超高解析度光矢量分析方法及裝置與流程
2023-09-16 21:50:05 1
本發明涉及一種超高解析度光矢量分析方法及裝置，屬於光學測量技術領域。
背景技術：
隨著光子技術的快速發展和不斷完善，高精度光器件的研製、已有高精度光器件(如微環、微球等高Q值微諧振器等)在光子系統中的應用，亟需高精細的光器件光譜響應測試技術。然而，現有的光器件光譜響應技術難以對上述高精度光譜響應進行多維度、高精細的表徵。現唯一商用的光器件多維光譜響應測量儀表為美國LUNA公司推出的OVA5000，該測試儀表可測量光器件的多維光譜響應(如幅度、相位、群時延、偏振模色散、偏振相關損耗等)，但是其測試精細度僅為1.6pm(200MHz)，難以滿足受激布裡淵增益譜的測試需求。此外，科研機構廣泛採用基於DFB雷射器掃頻技術和光功率探測技術進行光器件光譜響應的測量，該測量技術受益於DFB雷射器高精細的波長掃描技術實現高精細的測量。但該測試技術只能檢測光功率的變化，獲取幅頻響應信息，無法獲得相頻響應等其他維度的關鍵信息。若用於高精度光器件光譜響應的測量，無法測得相頻響應，使得高精度光器件無法用於光時延、光移相、光子信號處理等。
為了實現高精度光器件光譜響應的高精細、多維度測量，1998年J.E.Roman提出了基於光單邊帶調製的光矢量分析方法。這種方法的本質是將光域的掃頻操作轉換到電域進行，受益於成熟的電頻譜分析技術，其測試精細度有了質的飛躍。然而，上述方法需要採用寬帶的微波幅相接收模塊進行射頻信號幅度和相位的提取，使整個測量裝置造價不菲。此外，上述方法還存在無法測量帶通待測光器件、測量帶寬窄(受電光調製器的帶寬限制，小於40GHz)、測量動態範圍不高等問題。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種超高解析度的光器件光矢量分析方法及裝置，克服現有光器件光譜響應測量技術的不足，能夠在實現光器件幅頻響應和相頻響應的高精度測量的同時，提高測量速度，大幅降低實現成本。
本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案：
一方面，本發明提供一種超高解析度的光器件光矢量分析方法，該方法的具體步驟如下：
首先，將光源模塊輸出的單波長光探測信號分為兩路，一路以固定的頻移量進行移頻後輸入光耦合器與另一路進行耦合，光耦合器輸出兩路雙波長光探測信號；
其次，兩路雙波長光探測信號分別輸入第一、第二光探測模塊進行拍頻處理，其中包括以下兩種情況：
1)在光耦合器與第二光探測模塊之間不級聯待測光器件的條件下，兩路雙波長光探測信號分別輸入第一、第二光探測模塊進行拍頻處理；幅相提取模塊以單波長光探測信號的波長為參考，分別提取第一、第二光探測模塊輸出信號的幅度相位信息，對提取到的幅度相位信息進行處理後得到第一矢量響應函數；其中，幅相提取模塊的工作頻率與所述頻移量相同；
2)在光耦合器與第二光探測模塊之間級聯待測光器件的條件下，兩路雙波長光探測信號中的一路輸入第一光探測模塊進行拍頻處理，得到頻率與所述頻移量相同的射頻信號，作為參考信號；另一路通過待測光器件後，再輸入第二光探測模塊進行拍頻處理，得到攜帶待測光器件在雙波長光探測信號頻率處的光譜響應信息的射頻信號，作為測量信號；幅相提取模塊以單波長光探測信號的波長為參考，分別提取參考信號和測量信號的幅度相位信息，對提取到的幅度相位信息進行處理後得到第二矢量響應函數；
最後，將第二矢量響應函數除以第一矢量響應函數，得到待測光器件的光譜矢量響應信息。
作為本發明的進一步優化方案，通過移頻模塊對一路單波長光探測信號進行移頻。
作為本發明的進一步優化方案，所述移頻模塊為聲光調製器。
另一方面，本發明還提供一種超高解析度的光器件光矢量分析裝置，包括光源模塊、光分束器、移頻模塊、光耦合器、第一光探測模塊、第二光探測模塊、幅相提取模塊和控制及數據處理模塊，其中：
