CN1652483A - 使用信号调制的外差光网络分析方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于表征被测器件(DUT)的光学性能的方法和系统。如下对被测器件(DUT)的群时延进行测量：在不同频率对本地振荡器信号的测试部分和基准部分进行调制以产生调制边带，将本地振荡器信号的已调制测试部分提供给DUT，然后光学混合两个已调制信号。光学混合两个已调制信号将光频向下转变到电频。由DUT引起的相变通过测量本地振荡器信号测试部分的调制边带之间的相差来确定。可以不用光学混合而用电混合来实现频率转变。

Description

使用信号调制的外差光网络分析方法和系统

技术领域

本发明一般地涉及表征被测器件(Device Under Test，DUT)的光学性能，更具体地说，涉及用于测量DUT的幅度、相位和群时延(groupdelay)的技术。

背景技术

对于光通信网络的成功设计和操作来说，确定光学元件和网络的光学特性是很关键的因素。光学元件或网络的重要特性是在透射或反射中测得的幅度、相位和群时延响应。光学元件或网络的偏振依赖特性包括偏振依赖损耗(PDL)和微分群时延(DGD)。群时延特性尤受关注，因为相对来说难以使用传统技术对其进行测量。群时延被定义为元件或网络的相位响应(即元件传递函数H(ω)＝a(ω)exp(j(ω))的相位项(ω)，其中a(ω)指幅度响应)的导数(变化率)的相反数。即，群时延是相位线性的量度，并由下面的等式定义：

其中，ω是光角频率(以弧度每秒表示)。

传统上使用公知的调制相移法来测量群时延。调制相移法是基本上不会被例如温度变化和振动的环境不稳定性和物理不稳定性所影响的相对测量技术。调制相移法的缺点是，由于其依赖于直接检测，所以它的动态范围有限。

也已经使用各种基于干涉测量法的方法来测量群时延。与调制相移法相比，基于干涉测量法的方法提供更好的动态范围。但是，公知的基于干涉测量法的方法对例如温度变化和振动的环境和物理的不稳定极度敏感。

发明内容

根据本发明，如下地测量DUT的群时延：在不同频率下对本地振荡器信号的测试部分和基准部分进行调制以产生调制边带，将本地振荡器信号的已调制测试部分提供给DUT，然后光学混合这两个已调制信号。光学混合这两个已调制信号将光频向下转变到电频。由DUT引起的相位变化通过测量本地振荡器信号测试部分的调制边带之间的相位差来确定。因为通过测量调制边带之间的相位差来获得相位变化，所以对于实用目的，群时延表征对环境和物理不稳定性不敏感。此外，因为这种表征基于本地振荡器信号的两个部分的干涉，所以该过程涉及光学外差，从而具有宽的动态范围。可以不通过光学混合而通过电混合来实现频率转变。例如，本地振荡器信号的测试部分在第一频率下被调制以产生调制边带，被提供给DUT，然后与本地振荡器信号的基准部分光学混合以生成电信号。然后，从本地振荡器信号的测试部分和基准部分的光学混合产生的电信号与另一个电信号电混合，以完成频率转变。

附图说明

图1描绘了根据本发明的用于测量DUT的幅度、相位和群时延响应的系统的实施例，该系统包括具有测试信号调制器的测试臂和具有基准信号调制器的基准臂。

图2A描绘了本地振荡器信号的已相位调制测试部分的谱峰。

图2B描绘了本地振荡器信号的已相位调制基准部分的谱峰。

图3A描绘了在光域中本地振荡器信号的已调制测试部分的谱峰和相关电场。

图3B描绘了在光域中本地振荡器信号的已调制基准部分的谱峰和相关电场。

图3C描绘了响应于本地振荡器信号的测试部分和基准部分混合后的电场而产生的光检测器电流在电域(electrical domain)中的谱峰。

图4描绘了根据本发明的用于测量DUT偏振特性的系统的实施例，该系统在测试臂中使用偏振调制。

图5A描绘了本地振荡器信号的偏振调制测试部分的谱峰。

图5B描绘了本地振荡器信号的已相位或偏振调制基准部分的谱峰。

图6是对偏振调制的本地振荡器信号的三维描绘。

图7以三维形式描绘了在传播通过DUT之前和之后偏振调制的本地振荡器信号的偏振状态。

图8以三维形式描绘了根据本地振荡器信号的偏振调制测试部分与本地振荡器信号的相位调制基准部分的混合的Jones矩阵元素的恢复。

图9描绘了根据本发明的用于测量DUT光学特性的系统的实施例，该系统使用两个串联的调制器。

图10描绘了用于测量DUT的幅度、相位和群时延响应的系统，该系统使用电混合。

图11描绘了用于测量DUT的偏振依赖特性的系统，该系统使用电混合。

图12A描绘了可以与图1和图4的系统一起使用的集成光学元件，其包括两个调制器。

图12B描绘了可以与图1和图4的系统一起使用的集成光学元件，其包括两个调制器、一个分离器和一个耦合器。

图12C描绘了可以与图1和图4的系统一起使用的两个集成光学元件，其包括分离器、耦合器和调制器。

图13描绘了用于分析DUT的光学性能的方法的流程图。

具体实施方式

图1描绘了根据本发明的用于测量DUT的幅度、相位和群时延性能的系统100的实施例。该系统包括本地振荡器源102、分光器104、测试臂106、基准臂108、调制控制器110、DUT接口112、光组合单元114、光接收器116以及处理单元118。为了描述的目的，该系统被连接到DUT120，但是DUT不必是系统的一部分。应该注意，通篇说明书中，可以使用相同的标号来标识相同的单元。

