CN114323589A - 一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量及装置，属于光电探测技术领域，本发明在两次测量中分别产生偏振态正交的两组光载波，在每次的测量过程中产生功率且相位互补的光双边带强度调制信号，两组调制信号依次通过待测光器件并转换为光电流，利用两组光双边带信号测量的结果结合矩阵运算求解处的待测光器件在琼斯矩阵表示下偏振频率响应的两个参量，通过两次在不同偏振态上测量的结果求得最终待测光器件的整体偏振响应的琼斯矩阵表达形式，本发明能够实现宽带、高精度偏振频率响应测量，解决传统双边带调制中光器件频响测量系统复杂、测量速度慢等问题，能够提升偏振频响测量系统的稳定性，且大幅度降低系统的成本和复杂度，提高测量速度。

Description

一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量方法及装置

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，更具体来说，涉及一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量及装置。

背景技术

光器件频率响应包括幅度、相位等多个维度。随着技术进步，产品升级换代，光连接器、光纤陀螺、光子芯片等一系列高精密光器件在研发和生产过程中都需要高分辨率、高精度的频率响应测量。尤其是在光器件的批量生产过程中，需要实时、快速、准确地对大量光器件进行检测。这对光器件频响测量手段提出了更高的要求，即：快速测量、高精度测量、高频率分辨率测量、长期稳定性好。

目前能够实现多维度的光器件频响测量方法主要包含五种方案：一是扫频干涉法，通过快速调谐激光器的波长，在干涉谱中提取待测光器件的幅相响应，该方案测量速度较快，但受限于激光器调谐精细度，目前成熟的商用产品OVA4000测量分辨率仅能达到MHz，难以进一步提高，同时形成了唯一能够实现光器件偏振频响响应测量的商用仪器；二是基于光学信道化的测量方案，在光信号上调制数字信号，利用信道估计的方案测量光器件的频响，该类型方案由于调制数字信号频谱较宽，测量分辨率也较低，仅为MHz量级，同时测量动态范围也较小；三是基于单边带调制的光矢量分析技术，对光信号进行单边带调制，通过精细的微波扫频辅以高精度的微波幅相接收可实现kHz量级测量分辨率，但是该方案测量带宽较窄，并且残留边带会抑制测量系统的动态范围；四是基于非对称双边带调制的光矢量分析技术，该方案在进行双边带调制的同时对光载波进行移频操作，通过两个不同频率的幅相接收机获取待测光器件的频响，该方案实现了较高的测量分辨率、测量精度、测量动态范围，但是该方案需要额外引入信号源和高功率的光电调制器件，导致结构复杂，系统成本较高；五是基于对称双边带调制的光矢量分析技术，该方案通过在系统内设置多个调制器或者通过改变调制器的偏置电压进行多次测量，在多次测量中求解方程组从而获得光器件的频响，对于多个调制器方案而言，该类型方案复杂，测量成本较高，对于多次改变调制器偏置电压的方案而言，该类型方案测量速度较慢，且改变调制器偏置电压会改变系统自身状态，影响测量系统的稳定性，导致其无法测量偏振响应。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的一种基于光双边带调制的光器件偏振频响快速测量方法，在实现高精度测量的同时，避免了传统双边带测量中使用多个调制器或者在多次测量中改变调制器的偏置电压，提升了测量系统的可靠性，显著提高了测量速度，实现了光器件偏振频率响应的测量，同时也大幅度降低系统的成本和复杂度。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量方法，测量方法包括如下步骤：

S1，将载波频率为ω_c连续的单波长光信号分束到上下两条支路，形成上支路信号和下支路信号；

S2，上支路光信号被频率为ω_m的微波扫频信号进行相位调制，产生双边带相位调制信号；

S3，下支路光信号与上支路光信号送入2×2光耦合器的两个输入端；

S4，2×2耦合器的两个输出端分别得到载波功率且相位互补的光双边带强度调制信号，记为第一探测光和第二探测光；

S5，将第一探测光和第二探测光分别通过待测光器件，得到第一光电流信号和第二光电流信号；

S6，分别提取第一光电流信号、第二光电流信号的幅度与相位信息，通过矩阵运算求解待测光器件在ω_c±ω_m处的频率响应信息H_DUT(ω_c-ω_m)和H_DUT(ω_c+ω_m)。