光源模塊，用於輸出單波長光探測信號；
光分束器，用於將光源模塊輸出的單波長光探測信號分為兩路；
移頻模塊，用於對光分束器輸出的其中一路光探測信號以固定的頻移量進行移頻處理；
光耦合器，用於將經移頻模塊移頻後的光探測信號與光分束器輸出的另一路光探測信號進行耦合，產生兩路雙波長光探測信號；
第一光探測模塊，用於雙波長光探測信號進行拍頻處理，輸出頻率與所述移頻模塊的頻移量相同的參考信號；
第二光探測模塊，用於對經過待測光器件的雙波長光探測信號進行拍頻處理，輸出攜帶待測光器件在雙波長光探測信號頻率處的光譜響應信息的測量信號；
幅相提取模塊，用於分別提取第一、第二光探測模塊輸出信號的幅度相位信息，其工作頻率與所述移頻模塊的頻移量相同；
控制及數據處理模塊，用於控制光源模塊進行頻譜掃描，接收幅相提取模塊輸出的幅度相位信息並進行處理，輸出待測光器件的光譜矢量響應信息。
作為本發明的進一步優化方案，所述移頻模塊為聲光調製器。
本發明採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：本發明結合光波長移頻技術和射頻信號幅相提取技術，實現了光器件光譜響應的幅頻響應和相頻響應的測量。輔以高精細單波長掃頻光源，本發明即可實現光器件光譜相應的高精細測量。此外，本發明具有結構簡單、製造成本低等優點。
附圖說明
圖1是本發明光器件光譜響應測量系統的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
本發明的思路是結合光子移頻技術和射頻信號幅相提取技術來實現光器件的光譜響應的測量。具體而言，首先將單波長掃頻光信號分為兩路，一路進行光移頻然後與另一路耦合，產生兩路雙波長光探測信號；其中一路直接拍頻得到參考信號，另一路經待測光器件傳輸，而後進行拍頻，將光器件的光譜響應信息轉換至電域；再採用射頻幅相提取技術提取光器件的光譜響應信息，從而實現光器件的光譜響應測量。
圖1顯示了本發明光器件光譜響應測量系統的一種結構，如圖所示，該測量系統包括光源模塊、光分束器、移頻模塊、光耦合器、待測光器件、光探測模塊1、光探測模塊2、幅相提取模塊及控制及數據處理模塊。光源模塊輸出單波長掃頻光探測信號；光分束器將光源模塊輸出的光探測信號分成兩路；移頻模塊對光分束器輸出的一路光探測信號進行移頻，其中，移頻量根據實際需求確定，再根據需要的移頻量選取移頻模塊；光耦合器將移頻後的光信號與光分束器輸出的另一路光信號進行耦合，產生兩路雙波長光探測信號；一路直接傳輸進光探測模塊1，得到頻率與移頻量相同的射頻信號；待測光器件改變另一路雙波長光探測信號的幅度和相位，然後傳輸進光探測模塊2，將待測光器件的光譜響應信息轉移至射頻信號中；工作頻率與移頻模塊的頻移量相同的幅相提取模塊提取兩個光探測模塊所輸出信號的幅度相位信息；控制及數據處理模塊一方面控制光源模塊進行頻譜掃描，另一方面接收幅相提取模塊的輸出信息並處理，得到待測光器件的光譜矢量響應信息。
所述移頻模塊可採用現有的各類光頻移技術，如基於雙平行馬赫-曾德爾調製器的載波抑制的單邊帶調製技術，該頻移技術可通過調節輸入射頻信號的頻率實現光波長頻移量的靈活調節，但存在諸多高階邊帶；又如基於聲光調製器的光頻移技術，該技術具有移頻後無高階邊帶殘留的優點，但只能對光波進行特定頻移量的移頻，且移頻量較小(通常小於200MHz)。本發明僅需對光波進行較小頻量的頻移，且希望移頻後無高階邊帶，因此本發明優選採用聲光調製器來實現光波的移頻。
此外，光探測模塊輸出的射頻信號為單頻信號且頻率小於200MHz，因此已有成熟的技術可提取該射頻信號的幅度和相位信息。如ADI公司推出的AD8302射頻信號幅相信息提取晶片，該晶片可提取<2.7GHz射頻信號的幅相信息，本發明即優選採用該晶片實現相應的射頻信號幅相提取。