参照图1，本地振荡器源102产生本地振荡器信号122。在一个实施例中，本地振荡器源是扫描范围大于等于20GHz的高度相干可调激光器。该扫描激光器可以连续扫描。在DUT表征过程中，一般对本地振荡器信号进行一定波长或频率范围的扫描，以在该波长范围内表征DUT。在一个实施例中，在1,550纳米的本地振荡器信号的扫描速度大约为100nm/s或12.5MHz/μs，扫描范围大约为100nm。但是，扫描速度和扫描范围可以更高或更低。在一个实施例中，在一定波长范围内扫描本地振荡器信号包括在多个步骤中通过突然的相位变化将本地振荡器信号递增地调节到不同的波长。在根据本发明的另一个实施例中，在一定波长范围内扫描本地振荡器信号包括通过平缓的“摺状”相变在波长之间进行平缓的转变。

本地振荡器源102与分光器104进行光通信。在图1的实施例中，本地振荡器光纤126将本地振荡器源光学连接到分光器。分光器还与系统100的测试臂106和基准臂108进行光通信。分光器将本地振荡器信号分成分别提供给测试臂和基准臂的测试部分和基准部分。分光器可以是将本地振荡器信号输出到至少两个光路中的光耦合器。例如，分光器可以是光学定向的3dB光纤耦合器，但是可以使用其他分光器。

测试臂106包括测试光纤128、130和132、测试信号调制器134以及DUT接口112。测试臂将分光器104光学连接到光组合单元114，使得本地振荡器信号的测试部分从分光器经过测试信号调制器134和DUT 120传播到光组合单元。测试信号调制器调制本地振荡器信号的测试部分，以生成本地振荡器信号的已调制测试部分。测试信号调制器可以是相位调制器、偏振调制器或强度调制器。在一个实施例中，调制器是Ti不扩散的LiNbO₃调制器。下面更详细地描述信号调制。

DUT接口112将DUT 120光学连接到系统100。在图1的配置中，DUT接口包括两个连接点，它们将DUT光学连接在测试信号调制器134和光组合单元114之间。特别地，这两个连接点包括能使光纤130和132被耦合到DUT的端口的两个光纤连接器。或者，DUT接口可以是能使DUT被光学连接在测试信号调制器和光组合单元之间的任何光学系统或机件。如这里所描述的，DUT接口意于包括能使DUT被光学连接在测试信号调制器和光组合单元之间的任何光学系统或机件。

DUT 120可以是例如光纤、滤波器、多路复用器、多路分离器、循环器等待表征的光学元件。DUT还可以是由多个光学元件组成的光网络。通过DUT接口可以将不同的DUT连接到系统。根据DUT的具体情况，DUT可以在透射或反射中被表征。

系统100的基准臂108包括基准光纤136和138以及基准信号调制器140。基准臂将分光器104光学连接到光组合单元114，使得本地振荡器信号的基准部分可以从分光器经过基准信号调制器传播到光组合单元。基准信号调制器调制本地振荡器信号的基准部分，以生成本地振荡器信号的已调制基准部分。基准信号调制器可以是相位调制器、偏振调制器或强度调制器。在一个实施例中，调制器是Ti不扩散的LiNbO₃调制器。下面更详细地描述信号调制。

调制控制器110与测试信号调制器134和基准信号调制器140都进行信号通信。调制控制器向调制器提供调制信号，这控制着光信号调制。例如，调制控制器向测试信号调制器提供频率为f₁的调制信号，并向基准信号调制器提供频率为f₂的调制信号，其中调制频率f₁和f₂互不相同。在一个实施例中，调制频率被选择成使得两个已调制信号之间的频率差在光接收器的带宽内。可以通过测试系统用户接口(未示出)对调制控制器进行输入。调制控制器还可以通过连接117向处理单元118提供(例如为频率差f₁-f₂的)基准电信号。

光组合单元114通过系统100的测试臂106和基准臂108与本地振荡器源102进行光通信。在图1的实施例中，光组合单元通过光纤132和138被分别连接到测试臂和基准臂。光组合单元将本地振荡器信号的已调制测试部分和本地振荡器信号的已调制基准部分光学上组合成组合光信号，并通过输出光纤142将该组合光信号的至少一部分输出到光接收器116。光组合单元可以是将组合光信号输出到至少一个光路中的光耦合器。例如，光耦合器可以是光学定向的3dB光纤耦合器，但是可以使用其他光耦合器。在根据本发明的实施例中，光信号的耦合基本上不依赖于光信号的偏振。在一个实施例中，(例如使用偏振控制器)将光信号的偏振状态控制为几乎相同，以最大化外差拍频(beat)信号。虽然在下面将光组合单元描述为将一束组合光信号输出到光接收器116，但是应该理解，输出多于一束组合光信号(例如平衡接收器)的光组合单元的实施例也是可以的。

光接收器116包括至少一个光检测器，其被调整来检测和混合从光组合单元输出的组合光信号。光接收器响应于所接收的光信号而产生电信号。由光接收器产生的电信号被提供给处理单元118以在表征DUT中使用。在图1中用线148来描绘光接收器和处理单元之间的连接。虽然没有示出，但是光接收器可以包括附加的信号处理电路，例如本领域中公知的信号放大器、滤波器和信号组合器。光接收器还可以包括偏振选择性光学器件，以允许对输入信号进行偏振分集接收(polarization diversereception)和/或偏振分析。

处理单元118从光接收器116接收电信号，并处理电信号以确定DUT120的至少一个光学特性。具体而言，处理单元可以确定DUT的幅度、相位和群时延响应。处理单元可以包括在电信号处理领域中公知的模拟信号处理电路和/或数字信号处理电路。在一个实施例中，来自光接收器的模拟信号被转变成数字数据，随后该数字数据被处理。处理单元还可以包括任意基于硬件和软件的处理组合。