优选的，待测光器件在ω_c±ω_m处的频率响应运算矩阵如下：

其中H_DUTxx、H_DUTxy、H_DUTyx、H_DUTyy分别为待测光器件偏振响应在琼斯矩阵形式下的四个分量；H_xx、H_xy、H_yx、H_yy分别为整个链路的偏振响应在琼斯矩阵形式下的四个分量；H_SYSxx、H_SYSxy、H_SYSyx、H_SYSyy分别为测量系统的偏振响应在琼斯矩阵形式下的四个分量；^*代表取复共轭；具体如下：

其中i_T1xx(ω_m)、i_T2xx(ω_m)分别代表光载波位于x偏振态时，第一、二次测量中从光电探测器1中x偏振态上提取到频率为ω_m的光电流分量；i_T1xy(ω_m)、i_T2xy(ω_m)分别代表光载波位于x偏振态时，第一、二次测量从光电探测器2中y偏振态上提取到频率为ω_m的光电流分量；i_T1yx(ω_m)、i_T2yx(ω_m)分别代表光载波位于y偏振态时，第一、二次测量从光电探测器2中在x偏振态上提取频率为ω_m的光电流分量；i_T1yy(ω_m)、i_T2yy(ω_m)分别代表光载波位于y偏振态时，第一、二次测量中从光电探测器2中在y偏振态上提取频率为ω_m的光电流分量；i_SYS1xx(ω_m)、i_SYS2xx(ω_m)为光载波位于x偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器1中x偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；i_SYS1xy(ω_m)、i_SYS2xy(ω_m)为光载波位于x偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器2中y偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；i_SYS1yx(ω_m)、i_SYS2yx(ω_m)为光载波位于y偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器1中x偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；i_SYS1yy(ω_m)、i_SYS2yy(ω_m)为光载波位于y偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器2中y偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；

为可测常数，代表光载波处的偏振频率响应；E_x、E_y分别为光载波在x、y偏振态下的振幅；J_-1、J₀、J₊₁分别为经过相位调制后光双边带信号的负一阶边带、载波、正一阶边带的复振幅；

为分束再合束的过程上下两臂因臂长差而引入的相位差。

优选的，在不同微波频率ω_m处得到待测光器件频率响应在ω_c±ω_m两个频率处的幅度相位响应，得到待测光器件的宽带幅相响应。

优选的，在步骤S2之前，将上支路信号和下支路信号分别进行x偏振态和y偏振态控制。

一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量装置，包括：连续光源、偏振控制器、微波扫频源、2×1光开关、光电探测器、偏振分束器、幅相提取单元和控制及数据处理单元，控制及数据处理单元与连续光源、2×1光开关、微波扫频源以及幅相提取单元电性连接，光电探测器与幅相提取单元电性连接。

优选的，连续光源产生的光路经过2×1光开关后分成两路。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量装置，在两次测量中分别产生偏振态正交的两组光载波，在每次的测量过程中产生功率且相位互补的光双边带强度调制信号，两组调制信号依次通过待测光器件并转换为光电流，利用两组光双边带信号测量的结果结合矩阵运算求解处的待测光器件在琼斯矩阵表示下偏振频率响应的两个参量，通过两次在不同偏振态上测量的结果求得最终待测光器件的整体偏振响应的琼斯矩阵表达形式，本发明能够实现宽带、高精度偏振频率响应测量，解决传统双边带调制中光器件频响测量系统复杂、测量速度慢等问题，能够提升偏振频响测量系统的稳定性，且大幅度降低系统的成本和复杂度，提高测量速度。

附图说明

图1为本发明的一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量装置的结构示意图；

图2为本发明的一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量装置的双输出电光调制器的结构示意图。

示意图中的标号说明：

100、连续光源；

200、偏振控制器；

300、微波扫频源；

400、2×1光开关；

500、光电探测器；

600、偏振分束器；

700、幅相提取单元；

800、控制及数据处理单元。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

参照附图1所示，本实施例的一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量方法，测量方法包括如下步骤：

