CN113551882A - 一种具有时域分辨能力的光矢量分析技术及装置 - Google Patents

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潘洲阳
杨锋
吴怡凡
吴晴
时婕
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王爽
蔡宇翔
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Abstract

本发明公开了一种具有时域分辨能力的光矢量分析技术及装置，涉及光器件频率响应测量领域。针对现有技术测量范围小、测量底噪大的问题，提供一种具有时域分辨能力的光矢量分析技术，使用非对称光双边带信号进行作为测量信号以扩大测量范围，使用光电振荡器作为微波源以降低底噪。本发明将单频光信号展宽成为低相干光信号，将其作为光载波，使用基于非对称光双边带调制的光矢量分析方法对包含多个待测光器件的光链路进行频率响应测量，得到多个待测光器件的叠加频率响应信息，最后在时域中从所述叠加频率响应信息中分离出各个待测光器件的频率响应信息。本发明可同时测量一条链路中多个待测光器件，且具有测量范围大、时域分辨率高的特点。

Description

一种具有时域分辨能力的光矢量分析技术及装置
技术领域
本发明涉及一种光器件频率响应测量方法，尤其涉及一种具有时域分辨能力的光矢量分析技术及装置。
背景技术
光器件的特征、功能、潜在应用等重要参数的揭示离不开频率响应，频率响应的精确测量的实现，也是光学、光电子学、生命科学、天文学、材料学等诸多学科的基础问题。比如在金刚石薄膜光导率研究中，频率响应能够反映金刚石薄膜的光导率；天体物理研究需要高灵敏度和大视场的探测器，而频率响应的精确度与探测器性能息息相关；在细胞研究过程中，频率响应的变化可以表征细胞周期的变化；在制造硅基光器件时，频率响应强度可以表征硅基光器件的性能。因此，频率响应测量是光器件研发和制造过程中不可或缺的一个环节。
常用的光器件频率响应测量方法主要有扫频干涉法和基于微波光子的光矢量分析技术两种。扫频干涉法中最常用的两种分别是光谱仪和基于扫频干涉法的光矢量分析技术，光谱仪通常利用扫频激光器和光功率计测量待测光器件的幅度响应(D.Derickson,C.Hentschel,and J.Vobis.Fiber Optic Test and Measurement[M].Prentice Hall,1998,Chap.1.8.1.)，该方法简单且易于实现，但只能测量幅度响应且分辨率低；基于扫频干涉法的光矢量分析技术使用不同偏振态的扫频光测量待测光器件的矩阵传输函数(DawnK.Gifford,Brian J.Soller,Matthew S.Wolfe,and Mark E.Froggatt.Optical vectornetwork analyzer for single-scan measurements of loss,group delay,andpolarization mode dispersion[J].Applied Optics,2005,44(34):7282-7286.)，该方法可以测得光器件完整的频率响应，但是受限于扫频激光器，分辨率通常是百MHz，分辨率低且成本高。
基于微波光子的光矢量分析技术，通过将微波信号经电光调制器调制到光载波上，从而将微波扫频转变为精细的光扫频，克服了使用扫频激光器的光矢量分析技术频域分辨率低的缺点，常用的方法包括基于光单边带调制和基于光双边带调制两种。基于光单边带调制的光矢量分析技术使用单边带进行精细扫频(S.L.Pan and M.Xue,“Ultrahigh-Resolution Optical Vector Analysis Based on Optical Single-SidebandModulation,”in Journal ofLightwave Technology,vol.35,no.4,pp.836-845,15Feb.15,2017)，理论上分辨率可以达到亚Hz，但是由于高阶边带引入的杂散，动态范围受到限制。基于光双边带调制的光矢量分析技术，避免了高阶边带带来的影响，提高了动态范围，拓宽了测量范围，频域分辨率也达到Hz级别。
近年来，随着复杂光子系统的广泛应用，如光控波束形成网络、长距离光纤通信等，对光矢量分析的时域分辨能力提出了要求。然而现有方法(S.P.Li,T.Qing,L.H.Wang,X.F.Chen,Y.J.Fang,X.H.Tang,M.H.Cao,and S.L.Pan,“Optical vector analyzer withtime-domain analysis capability,”Opt.Lett.vol.46,no.186-189,2021)由于使用的是基于光单边带调制的光矢量分析方法，因此测量范围不够宽，导致宽带光器件无法测量，而且，现有方法中使用的微波源底噪过大，导致测得响应不准确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，针对现有技术测量范围小、测量底噪大的问题，提供一种具有时域分辨能力的光矢量分析技术，使用非对称光双边带信号进行作为测量信号以扩大测量范围，使用光电振荡器作为微波源以降低底噪。测量范围大、测量底噪低、可同时测量多个待测光器件、时域分辨率高。