在图1的系统100中，光学连接各种光学元件的光纤是本领域中公知的单模光纤，但是可以使用其他波导来光学连接各种光学元件。此外，虽然描述了波导，但是光信号可以在自由空间中被输入到系统中，或者在系统内传输。

参照图1描述的系统100的操作包括产生在一定波长范围中扫描的本地振荡器信号，以及将所述本地振荡器信号分成测试部分和基准部分。本地振荡器信号的测试部分被测试信号调制器134调制，然后被提供给DUT120，而本地振荡器信号的基准部分被基准信号调制器140调制。如下面详细描述的，给予本地振荡器信号的测试部分和基准部分的调制频率互不相同。本地振荡器信号的这两个已调制部分在光组合单元114被组合，以生成组合光信号。组合光信号被光接收器116检测和混合。由光接收器产生的电信号被处理器118接收并被处理以确定DUT的至少一个光学特性。具体而言，根据所接收的光信号确定DUT的幅度、相位和群时延响应。分光器、测试信号调制器、基准信号调制器、光组合单元和光接收器的组合，由于其外差本质而建立了具有宽动态范围的系统(其中光检测器电流与较强的本地振荡器基准信号电场和测试信号电场的乘积成比例)。群时延的测量使用调制边带进行，并且为了实用的目的，所述测量对环境和物理的不稳定不敏感。

通过相位调制的群时延测量

在根据本发明的实施例中，通过在不同频率下对本地振荡器信号的测试部分和基准部分进行相位调制来测量DUT的群时延。具体而言，由光测试信号的调制边带之间的相位差来确定群时延。通过将本地振荡器信号的已调制测试部分与本地振荡器信号的已调制基准部分混合，将在光频的相位差向下转变成电频。因此，在电频f₁-f₂下测量相位差。在图1的系统100中，测试信号调制器134和基准信号调制器140都是相位调制器，例如Ti不扩散的LiNbO₃相位调制器。如图2A所描绘的，在调制频率f₁下对本地振荡器信号的测试部分进行相位调制，产生在载波频率处有中间频谱峰203以及以间距f₁隔开的多个边带频谱峰205(这里称为边带)的光信号。同样，如图2B所描绘的，在调制频率f₂下对本地振荡器信号的基准部分进行相位调制，产生在载波频率处有中间频谱峰207以及以间距f₂隔开的多个边带的光信号。转回参照图1，本地振荡器信号的已被相位调制测试部分通过DUT接口112被提供给DUT 120。然后，本地振荡器信号的已被相位调制测试部分和本地振荡器信号的已被相位调制基准部分在光组合单元114被组合，以形成组合光信号。在光接收器116，该组合光信号被检测和混合。

在一个实施例中，限制接收器的带宽，使得仅仅混合测试和基准信号的相应边带。具体而言，图2A中描绘的J_-1边带205与图2B中描绘的J_-1边带209被混合，产生电信号。类似地，图2A中描绘的J₁边带205与图2B中描绘的J₁边带209被混合，也产生电信号。混合和形成电信号的过程发生在光接收器116中。此外，这两个电信号在光接收器内生成拍频信号。众所周知，不同频率的两个声波在与这两个声波的频率差相等的频率下将脉动或“拍动”。例如，30赫兹(Hz)和34Hz的两个声波将产生4Hz的拍频。拍频的相位包含关于这两个声波相位差的信息。在接收器处生成的电信号也发生这种拍动现象，因此，电信号的拍频包含与这两个光信号相关的相位信息。因为相位信息保存在通过组合和混合本地振荡器信号的这两个已调制部分的各个边带而产生的外差信号中，所以电拍频的相位包含通过DUT传播的光边带的相位差信息。这样，包含在外差信号的拍频中的相位信息可以被取出，用于测量本地振荡器信号的已调制测试部分的两个边带之间的相位差。群时延由通过调制边带分离而分开的相位差直接确定，其等于Δω＝4πf₁。群时延以等式的形式表示为：

其中，Δ指所测量的相位差。

群时延测量原理

下面是对使用基于干涉测量法的系统与信号调制的组合来测量群时延中所涉及的原理的描述。下面给出的描述涉及参照图1描述的系统。为了简化数学符号，假设本地振荡器信号的光频恒定，由υ₀表示。本地振荡器信号的电场幅度被归一化为1，并由e₀(t)＝exp(j2πυ₀t+j₀)表示，其中，相位项₀表示相位噪声。相位项₀还可以包含由于本地振荡器信号扫描引起的光相位变化。在测试臂中，本地振荡器信号在调制深度a₁和电频f₁下被相位调制。这样，在测试信号调制器之后，已调制本地振荡器信号的电场由下面的等式表示：

           e₁(t)＝exp(j2πυ₀t+j₀+ja₁cos(2πf₁t+ψ₁))，  (1)

其中，ψ₁表示施加给相位调制器的信号的电相位噪声。通过使用Jacobi-Anger展开：

$\exp \left(\mathrm{ja}\cos \mathrm{\θ}\right)=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{j}^m{J}_m\left(a\right)\exp \left(\mathrm{jm\θ}\right),----\left(2\right)$

