CN113375913A

CN113375913A - 高精度光矢量分析装置及方法

Info

Publication number: CN113375913A
Application number: CN202110921826.1A
Authority: CN
Inventors: 王辉文; 刘晓平; 张晓磊; 温永强; 张晓乔
Original assignee: Wuhan Haoheng Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Haoheng Technology Co ltd
Priority date: 2021-08-12
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2021-09-10

Abstract

本发明公开了一种高精度光矢量分析装置，该装置中，光源发出的扫频激光分别进入第一干涉光路、第二干涉光路；第一干涉光路工作时，第一测量信号经过待测器件后与参考信号发生拍频干涉，并由偏振分束器将产生的拍频信号分为偏振态相互垂直的两路，分别为第一、第二拍频信号；第二干涉光路工作时，偏振方向与第一测量信号垂直的第二测量信号经过待测器件后与参考信号发生拍频干涉产生第三、第四拍频信号；处理四个拍频信号得到待测器件的琼斯矩阵，进而可获得器件光学参数。本发明能实现器件全波长范围内幅频响应的高精度测量并间接获得其他光学参数，简单便捷，有效缩短了测量时间。

Description

高精度光矢量分析装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种高精度光矢量分析装置及方法。

背景技术

随着光通信产业规模持续扩大，为了满足5G对光网络带宽需求增加的新挑战，高端芯片、器件的研制势必会进入大爆发的阶段。其中，精确测量这些芯片、器件的幅度、相位以及偏振响应将成为该领域技术创新、突破的重要前提和有力支撑。对器件光谱响应的测量主要为群延时、偏振模色散、偏振相关损耗等光学参数的测量。目前，难以在一套系统中完成上述所有参数的测量，且每个参数的测量可通过多种方式实现，彼此之间测量差异较大，难以获取精准的测量结果。

如常用的PMD测试方法主要有四种，首选的琼斯矩阵特征值法是利用偏振模色散与琼斯矩阵特征值之间的关系，测出一系列波长下的偏振模色散，对其取平均，完成偏振模色散的测量。该方法需要在测量过程中不断改变波长，重复测量每一波长下的琼斯矩阵，测量步骤复杂，耗时较长。

已有研究表明可通过基于宽带电调制的光矢量分析技术、基于光单边带调制的光矢量分析技术实现器件多维光谱响应测量，但其涉及的高精度调制模块或信号接收模块造价较高，且还存在着动态范围小、测量范围窄等问题，因而无法作为通用的高分辨率、高精度光矢量分析技术得到广泛应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有器件光谱响应测量技术中存在的测量步骤复杂、测量动态范围小、误差大等问题，提供一种高精度光矢量分析装置及方法，在实现器件全波长范围内幅频响应高精度测量的同时缩短测量时间，节约测量成本。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种高精度光矢量分析装置，包括线性扫频激光器、保偏分束器、第一干涉光路、第二干涉光路、参考光路、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡及计算机：

线性扫频激光器，用于输出波长周期性变化的扫频激光；

保偏分束器，将扫频激光分为三路，包括第一测量信号光、第二测量信号光和参考信号光，分别进入第一干涉光路、第二干涉路及参考光路；

第一干涉光路，用于使第一测量信号光经过待测器件后与参考信号光发生拍频干涉，产生拍频信号，经过分束后形成第一拍频信号和第二拍频信号；

第二干涉光路，用于使第二测量信号与第一测量信号的偏振方向垂直，且经过待测器件后与参考信号光发生拍频干涉，产生拍频信号，经过分束后形成第三拍频信号和第四拍频信号；

第一光电探测器，用于将第一拍频信号、第三拍频信号转化为电信号；

第二光电探测器，用于将第二拍频信号、第四拍频信号转化为电信号；

数据采集卡，用于对电信号进行数据采集；

计算机，用于对采集到的信号进行运算处理，解调出待测器件的琼斯矩阵，并计算得到待测器件的光学参数。

接上述技术方案，第一干涉光路包括顺次连接的第一延时线圈、光开关、待测器件、保偏耦合器及偏振分束器；保偏分束器与所述保偏耦合器之间还直接通过光纤连接成所述参考光路；

参考信号光在保偏耦合器处与第一测量信号发生拍频干涉，并经偏振分束器分束，形成相互垂直的第一拍频信号和第二拍频信号。

接上述技术方案，第二干涉光路包括顺次连接的二分之一波片、第二延时线圈，二分之一波片的输入端与保偏分束器的输出端连接，第二延时线圈的输出端与光开关连接，光开关控制第一干涉光路、第二干涉光路的切换；经二分之一波片后，第二测量信号光的偏振方向与第一测量信号光垂直；