S1，将载波频率为ω_c连续的单波长光信号分束到上下两条支路，形成上支路信号和下支路信号；

S2，上支路光信号被频率为ω_m的微波扫频信号进行相位调制，产生双边带相位调制信号；

S3，下支路光信号与上支路光信号送入2×2光耦合器的两个输入端；

S4，2×2耦合器的两个输出端分别得到载波功率且相位互补的光双边带强度调制信号，记为第一探测光和第二探测光；

S5，将第一探测光和第二探测光分别通过待测光器件，得到第一光电流信号和第二光电流信号；

S6，分别提取第一光电流信号、第二光电流信号的幅度与相位信息，通过矩阵运算求解待测光器件在ω_c±ω_m处的频率响应信息H_DUT(ω_c-ω_m)和H_DUT(ω_c+ω_m)。

本实施例的待测光器件在ω_c±ω_m处的频率响应运算矩阵如下：

其中H_DUTxx、H_DUTxy、H_DUTyx、H_DUTyy分别为待测光器件偏振响应在琼斯矩阵形式下的四个分量；H_xx、H_xy、H_yx、H_yy分别为整个链路的偏振响应在琼斯矩阵形式下的四个分量；H_SYSxx、H_SYSxy、H_SYSyx、H_SYSyy分别为测量系统的偏振响应在琼斯矩阵形式下的四个分量；^*代表取复共轭；具体如下：

其中i_T1xx(ω_m)、i_T2xx(ω_m)分别代表光载波位于x偏振态时，第一、二次测量中从光电探测器500中x偏振态上提取到频率为ω_m的光电流分量；i_T1xy(ω_m)、i_T2xy(ω_m)分别代表光载波位于x偏振态时，第一、二次测量从光电探测器500中y偏振态上提取到频率为ω_m的光电流分量；i_T1yx(ω_m)、i_T2yx(ω_m)分别代表光载波位于y偏振态时，第一、二次测量从光电探测器500中在x偏振态上提取频率为ω_m的光电流分量；i_T1yy(ω_m)、i_T2yy(ω_m)分别代表光载波位于y偏振态时，第一、二次测量中从光电探测器500中在y偏振态上提取频率为ω_m的光电流分量；i_SYS1xx(ω_m)、i_SYS2xx(ω_m)为光载波位于x偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器500中x偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；i_SYS1xy(ω_m)、i_SYS2xy(ω_m)为光载波位于x偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器500中y偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；i_SYS1yx(ω_m)、i_SYS2yx(ω_m)为光载波位于y偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器500中x偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；i_SYS1yy(ω_m)、i_SYS2yy(ω_m)为光载波位于y偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器500中y偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；

为可测常数，代表光载波处的偏振频率响应；E_x、E_y分别为光载波在x、y偏振态下的振幅；J_-1、J₀、J₊₁分别为经过相位调制后光双边带信号的负一阶边带、载波、正一阶边带的复振幅；

为分束再合束的过程上下两臂因臂长差而引入的相位差。

本实施例的在不同微波频率ω_m处得到待测光器件频率响应在ω_c±ω_m两个频率处的幅度相位响应，得到待测光器件的宽带幅相响应。

在步骤S2之前，将上支路信号和下支路信号分别进行x偏振态和y偏振态控制。

一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量装置，包括：连续光源100、偏振控制器200、微波扫频源300、2×1光开关400、光电探测器500、偏振分束器600、幅相提取单元700和控制及数据处理单元800，控制及数据处理单元800与连续光源100、2×1光开关400、微波扫频源300以及幅相提取单元700电性连接，光电探测器500与幅相提取单元700电性连接，偏振控制器200控制来自光开关400的光路，偏振分束器600接收来自待测电气件的光路，并传递给光电探测器500。

本实施例的连续光源100产生的光路经过2×1光开关400后分成两路。

双输出电光调制器的结构如图2所示，其两个输出端口输出信号可分别表示为：

其中，j为虚数单位；E_in(t)为双输出电光调制器输入端进入的光信号时域表达式；V_RF(t)为双输出电光调制器上加载的微波信号；V_π为双输出电光调制器的半波电压；