其中，J_m(a)表示Bessel函数，并且在只捕捉载波和两个最近的边带时，等式(1)可以改写成

           e₁(t)＝jJ₁(a₁)exp(j2πυ₀t-j2πf₁t+j₀-jψ₁)+

                  J₀(a₁)exp(j2πυ₀t+j₀)+                (3)

                  jJ₁(a₁)exp(j2πυ₀t+j2πf₁t+j₀+jψ₁)+…

已调制本地振荡器信号的多个边带可以被看作是其相位被锁定的多个光波。这些波中的每一个都具有不同的光频，并通过分散性的(dispersive)的DUT以不同的速度传播。这样，根据等式(3)的每一个光波都经历不同的相移。此外，对于扫描本地振荡器信号，所有的光波都以频率γτ被移位，其中，γ是本地振荡器信号扫描速度，τ是由于干涉仪的不平衡引起的时延，包括DUT时延在内。考虑了色散和本地振荡器信号扫描的电场的等式是：

   e₁′(t)＝jJ₁(a₁)exp(j2πυ₀t-j2πf₁t-jπγτt+j₀-jψ₁-jθ_-1)+

            J₀(a₁)exp(j2πυ₀t-jπγτt+j(₀-jθ₀)+            (4)

            jJ₁(a₁)exp(j2πυ₀t+j2πf₁t-jπγτt+j₀+jψ₁-jθ₁)+…

其中，θ_m指色散相关的相移。

图1系统的基准臂中本地振荡器的部分可以以类似的方式描述。选择相位调制频率f₂，使得这两个已调制信号之间的频率差f₁-f₂在光接收器的带宽内。电场的等式是：

            e₂(t)＝exp(j2πυ₀t+j₀+ja₂cos(2πf₂t+ψ₂))       (5)

其中，a₂是调制深度，ψ₂表示施加给相位调制器的电信号的相位噪声。通过Jacobi-Anger展开(2)：

            e₂(t)＝jJ₁(a₂)exp(j2πυ₀t-j2πf₂t+j₀-jψ₂)+

                   J₀(a₂)exp(j2πυ₀t+j₀)+                    (6)

                   jJ₁(a₂)exp(j2πυ₀t+j2πf₂t+j₀+jψ₂)+…

根据等式I＝(e₁′+e₂)(e₁′+e₂)^*来计算在光接收器的光检测器处的强度。只考虑频率在接收器带宽内的干涉项(例如，仅仅考虑等式(4)和(6)的相应边带的干涉)。在根据本发明的实施例中，选择光接收器的带宽，使得光接收器检测低频干涉信号，而不检测其他更高频率的干涉信号。为了简化，假设检测器响应度等于1，并且只测量交流(AC)项，那么光接收器的光检测器的电流是：

       i(t)＝2J₁(a₁)J₁(a₂)cos(2πΔft+2πγτt+θ_-1+ψ₁-ψ₂)+

             2J₀(a₁)J₀(a₂)cos(2πγτt+θ₀)+              (7)

             2J₁(a₁)J₁(a₂)cos(2πΔft-2πγτt-θ₁+ψ₁-ψ₂)+…

其中，Δf＝f₁-f₂。在图3A至图3C中对等式(4)、(6)和(7)进行了图解说明。具体而言，图3A标示了光域中本地振荡器信号的已调制测试部分的电场，图3B标示了光域中本地振荡器信号的已调制基准部分的电场，图3C标示了电域中由混合本地振荡器信号的已调制测试部分和基准部分而得到的电流。以乘积形式表示的电频Δf下的电流是：

i(t)＝4J₁(a₁)J₁(a₂)cos(2πγτt+θ₀)cos(2πΔft+Δθ+ψ₁-ψ₂)，   (8)

其中，θ₀＝(θ_-1+θ₁)/2，Δθ＝(θ_-1-θ₁)/2。上面的等式描述了调幅(AM)信号。在Δf＞γτ的情况下，载波频率是Δf，AM频率是γτ。AM信号cos(2πγτt+θ₀)表示在干涉外差光网络分析仪中的传统测量信号。该信号的相移θ₀是对色散的测量。这种传统方法对热和振动不稳定性的敏感性起源于干涉仪的不平衡τ对热和振动效应的依赖性。此外，该测量对扫描速度γ的变化敏感。

载波信号cos(2πΔft+Δθ+ψ₁-ψ₂)提供了色散测量的新方法。与干涉信号的频率γτ不同，频率Δf是常数并且不依赖于环境的变化以及本地振荡器信号的扫描速度的变化。相移Δθ包含色散效应，并且测量出其在边带J_-1和J₁之间。群时延可以由下面的等式计算：

${\mathrm{\τ}}_g\≈\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\Δ\ω}}----\left(9\right)$

其中，Δω＝2πf，f≈f_1，2。群时延测量的精度是相位项ψ₁-ψ₂中包含的电相位噪声的函数，这样图1的调制控制器110必须具有低的电相位噪声。应该注意，在外差光网络分析仪中传统上所使用的信号被保存并且可用于处理。

在Δf＜γτ(例如DUT具有非常长的引线或者非常快的本地振荡器信号扫描速度)的情况下，信号cos(2πγτt+θ₀)作为载波，而cos(2πΔft+Δθ+ψ₁-ψ₂)描述了其幅度调制。在这种情况下，由于较高的环境不稳定性和较高的频率γτ，干涉测量非常困难或者根本不可能。但是，这种方法的AM信号cos(2πΔft+Δθ+ψ₁-ψ₂)可以通过AM解调制的传统方法(例如混合或峰检测)被检测，从而可以测量相移Δθ。这样，所描述的技术允许对较长的多个DUT进行群时延测量。这是该技术优于传统的干涉外差网络分析仪的又一个优点。

在这部分中得到的主要公式用于最近的边带J_-1和J₁。但是，可以容易地将这些主要的公式推广到任意对的边带。当考虑涉及具有不同偏振状态的多个边带的偏振分析测量时，可以使用更高级别的边带。此外，在对较长的多个DUT的测量中可以使用更高级别的边带。

