相位調製器的頻響測量方法及裝置與流程
2023-07-27 15:21:41 1
本發明涉及一種相位調製器的頻響測量方法及裝置，屬於電光器件測量和微波光子學交叉的技術領域。
背景技術：
光纖通信具有抗電磁幹擾、抗腐蝕、質量輕、容量大等諸多優點，因而廣泛應用於高能物理、抗核輻射通信系統、潛艇、軍艦、飛機、飛彈控制通信系統以及網際網路等眾多領域。當前光纖通信正往高速率、高效率、大容量以及長距離光纖傳輸方向發展。隨著信息化程度越來越高，對光纖通信傳輸系統的速率也提出了相應的要求。
隨著集成技術的不斷進步和發展，集成的工作速度迅速地提高，現有的電互聯技術已經不能滿足信息速度和通信距離的需求，催使電互聯通信向光互聯通信轉變。而實現光互聯的一個關鍵所在就是電光調製器的應用。
相位調製器作為光纖通信系統的關鍵器件之一，其研製、檢測和應用需首先測量頻譜響應。光調製在光通信中佔有重要的作用，即把電信號加載到光載波上，通過光纖實現傳輸，在低速條件下，直接調製相對簡單方便，但是在高速條件下，直接調製會產生嚴重的失真和啁啾現象，而利用電光相位調製器外調製的方法，可以實現零啁啾或負啁啾，而且能夠提供寬帶寬，從而減少光纖的散射和損耗，因此調製器在高速光通信中有廣泛的應用。很多科研工作者都對此有相關深入的研究，例如，傳統的光波元件分析法，但是該方法對匹配性要求比較高，具有一定的局限性。
同時，傳統光波元件分析法無法測量相位調製器的頻率響應，對此，包小斌等人在「highfrequencymeasurementandcharacterizationonhigh-speedelectroopticphasemodulator」一文中提出測量相位調製器的重要參數之一——半波電壓，包括光載波零點法、一階光邊帶和載波強度比法、外差法等等方法，從而得到相位調製器的高頻特性。但是該方法複雜不易實現，因此我們迫切需要研究新型的測量方法來提高精確度，同時研究測量方法的普適性，測量更高帶寬的各類型的電光相位調製器的頻率響應。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於克服現有技術不足，提供一種相位調製器的頻響測量方法及裝置，具有更高的測量精度和測量效率，且結構更簡單，更易於實現。
本發明具體採用以下技術方案解決上述技術問題：
相位調製器的頻響測量方法，使用待測相位調製器將微波信號調製於光載波上，生成光相位調製信號；令所述光相位調製信號通過標準光器件，使得至少部分光相位調製信號被轉換為光強度調製信號，所述標準光器件的幅度和相位的頻率響應已知；利用標準光電探測器將所述標準光器件的輸出光信號轉換為電信號，並提取所述電信號的幅度和相位信息，所述標準光電探測器的幅度和相位的頻率響應已知；改變所述微波信號的頻率並重複上述過程，即得到待測相位調製器、標準光器件和標準光電探測器的幅度和相位的聯合頻率響應；最後，從所述聯合頻率響應中移除標準光器件與標準光電探測器的幅度和相位的頻率響應，從而獲得待測相位調製器的幅度和相位的頻率響應。
根據相同的發明思路還可以得到以下技術方案：
相位調製器的頻響測量裝置，包括：
光源，用於提供光載波；
微波源，用於提供頻率可調的微波信號；
標準光器件，用於將至少部分光相位調製信號轉換為光強度調製信號，其幅度和相位的頻率響應已知；
標準光電探測器，用於將標準光器件的輸出光信號轉換為電信號，其幅度和相位的頻率響應已知；
幅相接收模塊，用於提取標準光電探測器所輸出電信號的幅度和相位信息；
控制及數據採集處理單元，用於控制微波源的頻率改變，並根據幅相接收模塊提取的不同頻率下的幅度和相位信息，得到待測相位調製器、標準光器件和標準光電探測器的幅度和相位的聯合頻率響應；並從所述聯合頻率響應中移除標準光器件與標準光電探測器的幅度和相位的頻率響應，從而獲得待測相位調製器的幅度和相位的頻率響應。
進一步地，所述標準光器件是通過改變所述光相位調製信號的相位和幅度或改變所述光相位調製信號的相位來實現至少部分光相位調製信號被轉換為光強度調製信號。
優選地，所述標準光器件為希爾伯特變換器、濾波器或色散元件。
相比現有技術，本發明具有以下有益效果：
1)本發明利用幅度和相位響應已知的標準光器件將相位調製信號轉換為強度調製信號，從而解決了相位調製信號無法直接通過標準光電探測器拍頻的問題。