参考信号光在保偏耦合器处与第二测量信号发生拍频干涉，并经偏振分束器分束，形成相互垂直的第三拍频信号和第四拍频信号。

接上述技术方案，该计算机还与线性扫频激光器连接，控制线性扫频激光器的工作。

接上述技术方案，光学参数包括待测器件的插损、色散、偏振模色散和偏振相关损耗。

接上述技术方案，所有保偏器件均在同一偏振轴下工作。

本发明还提供一种高精度光矢量分析方法，包括以下步骤：

线性扫频激光器输出波长周期性变化的扫频激光；

将扫频激光分为三路，包括第一测量信号光、第二测量信号光和参考信号光，分别进入第一干涉光路、第二干涉路及参考光路；

第一干涉光路中，第一测量信号光经过待测器件后与参考信号光发生拍频干涉，产生拍频信号，经过分束后形成第一拍频信号和第二拍频信号；

第二干涉光路中，使第二测量信号与第一测量信号的偏振方向垂直，且经过待测器件后与参考信号光发生拍频干涉，产生拍频信号，经过分束后形成第三拍频信号和第四拍频信号；

将第一拍频信号、第三拍频信号转化为电信号；

将第二拍频信号、第四拍频信号转化为电信号；

对电信号进行数据采集；

对采集到的信号进行运算处理，解调出待测器件的琼斯矩阵，并计算得到待测器件的光学参数。

本发明产生的有益效果是：本发明将偏振态正交的两个测量信号分别经由待测器件后与参考信号产生四个拍频信号，解调处理获待测取器件的琼斯矩阵，实现全波长范围内幅频响应的高精度测量并间接获得待测器件的光学参数。本发明具有高精度、高分辨率的特点，且测量方法简单，能有效提升测量效率，节约成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例高精度光矢量分析装置示意图；

图2为本发明另一实施例高精度光矢量分析装置示意图；

图3为第一干涉光路工作时，对检测到的信号进行FFT变换的结果示意图。

图中：1为线性扫频激光器，2为保偏分束器，3为第一延时线圈，4为二分之一波片，5为第二延时线圈，6为光开关，7为待测器件，8为保偏耦合器，9为偏振分束器，10为第一光电探测器，11为第二光电探测器，12为数据采集卡，13为计算机，s为第一干涉光路，p为第二干涉光路，r为参考光路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例高精度光矢量分析装置包括线性扫频激光器1、保偏分束器2、第一干涉光路s、第二干涉光路p、参考光路r、第一光电探测器10、第二光电探测器11、数据采集卡12及计算机13。

线性扫频激光器1发出的扫频激光经由保偏分束器2分为第一测量信号光、第二测量信号光和参考信号光，分别进入第一干涉光路s、第二干涉光路p及参考光路r。

第一干涉光路s工作时，第一测量信号光经过待测器件后与参考信号光发生拍频干涉，产生拍频信号，经过分束后形成第一拍频信号和第二拍频信号。第一干涉光路s中产生的第一、第二拍频信号分别由第一光电探测器10、第二光电探测器11转化为电信号。

第二干涉光路p工作时，使第二测量信号光与第一测量信号光的偏振方向垂直。经过待测器件后与参考信号光发生拍频干涉，产生拍频信号，经过分束后形成第三拍频信号和第四拍频信号。第二干涉光路p中产生的第三、第四拍频信号分别由第一光电探测器10、第二光电探测器11转化为电信号。

数据采集卡12对上述拍频信号进行数据采集并输送给计算机13进行分析处理。

进一步地，本发明的计算机还控制线性扫频激光器1工作。

本发明的一个实施例中，如图2所示，第一干涉光路s包括第一延时线圈3、光开关6（本实施例中为1*2的光开关）、待测器件7、保偏耦合器8及偏振分束器9。保偏分束器2分出的光分别进入第一延时线圈3、保偏耦合器8，前者为第一测量信号光，后者为参考信号光。第一测量信号光顺次经过光开关6、待测器件7后与参考信号光在保偏耦合器8处发生拍频干涉，产生的信号经由偏振分束器9分为偏振态相互垂直的两路，分别为第一、第二拍频信号。

第二干涉光路p包括二分之一波片4、第二延时线圈5、光开关6、待测器件7、保偏耦合器8及偏振分束器9。保偏分束器2分出的光分别进入二分之一波片4、第二延时线圈5，前者为第二测量信号光，后者为参考信号光。第二测量信号光顺次经过光开关6、待测器件7后与参考信号光在保偏耦合器8处发生拍频干涉，产生的信号经由偏振分束器9分为偏振态相互垂直的两路，分别为第三、第四拍频信号。

进一步地，上述装置通过光开关6控制第一干涉光路s、第二干涉光路p的切换。

通过上述装置进行高精度光矢量分析测试时，扫频激光被分为三路，分别进入第一干涉光路s、第二干涉光路p及参考光路r。

首先，调整光开关6，使第一干涉光路s连通，携带待测器件幅频响应信息的第一测量信号光与参考信号光发生拍频干涉后被分为偏振态相互垂直的两路，该拍频干涉信号经第一光电探测器10转换为电信号，被数据采集卡采集。