通过偏振调制的微分群时延测量

在根据本发明的实施例中，通过对本地振荡器信号的测试部分的偏振调制来测量DUT的偏振依赖特性(包括微分群时延)。图4描绘了用于测量DUT的偏振依赖特性(包括微分群时延)的系统400。图4的系统类似于图1的系统，只是图4的系统中测试信号调制器434是偏振调制器，光接收器416是偏振分集接收器。参照图4，偏振分束器452处于在光组合单元414和光接收器416之间的光路上。光接收器对从偏振分束器输出的两个偏振束中的每一束都包括一个光检测器。偏振分束器和多个光检测器使得光接收器成为本领域中公知的偏振分集接收器。偏振调制器434包括在Ti不扩散的LiNbO₃相位调制器的输入端处的偏振器450。这样，通过以45度向双折射元件中发射线性偏振的本地振荡器信号，以平衡两个线性偏振模式的功率，来实现偏振调制。由于不同的光电系数值，本地振荡器信号的每一个偏振模式都经历不同的相位调制。如图5A所描绘的，对本地振荡器信号的测试部分进行偏振调制，产生在载波频率处有中间频谱峰503以及以间距f₁隔开的多个边带频谱峰505的光信号。偏振调制的结果是，每一个频谱峰都具有不同的偏振状态(例如，P₀、P₁、P₂、P₃和P₄)。本地振荡器信号的基准部分被相位或偏振调制，产生在载波频率处有中间频谱峰507以及以频率间距f₂隔开的多个边带509的光信号，如图5B所描绘的。这两个已调制信号的频率之间的偏移对应于干涉仪的自由频谱范围，且等于τ。这样，图5A和图5B之间的偏移表示当调制频率差Δf＝f₁-f₂小于τ(例如较短的DUT或较慢的扫描速度的情况)时的测量情景。

在操作中，本地振荡器信号的已被偏振调制的测试部分通过DUT接口412被提供给DUT 420。然后，本地振荡器信号的已偏振调制的测试部分与本地振荡器信号的已调制基准部分在光组合单元414被组合，以形成组合光信号。该组合光信号接着被光接收器416检测和混合。本地振荡器信号的已被偏振调制测试部分与本地振荡器信号的已调制基准部分的混合，将光频向下转变成期望的电频。然后，本地振荡器信号的已偏振调制的测试部分的频谱峰之间的相位差可以根据相应的频率转变电信号来确定，并且被用于测量例如微分群时延的偏振依赖特性。被检测信号的幅度可以被用来确定偏振依赖状态的幅度响应，例如偏振依赖损耗。从具有不同偏振状态的调制边带的不同组之间的相位差，来直接确定微分群时延。

微分群时延测量原理

下面是对通过基于干涉仪的系统与偏振调制来测量DUT的偏振依赖特性(包括微分群时延)中所涉及的原理的描述。

偏振调制

在图4中描绘了包括调制器434和偏振器450的偏振调制器。偏振调制器是对两个偏振模式不同地进行调制，从而调制偏振状态的器件。例如，偏振调制器可以使用偏振器和Ti不扩散的LiNbO₃相位调制器来实现。本地振荡器信号以45度通过处于线性偏振状态的偏振器被发射到Ti不扩散的LiNbO₃相位调制器中，以平衡调制器的两个线性偏振模式的功率。由于不同的光电系数值(γ₃₃≈3γ₁₃)，每一个偏振模式都经历不同的相位调制。在数学上，使用Jones向量符号，已偏振调制的光波的电场由下面的等式描述：

其中，a₁≈3b₁。使用Jacobi-Anger展开(5)，得到下面的表达式：

这样，在光频υ₀±mf₁下的光波具有由Jones向量 描述的偏振状态。

因为J_m(a₁)和J_m(b₁)是实数，所以相应的偏振状态是线性的，并且在Poincare球上沿赤道分布。通过将调制深度调整为a₁≈3b₁，就可能控制各个线性偏振状态的方位。在图6中示出了边带的不同偏振状态，其中，已调制本地振荡器信号的多个频谱峰(以调制频率f₁隔开)具有不同的线性偏振状态。特别有趣的排列是使两个不同边带的偏振状态正交或几乎正交。例如，通过使J₁(a₁)J₃(a₁)+J₁(b₁)J₃(b₁)＝0，具有光频υ₀±f₁和υ₀±3f₁的光波具有正交的偏振状态。此外，如在下一个部分中示出的，可以在不同电频下检测这些光波。这允许对在两个或更多个偏振状态下的DUT同时进行测量。可以使用这种同时测量来确定DUT的偏振性能，例如微分群时延或偏振依赖损耗。

偏振分析测量

假设本地振荡器信号的已偏振调制的测试部分传播通过由Jones矩阵M描述的DUT。假设矩阵M的元素在已调制本地振荡器信号的频谱宽度范围内具有不变的幅度。即，矩阵元素对于包括已调制本地振荡器信号的边带(三个到四个边带)具有相同的幅度。但是，元素的相位在边带之间不同，该边带用标记m指代：

$M_m=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{aexp}\left(j{\mathrm{\α}}_m\right)& \mathrm{bexp}\left(j{\mathrm{\β}}_m\right)\\ \mathrm{cexp}\left(j{\mathrm{\γ}}_m\right)& \mathrm{dexp}\left(j{\mathrm{\σ}}_m\right)\end{array}\right)----\left(12\right).$