为双输出电光调制器上下两臂因臂长差而引入的相位差。

下面对本发明技术方案的原理进行进一步详细说明：

连续光源100输出中心频率为ω_c的连续光E_in(t)，其表达式为：

其中，E_x为光信号在x偏振态上的幅值；E_y为光信号在y偏振态上的幅值。下面为了描述方便，先以x偏振态进行表述。

x偏振态下的光信号通过双输出电光调制器，被频率为ω_m的微波信号进行小信号调制。将公式(3)带入公式(1)和公式(2)，只考虑±1阶边带时，其表达式为：

其中，J_-1、J₀、J₊₁分别为经过相位调制后光双边带信号的负一阶边带、载波、正一阶边带的复振幅。

双输出电光调制器的两输出端口由2×1光开关400模块选择通断，依次经过待测光器件，记待测整个链路的琼斯矩阵

可表示为：

则通过待测光器件后，探测信号可分别表示为：

其中，

和

分别为待测光器件的传输函数和测量系统的传输函数；

为一可测常数，代表光载波处的频率响应。

随后光信号进入光电探测器500进行光电转换。只考虑拍频中的一次项，则两次测量中，幅相接收机提取得到的光电流可通过矩阵形式进行表达：

其中，i_T1xx(ω_m)、i_T2xx(ω_m)分别代表光载波位于x偏振态时，第一、二次测量中从光电探测器500中x偏振态上提取到频率为ω_m的光电流分量；i_T1xy(ω_m)、i_T2xy(ω_m)分别代表光载波位于x偏振态时，第一、二次测量从光电探测器500中y偏振态上提取到频率为ω_m的光电流分量；^*代表取复共轭。

待测光器件频率响应可由公式(9)、公式(10)进一步计算得到：

其中H_xx、H_xy、H_yx、H_yy分别为整个链路的偏振响应在琼斯矩阵形式下的四个分量。

为消除测量系统响应对测量结果的影响，需对测量系统进行直通校准。此时，测量系统表达式为：

其中，i_SYS1xx(ω_m)、i_SYS2xx(ω_m)为光载波位于x偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器500中x偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；i_SYS1xy(ω_m)、i_SYS2xy(ω_m)为光载波位于x偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器500中y偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；

为一可测常数，代表测量系统中光载波处的频率响应；H_SYSxx、H_SYSxy、H_SYSyx、H_SYSyy分别为测量系统的偏振响应在琼斯矩阵形式下的四个分量

记H_DUTxx、H_DUTxy、H_DUTyx、H_DUTyy分别为待测光器件偏振响应在琼斯矩阵形式下的四个分量。则最终待测光器件的频率响应可将公式(11)、公式(12)、公式(13)、公式(14)带入下式计算，得到待测光器件偏振响应中H_DUTxx、H_DUTxy分量在ω_c±ω_m处的频率响应信息：

同理，当控制光开关4001使得光载波在y偏振态时，则两次测量中，幅相接收机提取得到的光电流可通过矩阵形式进行表达：

其中，i_T1yx(ω_m)、i_T2yx(ω_m)分别代表光载波位于y偏振态时，第一、二次测量从光电探测器500中在x偏振态上提取频率为ω_m的光电流分量；i_T1yy(ω_m)、i_T2yy(ω_m)分别代表光载波位于y偏振态时，第一、二次测量中从光电探测器500中在y偏振态上提取频率为ω_m的光电流分量。

待测光器件频率响应可由公式(17)、公式(18)进一步计算得到：

为消除测量系统响应对测量结果的影响，需对测量系统进行直通校准。此时，测量系统表达式为：

其中，i_SYS1yx(ω_m)、i_SYS2yx(ω_m)为光载波位于y偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器500中x偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；i_SYS1yy(ω_m)、i_SYS2yy(ω_m)为光载波位于y偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器500中y偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息。

则最终待测光器件的频率响应可将公式(19)、公式(20)、公式(21)、公式(22)带入下式计算，可测得待测光器件偏振响应中H_DUTyx、H_DUTyy分量ω_c±ω_m处的频率响应信息：

总偏振频率响应

包含

和

两部分，写作：

控制及数据处理单元800通过不断改变微波信号频率ω_m，可以实现待测光器件的宽带偏振频响测量

以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量方法，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：