其次，调整光开关6，使第二干涉光路p连通。经由二分之一波片4后，第二测量信号光的偏振方向与第一测量信号光垂直，相继经过待测器件、保偏耦合器8，产生的拍频信号被分为偏振态相互垂直的两路，经第二光电探测器11转换为电信号，被数据采集卡采集。

最后，对两次采集中获取的四个拍频信号进行解调处理，得到待测器件的琼斯矩阵，进而通过计算得到器件的插损、色散、偏振模色散PMD、偏振相关损耗PDL等光学参数。

高精度光矢量分析装置中所有保偏器件均在同一偏振轴下工作，如均为慢轴工作。

本发明的原理是：经由保偏分束器输出的三束光（第一干涉光路s的测量光、第二干涉光路p的测量光、参考光r），设其光场分别为：

其中，

分别为三束光的初始相位。光继续向前传播，到达待测器件前，光场可分别表示为：

分别表示到达待测器件前，第一干涉光路、第二干涉光路、参考光的光场。A(t)表示振幅，ω(t)表示相位，

分别表示第一、第二线圈的延时，t表示时间。经过待测器件后：

表示待测器件的琼斯矩阵。当第一干涉光路连通时：

其中

为第一干涉光路连通时，输出光的光场，

分别为复振幅表示的琼斯矢量a(ω)、c(ω)。产生的第一、第二拍频信号分别对应于上述两项。对第一干涉光路工作时检测到的拍频信号进行FFT变换，可得到如图3所示的结果图。图中，第一个干涉峰包含了琼斯矢量a(ω)的相关信息，第二个干涉峰包含了琼斯矢量c(ω)的相关信息。第一拍频信号由相干检测得到，由其原理可知，光电探测器输出的光电流为：

式中，I ₁为第一光电探测器输出的电流，I ₂为第二探测器输出的电流，

代表干涉仪两臂的时延，前两项均为直流信号，第三项为相干项。滤除直流项后，相干项会被用来进行信号解调。由于参考光的各项参数都是已知的，从中可以获取琼斯矢量a(ω)、c(ω) 。

第二干涉光路工作时，同理可以获取琼斯矢量b(ω)、d(ω)，从而通过两次测量可以得到待测器件的琼斯矩阵，进一步计算可得待测器件的其他光学参量，如插损IL、色散CD、偏振模色散PMD、偏振相关损耗PDL等。

设琼斯矩阵H(ω)的表达式为：

则插损(IL)的计算公式为：

群延时（GD）的计算公式为：

其中,Δω表示光频率的变化。本系统用到的是线性扫频光源，最终得到是波长-群延时的关系曲线，可以理解为每个波长下有一个群延时GD，i+1就是i的下一个点，*表示复数的共轭复数。

色散（CD)的计算公式为：

其中，Δλ表示光波长的变化。

偏振相关损耗(PDL)的计算公式为：

M1、M2为琼斯矩阵与其共轭转置矩阵相乘所得矩阵的特征值。

偏振模色散（PMD）的计算公式：

Q ₁ 、Q ₂为琼斯矩阵与其逆矩阵相乘所得矩阵的特征值。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种高精度光矢量分析装置，其特征在于，包括线性扫频激光器、保偏分束器、第一干涉光路、第二干涉光路、参考光路、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡及计算机：

线性扫频激光器，用于输出波长周期性变化的扫频激光；

数据采集卡，用于对电信号进行数据采集；

2.如权利要求1所述的高精度光矢量分析装置，其特征在于，所述第一干涉光路包括顺次连接的第一延时线圈、光开关、待测器件、保偏耦合器及偏振分束器；所述保偏分束器与所述保偏耦合器之间还直接通过光纤连接成所述参考光路；

参考信号光在保偏耦合器处与第一测量信号发生拍频干涉，并经所述偏振分束器分束，形成相互垂直的第一拍频信号和第二拍频信号。

3.如权利要求2所述的高精度光矢量分析装置，其特征在于，第二干涉光路包括顺次连接的二分之一波片、第二延时线圈，二分之一波片的输入端与保偏分束器的输出端连接，第二延时线圈的输出端与光开关连接，光开关控制第一干涉光路、第二干涉光路的切换；经二分之一波片后，第二测量信号光的偏振方向与第一测量信号光垂直；

4.如权利要求1所述的高精度光矢量分析装置，该计算机还与线性扫频激光器连接，控制线性扫频激光器的工作。

5.如权利要求1-4中任一项所述的高精度光矢量分析装置，其特征在于，光学参数包括待测器件的插损、色散、偏振模色散和偏振相关损耗。

6.如权利要求1-4中任一项所述的高精度光矢量分析装置，其特征在于，所有保偏器件均在同一偏振轴下工作。

7.一种高精度光矢量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

线性扫频激光器输出波长周期性变化的扫频激光；

将第一拍频信号、第三拍频信号转化为电信号；

将第二拍频信号、第四拍频信号转化为电信号；

对电信号进行数据采集；

8.如权利要求7所述的高精度光矢量分析方法，其特征在于，光学参数包括待测器件的插损、色散、偏振模色散和偏振相关损耗。