梳，通过I/Q相干探测方式进行多外差相干探测，实现信号光频梳到射频的下转换，图4(a)、(b)分别示出了测量臂多外差射频信号电谱图和测量臂多外差射频信号幅度和相位信息图，其中，测量臂为连接HCN分子模块时的测量装置，如图1所示，从图4(a)中能够看出，10GHz谱宽的信号光频梳下转换为频率小于50MHz的多射频信号，下转换因子为100，为了提取射频梳齿承载的幅相信息，对图4(a)对应的时域干涉信号进行接收，并在数字域处理提取信号光频梳接收信号各频点的幅相信息，其信号幅度和相位信息如图4(b)所示，从该图4(b)能够看出通过应用I/Q相干探测技术，避免了光载波移频处理，提高了光梳利用效率。

为了去除测量系统本身的频谱响应，在无待测器件时进行测量，并在通过第一、第二模/数转换器时在数字域处理提取接收信号各频点的幅相信息，即测量参考臂在数字域处理提取接收信号各频点的幅相信息，参考臂指的是图1中去除HCN分子模块时的测量装置。图5(a)、(b)分别示出了参考臂多外差射频信号电谱图和参考臂多外差射频信号幅度和相位信息图。

D、数据处理器5将采集的时域数据的Q路信号进行90°移相后进行傅里叶变换，提取下变频射频梳信号的幅频和相频响应，采用校准步骤进行归一化处理，最终获取待测器件的频谱响应。

具体的推导过程为：采用高速采集卡采集I路和Q路光电流信号，并在数字域对Q路信号进行90°移相，处理后的Q路光电流与I路接收信号耦合，经过DSP得到的信号表达式为：

从上式可见，信号光频梳频率为ω₁-ω₂和ω₂-ω₁的射频信号分别携带了HCN分子吸收模型对应频点的幅相信息，通过后续数字处理即可提取。

为了消除测量装置的频谱响应，去掉待测器件进行校准测试，得到的参考信号为：

结合式(5)和(6)进行幅相归一化处理，得到HCN分子吸收模型在频偏为ω₁-ω₂和ω₂-ω₁的幅度和相位分别为：

当考虑信号光频梳所有梳齿进行幅相测试时，即完成待HCN分子吸收模型多频点同时幅相提取，实现HCN分子吸收模型准实时光矢量测量。

在信号光频梳和本振光频梳已成功提取对应的“射频梳齿”幅相响应后，通过归一化步骤和数据拟合得到如图6(a)、(b)所示的HCN分子单一吸收谱线的幅频响应和相频响应，从图6(a)、(b)中能够看出测试频谱宽度为6GHz，频谱采集点为58个，分辨率为100MHz，由此可知通过上述测量方法测试的频谱响应与图2(a)、(b)的HCN频谱响应基本保持一致，提高了测量精度；且单个频谱测量时间低达1μs，大大的缩短了测量时间。

Claims (3)

1.基于双光频梳的快速矢量测量装置，其特征是：包括激光器、光频梳产生模块、待测试光器件模块、I/Q相干接收模块和数据处理模块；

所述光频梳产生模块包括第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一掺铒光纤放大器、第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制器、第四相位调制器和第二掺铒光纤放大器；

第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器和第一掺铒光纤放大器构成信号光频梳产生模块；第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制器、第四相位调制器和第二掺铒光纤放大器构成本振光频梳产生模块；

第一微波信号源的输出与第一电耦合器的输入端连接，第一电耦合器的两个输出分别与第一电放大器和第二电放大器的输入端连接，第一电放大器的输出端与第一相位调制器的第一输入端连接，第二电放大器的输出端与第一电移相器的输入端连接，第一电移相器的输出端与第二相位调制器的第一输入端连接，第一相位调制器的输出端与第二相位调制器的第二输入端连接，第二相位调制器的输出端与第一掺铒光纤放大器的输入端连接；本振光频梳产生模块与信号光频梳产生模块的结构和连接方式相同；

所述I/Q相干接收模块包括90°光混频器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一模/数转换器、第三光电探测器、第四光电探测器、第二模/数转换器；第一光电探测器、第二光电探测器的输出端分别与第一模/数转换器的输入端连接，第三光电探测器、第四光电探测器的输出端分别与第二模/数转换器的输入端连接；

所述数据处理模块主要用来对模数转换器采集的时域数据进行傅里叶变换，提取射频梳幅度和相位信息，通过归一化处理获取待测试器件频谱响应；

所述激光器的输出端分别与第一相位调制器和第三相位调制器的第二输入端连接，第一掺铒光纤放大器的输出端与待测试光器件模块的输入端连接，待测试光器件模块的输出端与90°光混频器模块的第一输入端连接，第二掺铒光纤放大器的输出端与90°光混频器模块的第二输入端连接，90°光混频器模块的第一～第四输出端分别与第一～第四光电探测器的输入端连接。

2.如权利要求1所述的基于双光频梳的快速矢量测量装置，其特征是：所述激光器模块用于产生后续光频梳产生模块调制需要的光载波信号。

3.应用于权利要求1或2所述的基于双光频梳的快速矢量测量装置的测量方法，其特征是：包括如下步骤，

A、启动激光器、第一微波信号源和第二微波信号源，在光频梳产生模块的第一、第二掺铒光纤放大器分别产生信号光频梳和本振光频梳；

B、将信号光频梳送入待测试光器件模块，待测试光器件模块的输出送入90°光混频器模块，本振光频梳送入90°光混频器模块；

C、将90°光混频器模块的光输出信号送入光电探测器，光电探测器输出两路正交的I/Q光电流信号，并分别通过第一、第二模/数转换器进行时域数据采集；

D、通过数据处理器将采集的时域数据的Q路信号进行90°移相后进行傅里叶变换，提取下变频射频梳信号的幅频和相频响应，采用校准步骤进行归一化处理，最终获取待测器件的频谱响应。

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