一种具有时域分辨能力的光矢量分析技术及装置，将单频光信号展宽成为低相干光信号，将其作为光载波，使用基于非对称光双边带调制的光矢量分析方法对包含多个待测光器件的光链路进行频率响应测量，得到多个待测光器件的叠加频率响应信息，最后在时域中从所述叠加频率响应信息中分离出各个待测光器件的频率响应信息。
优选地，所述将单频光信号展宽成为低相干光信号具体为：用编码信号对单频光信号进行声光调制。
优选地，使用矢量平衡探测方法对包含多个待测光器件的光链路进行频率响应测量，具体如下：将非对称光双边带信号分成两路，一路作为探测路，经过所述包含多个待测光器件的光链路，再与光电探测器连接，另一路作为参考路，直接送至光电探测器，之后经过光电转换，从两路信号中提取处所述多个待测光器件的叠加的频率响应信息。
优选地，所述在时域中从所述叠加频率响应信息中分离出各个待测光器件的频率响应信息的方法具体如下：将所述多个待测光器件的叠加频率响应信息转换至时域，得到在时域上分离的所述多个待测光器件的时域响应，对各个待测光器件的时域响应加不同时间宽度的矩形窗函数，将不同待测光器件对应的时域响应提取出来，最后将各个待测光器件的时域响应转换至频域，即可得到各个待测光器件的频率响应信息。
优选地，所述基于非对称光双边带调制的光矢量分析方法具体如下：将所述低相干光信号分成两路，一路用声光调制器进行移频，一路使用光电振荡器作为微波源进行调制，再将两路信号进行合束，得到非对称光双边带调制光信号。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
由于采用编码信号对光信号进行声光调制，相比于用宽谱电信号对光信号进行声光调制，得到的光信号相干性更低，时域分辨率更高。
由于采用非对称光双边带调制信号作为测量信号，相比于光单边带调制信号作为测量信号，测量结果不受高阶边带的影响，且测量范围扩大了一倍，能够准确测量宽带光器件。
由于使用光电振荡器作为微波源进行非对称光双边带调制，得到的测量信号底噪更低，测量时得到的较微弱信号不会被底噪淹没导致测量结果不准确。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
针对现有技术存在的测量范围小、测量底噪大的问题，本发明的解决思路是在现有技术的基础上，采用非对称光双边带调制信号作为测量信号，扩大测量范围，采用光电振荡器作为微波源，大幅降低底噪，进而在保证时域分辨率高的同时，测量范围大、测量底噪低。
发明人对现有技术进行了大量研究和分析，发现目前已有的具有时域分辨率的光矢量分析技术使用光单边带信号进行测量，因为只使用了一个边带，导致测量范围较小，在测量宽带光器件时，由于测量范围不够而无法准确测量；又由于现有技术使用的微波源为普通微波源，相位噪声一般为-120dBc/Hz左右，相位噪声过大，会将一些光器件的响应淹没，导致测量结果不准确。
基于以上发现，本发明提出了以下技术方案：
一种具有时域分辨能力的光矢量分析技术，将单频光信号展宽成为低相干光信号，将其作为光载波，使用基于非对称光双边带调制的光矢量分析方法对包含多个待测光器件的光链路进行频率响应测量，得到多个待测光器件的叠加频率响应信息，最后在时域中从所述叠加频率响应信息中分离出各个待测光器件的频率响应信息。
上述方案中的将单频光信号展宽成为低相干光信号可采用声光调制、DFB激光器直调、外腔激光器直调等现有技术实现，本发明优选采用对单频光信号进行声光调制的方式来实现。
上述方案中使用非对称光双边带信号作为测量信号是为了扩大测量范围，光单边带调制信号只使用了单边光信号，导致测量范围较小。
上述技术方案对于反射式测量和直通式测量均可适用。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施案例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本实施案例中的光器件频率响应测量装置包括：低相干光信号产生模块、非对称光双边带信号产生模块、测量模块及分析模块，其具体结构如图1所示(分析模块在图1中未表示)，具体包括可调谐激光器、任意波形发生器、声光调制器、光电振荡器、待测光链路、光电探测器、幅相探测器以及若干光耦合器、光环形器。