2)本發明線路結構簡單，穩定性好，測試效率高，測量帶寬和測量解析度高，且可以測量高速相位調製器的相位響應。
附圖說明
圖1為本發明頻響測量裝置的結構原理示意圖。
具體實施方式
針對現有技術的不足，本發明的解決方案為：使用待測相位調製器將微波信號調製於光載波上，生成光相位調製信號；令所述光相位調製信號通過標準光器件，使得至少部分光相位調製信號被轉換為光強度調製信號，所述標準光器件的幅度和相位的頻率響應已知；利用標準光電探測器將所述標準光器件的輸出光信號轉換為電信號，並提取所述電信號的幅度和相位信息，所述標準光電探測器的幅度和相位的頻率響應已知；改變所述微波信號的頻率並重複上述過程，即得到待測相位調製器、標準光器件和標準光電探測器的幅度和相位的聯合頻率響應；最後，從所述聯合頻率響應中移除標準光器件與標準光電探測器的幅度和相位的頻率響應，從而獲得待測相位調製器的幅度和相位的頻率響應。
根據以上技術方案可以得到如圖1所示的本發明測量裝置，其包括：
光源，用於提供光載波；
微波源，用於提供頻率可調的微波信號；
標準光器件，用於將至少部分光相位調製信號轉換為光強度調製信號，其幅度和相位的頻率響應已知；
標準光電探測器，用於將標準光器件的輸出光信號轉換為電信號，其幅度和相位的頻率響應已知；
幅相接收模塊，用於提取標準光電探測器所輸出電信號的幅度和相位信息；
控制及數據採集處理單元，用於控制微波源的頻率改變，並根據幅相接收模塊提取的不同頻率下的幅度和相位信息，得到待測相位調製器、標準光器件和標準光電探測器的幅度和相位的聯合頻率響應；並從所述聯合頻率響應中移除標準光器件與標準光電探測器的幅度和相位的頻率響應，從而獲得待測相位調製器的幅度和相位的頻率響應。
相位調製器由於其自身調製特性的問題，它有兩個幅度相同相位相反的邊帶，如果直接輸入光電探測器，無法得到拍頻信號。為此，本發明利用標準光器件將相位調製器輸出的光相位調製信號部分轉換為光強度調製信號，然後再利用標準光電探測器進行拍頻。光相位調製到光強度調製的轉換，可通過改變光相位調製信號的相位和幅度或者改變光相位調製信號的相位來實現，例如色散元件、希爾伯特變換器、濾波器、布裡淵散射元件等，其中色散元件和希爾伯特變換器是改變了光相位調製信號的相位，而濾波器和布裡淵散射元件是改變了光相位調製信號的幅度和相位。
標準光器件和標準光電探測器的幅度和相位的頻率響應(為便於描述起見，下文將其簡稱為幅相響應)可預先通過標定測量得到，此為現有技術，此處不再贅述。
為了使公眾理解本發明技術方案，下面結合圖1所示裝置對本發明測量原理進行詳細介紹：
假定光源輸出的光載波信號為
ein(t)＝e0exp(iωct)
(1)
其中，ω0是光源輸出的光載波的角頻率，e0表示光載波的幅值大小；
通過待測相位調製器，生成的相位調製信號，根據jacobi-angerexpansion公式可以化為
其中，ωe是微波源輸出的微波信號的角頻率，β為待測相位調製器的調製係數，jn(β)表示n階第一類貝賽爾函數在β處的值，t表示時間，i為虛數單位。
假設在小調製係數下，只需考慮載波和一階邊帶的信號，因此，待測相位調製器的輸出信號可以簡化為，
epm(t)＝-e0j1(β)exp[i(ωc-ωe)t]+e0j0(β)exp(iωct)+e0j1(β)exp[i(ωc+ωe)t]
(3)
已知幅相響應的標準光器件，將部分相位調製信號轉換為強度調製信號(實際標準光器件無法達到理想情況，不能將所有相位調製信號轉換為強度調製信號，因此只能是部分轉換)。此時，待測相位調製器輸出的信號epm(t)，輸入標準光器件後，生成的光雙邊帶信號可表示為
ep(t)＝-e0j1(β)h(ωc-ωe)exp[i(ωc-ωe)t]+e0j0(β)h(ωc)exp(iωct)
+e0j1(β)h(ωc+ωe)exp[i(ωc+ωe)t]
(4)
那麼，經過標準光電探測器拍頻後產生的微波信號的電流值大小為
由式(5)可得相位調製器的頻率響應
最後，減去光電探測器的頻率響應η，就可以得到待測電光調製器的頻率響應。
對式(6)進行具體化分析，假設標準光器件為希爾伯特變換器，則h(ωc)＝1，h(ωc+ωe)＝-1，h(ωc-ωe)＝1，則式(6)可以化簡為
假設標準光器件為帶通濾波器，則h(ωc)＝1，h(ωc-ωe)＝1，h(ωc+ωe)＝0，則式(6)可以化簡為
。