此外，测试臂中的光波经历频率平移γτ。将等式(11)和(12)相乘并考虑其余的相移，得到在传播通过DUT后电场的表达式：

上面的表达式只考虑了三个边带。在图7中图示了光波通过DUT的传播。具体而言，图7图示了已偏振调制的信号在其被提供给DUT 720之前以及被提供给DUT之后的偏振状态。在载波的每一侧只示出了等式(13)的三个边带。如图4所示，光接收器是偏振分集的，因此选择在基准臂中本地振荡器信号的偏振状态，以在光接收器的两个光检测器处提供相等的功率。当描述任意偏振状态的Jones向量

中的角度α近似等于π/4时，提供相等的功率。当考虑偏振状态并使用Jacobi-Anger展开(2)时，描述基准臂中本地振荡器信号的等式(5)变为：

来自测试臂406的波e₁′(t)和来自基准臂408的e₂(t)在光组合单元414被组合。所得到的电场e(t)＝e₁′(t)+e₂(t)在偏振分集接收器416被检测。这样，与所得到的Jones向量的上部和下部元素相对应的水平和垂直线性偏振分量被分开检测。在数学上，水平分量由e_h(t)＝P_he(t)定义，而垂直分量由e_v(t)＝P_ve(t)定义，其中， $P_h=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right),$ $P_v=\left(\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1\end{array}\right).$ 假设接收器光检测器的响应度等于1，那么从水平偏振状态产生的电流由公式i_h(t)＝e_h(t)e_h(t)^*计算，等于：

$i_h\left(t\right)=\underset{m=-3}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}(a{J}_m\left(a_1\right)J_m\left(a_2\right)\cos (2\mathrm{\πm\Δft}-2\mathrm{\π\γ\τt}+\mathrm{m\Δ\ψ}+{\mathrm{\α}}_m)+b{J}_m\left(b_1\right)J_m\left(a_2\right)\cos (2\mathrm{\πm\Δft}-2\mathrm{\π\γ\τt}+\mathrm{m\Δ\ψ}+{\mathrm{\β}}_m))----\left(15\right)$

其中，Δf＝f₁-f₂，Δψ＝ψ₁-ψ₂。上面的等式只列出了在测量系统中被检测和处理的AC项。类似地，关于垂直偏振状态，i_v(t)＝e_v(t)e_v(t)^*给出：

$i_v\left(t\right)=\underset{m=-3}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}(c{J}_m\left(a_1\right)J_m\left(a_2\right)\cos (2\mathrm{\πm\Δft}-2\mathrm{\π\γ\τt}+\mathrm{m\Δ\ψ}+{\mathrm{\γ}}_m)+d{J}_m\left(b_1\right)J_m\left(a_2\right)\cos (2\mathrm{\πm\Δft}-2\mathrm{\π\γ\τt}+\mathrm{m\Δ\ψ}+{\mathrm{\σ}}_m))----\left(16\right)$

现在假设，通过调节调制深度使在光频υ₀±f₁下相位调制器的输入偏振状态为垂直的，从而使得J₁(a₁)＝0。因为调制深度b₁大约小三倍，所以J₃(b₁)≈0。因此，光频υ₀±3f₁几乎处于水平偏振状态。通过检测在频率Δf下的第一边带以及在频率3Δf下的第三边带，测量对几乎正交偏振状态的DUT响应。根据等式(15)由第三谐波得到在光接收器的水平偏振状态下测量到的对水平偏振状态激励的DUT响应：

i_h3(t)＝2aJ₃(a₁)J₃(a₂)cos(2πγτt-α₀)cos(6πΔft+3Δψ+Δα₃)，  (17)

其中，α₀＝(a₃+α_-3)/2，Δα₃＝(a₃-α_-3)/2。类似地，根据等式(15)由第一谐波中得到在水平偏振状态下测量到的对垂直偏振状态激励的DUT响应：

i_h1(t)＝2bJ₁(b₁)J₁(a₂)cos(2πγτt-β₀)cos(2πΔft+Δψ+Δβ₁)，   (18)

其中，β₀＝(β₁+β_-1)/2，Δβ₁＝(β₁-β_-1)/2。通过相同的程序，根据等式(16)由第三谐波得到在接收器的垂直偏振下测量到的对水平偏振状态激励的DUT响应：

i_v3(t)＝2cJ₃(a₁)J₃(a₂)cos(2πγτt+ζ-γ₀)cos(6πΔft+3Δψ+Δγ₃)，  (19)

其中，γ₀＝(γ₃+γ_-3)/2，Δγ₃＝(γ₃-γ_-3)/2。最后，根据等式(16)由第一谐波得到在光接收器的垂直偏振下测量到的对垂直偏振状态激励的DUT响应：

i_v1(t)＝2dJ₁(b₁)J₁(a₂)cos(2πγτt+ζ-σ₀)cos(2πΔft+Δψ+Δσ₁)，    (20)