使用上述系統進行光器件測量時，首先，在兩測試埠(即待測光器件兩端的光耦合器、光探測模塊2的連接埠)間不級聯待測光器件的條件下，光源模塊輸出掃頻光探測信號，測得測量裝置的響應函數；然後，級聯待測光器件，光源模塊輸出掃頻光探測信號，測得待測光器件和測量系統的聯合響應；最後，控制及數據處理模塊將測得的聯合響應函數除以測得的系統響應函數，從而測得待測光器件的響應函數。
為了使公眾更清晰地了解本發明技術方案，下面對本發明的測量原理進行簡要介紹：
光源輸出的光載波為Eo(t)＝Eoexp(iωot)，其中Eo和ωo分別是光載波的幅度與角頻率。上述光探測信號由光分束器分成兩路，其表達式如下：
其中，Es和Ep分別為移頻信號和載波信號的幅度；為兩路光信號的相位差。
移頻信號經移頻模塊移頻與載波信號經光耦合器耦合之後，可表示為
其中，Er1和Er2分別為參考路兩不同波長的光探測信號的幅度；Ed1和Ed2分別為測量路兩不同波長的光探測信號的幅度；為參考路兩不同波長的光探測信號之間的相位差，分別為測量路兩不同波長的光探測信號之間的相位差；ωIF為移頻模塊對光信號的移頻量。
參考路光探測信號不經過待測光器件，測量路光探測信號經過待測光器件傳輸後，可表示為：
其中，H(ωo)＝Hsys(ωo)HODUT(ωo)，H(ωo+ωIF)＝Hsys(ωo+ωIF)HODUT(ωo+ωIF)，Hsys(ωo)與Hsys(ωo+ωIF)為測量系統的光譜響應，HODUT(ωo)與H(ωo+ωIF)為待測光器件的光譜響應。
光探測模塊1對參考路信號進行拍頻，光探測模塊2對測量路信號進行拍頻，我們可得到：
其中，ηr是參考路PD的響應係數，ηd是測量路PD的響應係數。
幅相提取模塊提取的是測量路射頻信號與參考路射頻信號的比值，可表示為：
由於ωIF相對於ωo非常小，且起始掃頻處往往選擇位於待測光器件光譜響應較為平坦處，故可將H(ωo+ωIF)近似等於H(ωo)，則幅相提取模塊的提取結果可表示為：
控制光源模塊依次改變輸出光波長，且每次的改變量與移頻模塊的移頻量相同，則幅相提取模塊每次得到的結果可表示為：
攜帶待測光器件光譜響應信息的傳輸函數可表示為：
為了消除系統傳輸函數的影響，需要採用校準方法。如將兩測試埠直接相連，即HODUT(ω)＝1，即可得到如下的系統傳輸函數
因此，待測器件的傳輸函數即可得到
射頻信號(亦即，idr(ω)和isys(ω))的幅度和相位可由幅相接收模塊探測得到，因此根據式(10)即可得到待測光器件的光譜響應。
下面列舉一個採用本發明測量系統測量光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)的具體實施例。
為實現光纖光柵幅頻響應和相頻響應的精細測量，實施例中，光源選用線寬為200kHz的連續掃頻雷射器。光移頻模塊為Gooch&Housego公司推出的型號為T-M080-0.4C2J-3-F2S的聲光調製器，其頻移量為80MHz，因此光探測模塊輸出的射頻信號為80MHz。為提取上述射頻信號的幅相信息，本實施例中基於ADI公司的AD8302晶片設計了工作頻率為80MHz的射頻信號幅相提取模塊。
具體而言，使用本發明測量裝置進行光纖光柵測量時，按照以下步驟：
(1)系統響應測量步驟：將兩測試埠直接相連，即不級聯光纖光柵，控制光源進行掃頻，同時控制幅相提取模塊提取光纖光柵各頻點處的幅度和相位變化信號，輸至控制及數據處理模塊，得到系統的矢量響應函數(即幅頻響應與相頻響應)；
(2)系統和光纖光柵聯合響應測量步驟：在兩測試埠間級聯光纖光柵，同樣地，測得系統與待測光纖光柵的聯合矢量響應函數；
(3)數據處理步驟：將聯合矢量響應函數除以系統的矢量響應函數，即可得到待測光纖光柵的矢量響應函數，亦即待測光器件的幅頻響應與相頻響應。
以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含範圍之內，因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。