如图1所示，将可调激光器输出的单频光信号由声光调制器展宽为低相干光载波，将其分为两路，一路用光电振荡器生成的微波信号对其进行光双边带调制，生成光双边带信号，另一路用声光调制器进行移频，再将两路信号耦合，得到具有低相干光载波的非对称光双边带信号，其中展宽的具体操作为使用任意波形发生器产生编码信号，经声光调制器调制到可调激光器输出的光载波上；将所述的非对称光双边带信号分成两路，一路作为探测路，经过待测光链路中的多个待测光器件，之后进行光电探测，得到携带多个待测光器件频率响应信息的微波信号，另一路作为参考路，直接进行光电探测；将两路探测出的微波信号做比值，即可得到多个待测光器件叠加的频率响应信息；再使用逆傅里叶变换、时域加窗、傅里叶变换，即可得到各个待测器件的频率响应信息。
设光载波的频率为ωc，光电振荡器频率为ωe，光载波的移频频率为Δω。图1中的a为可调激光器输出的频谱图，b为经过声光调制器之后的低相干光载波频谱图，c为移频后的低相干光载波，d为经过马赫-曾德尔调制器调制后的光信号，e为。
设非对称光双边带调制信号为：
Figure BDA0003174221730000051
其中，Hsys(ωc)为测量系统动态响应，A-1、A0和A+1分别为-1阶边带、载波和+1阶边带的复幅度。
经过光分束器后分成两路，其中探测路信号通过环形器测量多个待测光器件反射得到的信号为：
Figure BDA0003174221730000052
其中，Htot(ω)为所有待测光器件频率响应信息的叠加，通过光电探测后的光电流为：
Figure BDA0003174221730000053
Figure BDA0003174221730000061
其中，ηp为探测路光电探测器的响应度。
同理可得参考路信号经光电探测后的光电流为：
Figure BDA0003174221730000062
Figure BDA0003174221730000063
其中，ηr为参考路光电探测器的响应度。
使用幅相探测器同时提取两路光电流的幅相信息，各个待测光器件的叠加频谱响应可以通过下式得到：
Figure BDA0003174221730000064
Figure BDA0003174221730000065
从叠加的频率响应得到各个待测光器件的频率响应的解析方法具体如下：
将得到的叠加的频率响应进行逆傅里叶变换转换为时域信息，即可得到一系列对应不同待测光器件的时域响应脉冲，原本在频域上无法区分的信息，在时域上被区分开；针对不同的时域脉冲响应，加不同时间宽度的矩形窗函数，将不同待测光器件对应的时域响应提取出来，对提取出来的时域响应进行傅里叶变换，即可得到各个待测光器件的频率响应信息。
以上实施方式仅为说明本发明的技术思想，并不用于限制本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本发明技术方案基础上所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有时域分辨能力的光矢量分析技术及装置，其特征在于，将单频光信号展宽成为低相干光信号，将其作为光载波，使用基于非对称光双边带调制的光矢量分析方法对包含多个待测光器件的光链路进行频率响应测量，得到多个待测光器件的叠加频率响应信息，最后在时域中从所述叠加频率响应信息中分离出各个待测光器件的频率响应信息。
2.根据权利要求1所述具有时域分辨能力的光矢量分析技术及装置，其特征在于，所述将单频光信号展宽成为低相干光信号，用编码信号对单频光信号进行声光调制。
3.根据权利要求1所述具有时域分辨能力的光矢量分析技术及装置，其特征在于，使用矢量平衡探测方法对包含多个待测光器件的光链路进行频率响应测量，具体如下：将非对称光双边带信号分成两路，一路作为探测路，经过所述包含多个待测光器件的光链路，再与光电探测器连接，另一路作为参考路，直接送至光电探测器，之后经过光电转换，从两路信号中提取处所述多个待测光器件的叠加的频率响应信息。
4.根据权利要求1所述具有时域分辨能力的光矢量分析技术及装置，其特征在于，所述在时域中从所述叠加频率响应信息中分离出各个待测光器件的频率响应信息的方法具体如下：将所述多个待测光器件的叠加频率响应信息转换至时域，得到在时域上分离的所述多个待测光器件的时域响应，对各个待测光器件的时域响应加不同时间宽度的矩形窗函数，将不同待测光器件对应的时域响应提取出来，最后将各个待测光器件的时域响应转换至频域，即可得到各个待测光器件的频率响应信息。
5.根据权利要求1所述具有时域分辨能力的光矢量分析技术及装置，其特征在于，所述基于非对称光双边带调制的光矢量分析方法具体如下：将所述低相干光信号分成两路，一路用声光调制器进行移频，一路使用光电振荡器作为微波源进行调制，再将两路信号进行合束，得到非对称光双边带调制光信号。
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