其中，σ₀＝(σ₁+σ_-1)/2，Δσ₁＝(σ₁-σ_-1)/2。在图8中图解示出了等式(13)、(14)和得出等式(17)～(20)的混合过程。具体而言，图8的左侧描绘了本地振荡器信号的已调制测试部分和基准部分在测试部分已经被提供给DUT而这两个信号还没有被组合和混合之前的偏振状态。图8的右侧分别描绘了已混合信号的水平和垂直分量。等式(17)～(20)描述了与等式(8)描述的信号具有相同性能的信号。因此，可能的测量方法是相似的。可以在电频γτ下测量干涉信号以确定Jones矩阵(12)的相位项α、β、γ和σ。这种传统的测量对热不稳定性和振动敏感。或者，根据本发明，在频率Δf和3Δf下对相位差Δα、Δβ、Δγ和Δσ的微分测量构成了对环境不敏感的技术。通过积分从相位差得到相位项。在任何一种方法中，从被检测信号的强度确定幅度a、b、c和d。这样，在任何一种方法中，都可以重构Jones矩阵(12)。必须说明，一般通过将Jones矩阵的一些元素设置为常数(例如d＝1和σ₀＝0)来重构归一化Jones矩阵就足够了。这意味着对幅度和相位的相对测量(例如a/d和a-σ)。相位的任何恒定的偏移都不重要。这就是为什么等式(19)和(20)中的相移ζ，或者积分过程，对例如根据本征分析确定的微分群时延没有影响的原因。还要注意，微分相位测量允许对具有长引线的DUT进行表征(例如，对一卷光纤的色散测量)。在使用公知的干涉方法时，对具有长引线的元件进行测量是非常难的或者是不可能的。上面给出的解决方法不是唯一的方法，但是它相对简单。一般，不需要使用正交偏振状态。此外，在分析中只使用具有正交偏振状态的两个边带。在提高测量的精确度或者在校准时可以增加使用具有其他偏振状态的其余边带。在本说明书中没有包含对更复杂测量情景的描述，以避免数学上的复杂性。

虽然参照图1和图4描述的系统将本地振荡器信号分为测试部分和基准部分以给予不同的调制频率，但是在可替换的实施例中，在本地振荡器信号被分为测试部分和基准部分之后，可以对本地振荡器信号的测试部分施加两个不同的调制频率。图9描绘了系统900的例子，其中，在本地振荡器信号被分为独立的部分之后，可以对该信号的测试部分施加两个调制频率。该系统包括本地振荡器源902、分光器904、第一调制器934、DUT接口912(用于连接到DUT 920)、第二调制器940、光组合单元914、光接收器916和处理单元918。

参照图9描述的系统900的操作包括产生在一定波长范围中扫描的本地振荡器信号。本地振荡器信号被分成测试部分和基准部分，测试部分被第一调制器934在频率f₁下调制，然后被提供给DUT 920。在与DUT相互作用之后，本地振荡器信号的测试部分被第二调制器940在频率f₂下调制，这里调制频率f₁和f₂互不相同。然后，本地振荡器信号的测试部分与本地振荡器信号的基准部分被组合，该组合光信号被光接收器916检测和混合。由光接收器产生的电信号被处理器918接收并处理以确定DUT的至少一个光学特性。具体而言，响应于所接收的光信号，可以确定DUT的幅度、相位和群时延响应。在要测量偏振依赖特性时，该系统可以包括偏振器962和964以及偏振分集接收器(未示出)。

在另一个可替换实施例中，通过在将光测试和基准信号进行光混合之外，再混合两个电信号来实现频率转换。具体来说，在频率f₁下被调制的光信号的光谱峰与本地振荡器信号的基准部分组合并且在光接收器中被光学混合，以产生在电频f₁附近的电信号。然后，来自光接收器的电信号与频率f₂的电信号电学混合，以生成被转变为电频f₁-f₂的电信号。如在图1所示的实施例中，在频率f₁-f₂附近的电信号包含传播通过DUT的光测试信号的边带之间的相位差。在电学混合的情况下，光接收器的带宽必须容纳电频f₁。但是，处理单元的带宽可以被限制为电频f₁-f₂。图10描绘了根据本发明的用于分析光学性能的另一个系统1000的例子，其使用两个信号的电学混合。图10的系统包括本地振荡器源1002、分光器1004、测试臂1006、基准臂1008、调制控制器1010、DUT接口1012(被示出为连接到DUT 1020)、光组合单元1014、包括光接收器1016和电混合器1017的接收/混合系统1015以及处理单元。系统1000类似于图1的系统100，只是本地振荡器信号的基准部分没有被调制。相反，频率为f₂的电信号由调制控制器产生，并且与在光接收器1016内由已组合的测试臂中本地振荡器信号的经调制测试部分以及基准臂1008中本地振荡器信号的基准部分产生的电信号混合。电混合将这两个信号的频率向下转变到接近f₁-f₂的期望电频。然后，如上所述，转变得到的信号被处理，来表征DUT的期望性能。

在图11中描绘了用于测量DUT的偏振依赖特性(包括微分群时延)的系统1100。系统1100与图4的系统400类似，只是本地振荡器信号的基准部分没有被调制，并且信号在接收/混合系统1115中被接收和混合。系统1100使用与图10的系统1000类似的电混合来操作。使用图11的系统，本地振荡器信号的测试部分在频率f₁下被偏振调制，并被提供给DUT，然后与本地振荡器信号的未调制基准部分组合。组合光信号在光接收器1116被检测，光接收器1116是偏振分集接收器。调制控制器还产生频率为f₂、2f₂和3f₂的三个电信号。这些电信号与由所接收的组合光信号产生的电信号电混合。这种电混合将混合信号的频率向下转变到接近Δf、2Δf和3Δf的期望电频，其中，Δf＝f₁-f₂。然后，如上参照图4描述的，转变得到的信号被处理，来表征DUT的期望偏振依赖性能。

在另一个可替换的实施例中，调制器、分离器和耦合器的组合被包括在一个或多个集成光学芯片(例如平面波导)中。图12A、12B和12C描绘了可以与图1和图4的系统一起使用的集成光学元件的例子。图12A的系统包括两个调制器1234和1240，它们被包含在集成光学元件1270中。图12B的系统包括两个调制器1234和1240、分光器1204以及光耦合器1214。图12C包括两个集成光学元件1278和1275，第一元件1278包括分光器1204和两个调制器，第二元件1275包括光耦合器1214和两个调制器。集成的调制器、分离器和耦合器执行与图1和图4的系统中相应光学元件等同的功能。这些系统中的任何一个可以包括在输入端的偏振器和在输出端的偏振分束器，以支持偏振依赖分析，如上参照图4描述的。