S1，将载波频率为ω_c连续的单波长光信号分束到上下两条支路，形成上支路信号和下支路信号；

S2，上支路光信号被频率为ω_m的微波扫频信号进行相位调制，产生双边带相位调制信号；

S3，下支路光信号与上支路光信号送入2×2光耦合器的两个输入端；

S4，2×2耦合器的两个输出端分别得到载波功率且相位互补的光双边带强度调制信号，记为第一探测光和第二探测光；

S5，将第一探测光和第二探测光分别通过待测光器件，得到第一光电流信号和第二光电流信号；

S6，分别提取第一光电流信号、第二光电流信号的幅度与相位信息，通过矩阵运算求解待测光器件在ω_c±ω_m处的频率响应信息H_DUT(ω_c-ω_m)和H_DUT(ω_c+ω_m)。

2.根据权利要求1所述的一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量方法，其特征在于，所述待测光器件在ω_c±ω_m处的频率响应运算矩阵如下：

其中H_DUTxx、H_DUTxy、H_DUTyx、H_DUTyy分别为待测光器件偏振响应在琼斯矩阵形式下的四个分量；H_xx、H_xy、H_yx、H_yy分别为整个链路的偏振响应在琼斯矩阵形式下的四个分量；H_SYSxx、H_SYSxy、H_SYSyx、H_SYSyy分别为测量系统的偏振响应在琼斯矩阵形式下的四个分量；^*代表取复共轭；具体如下：

其中i_T1xx(ω_m)、i_T2xx(ω_m)分别代表光载波位于x偏振态时，第一、二次测量中从光电探测器1中x偏振态上提取到频率为ω_m的光电流分量；i_T1xy(ω_m)、i_T2xy(ω_m)分别代表光载波位于x偏振态时，第一、二次测量从光电探测器2中y偏振态上提取到频率为ω_m的光电流分量；i_T1yx(ω_m)、i_T2yx(ω_m)分别代表光载波位于y偏振态时，第一、二次测量从光电探测器2中在x偏振态上提取频率为ω_m的光电流分量；i_T1yy(ω_m)、i_T2yy(ω_m)分别代表光载波位于y偏振态时，第一、二次测量中从光电探测器2中在y偏振态上提取频率为ω_m的光电流分量；i_SYS1xx(ω_m)、i_SYS2xx(ω_m)为光载波位于x偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器1中x偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；i_SYS1xy(ω_m)、i_SYS2xy(ω_m)为光载波位于x偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器2中y偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；i_SYS1yx(ω_m)、i_SYS2yx(ω_m)为光载波位于y偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器1中x偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；i_SYS1yy(ω_m)、i_SYS2yy(ω_m)为光载波位于y偏振态时，直通校准时幅相接收机在两次测量中从光电探测器2中y偏振态上提取频率为ω_m的光电流信息；

为可测常数，代表光载波处的偏振频率响应；E_x、E_y分别为光载波在x、y偏振态下的振幅；J_-1、J₀、J₊₁分别为经过相位调制后光双边带信号的负一阶边带、载波、正一阶边带的复振幅；

为分束再合束的过程上下两臂因臂长差而引入的相位差。

3.根据权利要求1所述的一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量方法，其特征在于：在不同微波频率ω_m处得到待测光器件频率响应在ω_c±ω_m两个频率处的幅度相位响应，得到待测光器件的宽带幅相响应。

4.根据权利要求1所述的一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量方法，其特征在于：在步骤S2之前，将上支路信号和下支路信号分别进行x偏振态和y偏振态控制。

5.一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量装置，其特征在于，包括：连续光源、偏振控制器、微波扫频源、2×1光开关、光电探测器、偏振分束器、幅相提取单元和控制及数据处理单元，所述控制及数据处理单元与连续光源、2×1光开关、微波扫频源以及幅相提取单元电性连接，所述光电探测器与幅相提取单元电性连接，所述偏振控制器控制来自光开关的光路，所述偏振分束器接收来自待测电气件的光路，并传递给光电探测器。

6.根据权利要求5所述的一种基于光双边带调制的光器件频响快速测量装置，其特征在于：所述连续光源产生的光路经过2×1光开关后分成两路。

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