图13描绘了用于表征光学性能的方法的流程图。在块1302中，产生本地振荡器信号。在块1304，对本地振荡器信号的至少一部分进行第一调制。在块1306，已进行所述第一调制的本地振荡器信号被提供给DUT。在块1308，接收已进行第一调制的本地振荡器信号。在块1310，所接收的本地振荡器信号与第二信号被光学混合。

虽然已经描述和图示了根据本发明的特定实施例，但是本发明不限于这样描述和图示的部件的特定形式和安排。本发明仅由权利要求限制。

Claims (22)

1.一种分析光学性能的方法，包括：

产生本地振荡器信号；

对所述本地振荡器信号的至少一部分进行第一调制；

将已进行所述第一调制的所述本地振荡器信号提供给被测器件；

接收已进行所述第一调制的所述本地振荡器信号；以及

将所述被接收的本地振荡器信号与第二信号进行光学混合。

2.根据权利要求1所述的方法，包括对来自所述接收和混合操作的电信号进行处理，来表征所述被测器件的群时延性能。

3.根据权利要求1所述的方法，包括对来自所述接收和混合操作的电信号进行处理，来表征所述被测器件的幅度性能。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，进行所述第一调制包括对所述本地振荡器信号的至少一部分进行相位调制、偏振调制和强度调制中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二信号通过对所述本地振荡器信号的至少一部分进行第二调制产生，并且该方法还包括在所述接收和混合操作之前，将所述本地振荡器信号已进行所述第一调制的所述部分与所述本地振荡器信号已进行所述第二调制的所述部分组合。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，响应于第一电信号进行所述第一调制，响应于第二电信号进行所述第二调制，所述第一电信号和所述第二信号具有不同的频率。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括将从所述接收和光学混合产生的电信号与不同的电信号进行电混合。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，进行所述第一调制包括对所述本地振荡器信号的至少一部分进行偏振调制，该方法还包括处理来自所述接收和混合操作的电信号以确定Jones矩阵的元素。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，进行所述第一调制包括对所述本地振荡器信号的至少一部分进行偏振调制，该方法还包括处理来自所述接收和混合操作的电信号以表征微分群时延。

10.一种用于分析光学性能的系统，包括：

本地振荡器源，用于产生本地振荡器信号；

调制控制器，其被配置用于提供第一频率的第一电信号；

第一光信号调制器，其被光学连接以响应于所述第一电信号对所述本地振荡器信号的至少一部分进行调制；

被测器件接口，其与所述第一调制器进行光通信；以及

与所述第一光信号调制器和所述被测器件接口进行光通信的系统，用于接收响应于所述第一电信号而被调制的所述本地振荡器信号，以及将所述被接收的本地振荡器信号与第二信号光学混合。

11.根据权利要求10所述的系统，还包括与所述接收和混合系统进行信号通信的处理单元，其被配置用于处理电信号以表征被光学连接到所述被测器件接口的被测器件的群时延性能。

12.根据权利要求10所述的系统，还包括与所述接收和混合系统进行信号通信的处理单元，其被配置用于处理电信号以表征被光学连接到所述被测器件接口的被测器件的幅度性能。

13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一光信号调制器是相位调制器、偏振调制器和强度调制器中的一个。

14.根据权利要求10所述的系统，还包括第二光信号调制器和光组合单元，所述第二光信号调制器被光学连接来响应于来自所述调制控制器的第二电信号对所述本地振荡器信号的至少一部分进行调制，所述光组合单元与所述被测器件接口和所述第二光信号调制器进行光通信，用于组合响应于所述第一电信号而被调制的所述本地振荡器信号与响应于所述第二电信号而被调制的所述本地振荡器信号。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第一电信号和所述第二电信号具有不同的频率。

16.根据权利要求10所述的系统，还包括电混合器，其被配置用于将不同的电信号与从响应于所述第一电信号被调制的所述本地振荡器信号产生的电信号进行电混合。

17.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一光信号调制器是偏振调制器，并且其中所述接收和混合系统包括偏振分集接收器。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，还包括与所述接收和混合系统进行信号通信的处理单元，其被配置用于处理电信号以确定Jones矩阵的元素。

19.根据权利要求17所述的系统，其中，还包括与所述接收和混合系统进行信号通信的处理单元，其被配置用于处理电信号以表征微分群时延。

20.一种用于分析光学性能的系统，包括：

本地振荡器源，用于产生本地振荡器信号；

第一调制器，其被光学连接用于对所述本地振荡器信号的至少一部分进行调制；

被测器件接口，其与所述第一调制器进行光通信；

第二调制器，其被光学连接用于对所述本地振荡器信号的至少一部分进行调制；以及

与所述第一调制器、所述被测器件接口和所述第二调制器进行光通信的光接收器，所述光接收器被配置用于接收和光学混合已经进行第一和第二调制的所述本地振荡器信号。

21.根据权利要求20所述的系统，还包括与所述光接收器进行信号通信的处理单元，所述处理单元被配置用于处理从所述光接收器接收的电信号，以表征被光学连接到所述被测器件接口的被测器件的群时延性能。

22.根据权利要求20所述的系统，其中，所述测试信号调制器是偏振调制器，并且其中所述光接收器是偏振分集接收器，所述系统还包括与所述偏振分集接收器进行信号通信的处理单元，所述处理单元被配置用于处理从所述偏振分集接收器接收的电信号，以表征所述被测器件的群时延性能。

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