基於光單邊帶調製的光器件測量方法、測量裝置的製作方法
2023-11-03 15:31:12
專利名稱：基於光單邊帶調製的光器件測量方法、測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光器件測量方法、測量裝置，尤其涉及一種基於光單邊帶調製的光器件測量方法、測量裝置，屬於光器件測量、微波光子學技術領域。
背景技術：
近年來，隨著雷射技術的飛速發展，光子系統得到了廣泛的應用，如超高精度光纖傳感、長距離光纖通信等。然而，光測量技術的發展卻停滯不前，不僅使得高精度光器件的研發製作舉步維艱，而且也使得現有的光器件無法在光系統中發揮最大效用。例如:布拉格光纖光柵(FBG)的最小帶寬已低至9MHz，而現有的光測量技術的測量精度仍為上百MHz (目前，最先進的光矢量分析儀Luna 0VA5000的測量精度也僅為125MHz)，無法精確地測得上述FBG的幅頻響應及相頻響應特性。為了實現高精度的光器件測量，1998年J.E.Roman提出了基於光單邊帶調製的光矢量分析方法。該方法將傳統光矢量分析儀在光域的掃頻操作搬移到電域進行，受益於成熟的電頻譜分析技術，其測試精度得到了質的飛躍。我們已在38GHz的頻帶範圍內實現了測量解析度達78kHz的光器件測量，相比於商用光矢量分析儀的測量結果，該方法所測得的響應更加清晰地反映了待測光器件的響應。儘管該測量方法具有無與倫比的測量解析度，但實際調製得到的光單邊帶信號往往不是理想的，其頻譜中不僅一個一階邊帶不能被完全抑制，而且還具有很多高階分量。傳統的基於光單邊帶調製的光器件測量方案中，這些高階分量和殘留的一階邊帶之間拍頻得至IJ的微波信號在光電探測器輸出的微波信號中佔有較大比例，從而使得測得的結果中包含較大的誤差。因此，無法準確測得待測光器件的傳輸函數。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於克服現有技術的不足，提供一種基於光單邊帶調製的光器件測量方法、測量裝置，在具有極高測量解析度的同時得到極其精確的測量結果。本發明具體採用以下技術方案解決上述技術問題:基於光單邊帶調製的光器件測量方法，利用光單邊帶調製器將微波掃頻信號調製到光載波上，生成光單邊帶掃頻信號；使光單邊帶掃頻信號通過待測光器件，然後通過光電轉換將其轉換為電信號；結合所述微波掃頻信號的幅度相位，提取所述電信號的幅度相位信息，獲得待測光器件的傳輸函數；所述光電轉換具體按照以下方法:將通過待測光器件的光單邊帶掃頻信號等分為兩路，濾除其中一路的載波並調節另一路的光路長度使得兩光路等長；最後利用平衡光電探測器對這兩路光信號進行平衡光電檢測，得到轉換後的電信號。基於光單邊帶調製的光器件測量裝置，包括:光載波產生模塊、光單邊帶調製器、微波掃頻源、微波幅相提取模塊、光電轉換模塊、主控單元；光單邊帶調製器將微波掃頻源輸出的微波掃頻信號調製到光載波產生模塊輸出的光載波上，生成光單邊帶掃頻信號；光電轉換模塊用於將通過待測光器件的光單邊帶掃頻信號轉換為電信號輸出；微波幅相提取模塊用於提取光探測器輸出的電信號的幅度相位信息；主控單元用於對光載波產生模塊和微波掃頻源進行控制，並進行數據存儲、處理和結果顯示；所述光電轉換模塊包括光分束器、可調光延時線、光濾波器、平衡光電探測器，光分束器的輸入端與待測光器件的輸出端連接，將輸入的光信號等分為兩路；兩路光信號分別通過可調光延時線、光濾波器與所述平衡光電探測器的兩個輸入端連接，平衡光電探測器的輸出端與所述微波幅相提取模塊連接。本發明通過採用平衡光電探測的方法消除了傳統的基於光單邊帶調製的光器件測量技術在實際測量過程中由光單邊帶調製信號中眾多高階邊帶及殘留的一階邊帶拍頻在測量結果中引入的誤差。相比現有技術，本發明可獲得更為精確的測量結果。
圖1為本發明的光器件測量裝置結構框圖；圖2為本發明實施例的測量裝置結構框圖；圖3為本發明實施例的頻譜原理示意圖，其中，A為窄線寬雷射器輸出的光載波頻譜圖，B為經單邊帶調製器調製後得到的光單邊帶信號的頻譜，C為受待測光器件作用時的頻譜圖，虛線為待測光器件的幅頻響應曲線，D為微波矢量網絡分析儀測得的待測光器件響應；圖4為本發明實施例中光單邊帶調製器的原理框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明:本發明的目的在於通過消除光單邊帶調製信號中的眾多高階邊帶及殘留的一階邊帶在光電轉換中所引入的測量誤差，從而進一步提高現有基於光單邊帶調製的光器件測量方法的測量精確度，本發明所採用的技術方案是將通過待測光器件的光單邊帶掃頻信號等分為兩路，濾除其中一路的載波並調節另一路的光路長度使得兩光路等長；最後利用平衡光電探測器對這兩路光信號進行平衡光電檢測，得到轉換後的電信號。本發明的基於光單邊帶調製的光器件測量裝置，如圖1所示，包括:光載波產生模塊、光單邊帶調製器、微波掃頻源、微波幅相提取模塊、光電轉換模塊、主控單元。光單邊帶調製器將微波掃頻源輸出的微波掃頻信號調製到光載波產生模塊輸出的光載波上，生成光單邊帶掃頻信號；光電轉換模塊用於將通過待測光器件的光單邊帶掃頻信號轉換為電信號輸出；微波幅相提取模塊用於提取光探測器輸出的電信號的幅度相位信息；主控單元用於對光載波產生模塊和微波掃頻源進行控制，並進行數據存儲、處理和結果顯示。為了消除光單邊帶調製信號中的眾多高階邊帶及殘留的一階邊帶，本發明的光電轉換模塊如圖所不，包括50:50的光分束器、光濾波器、可調光延時線、平衡光電探測器,光分束器的一路輸出經由可調光延時線與平衡光電探測器的一個輸入相連，另一路輸出級聯光濾波器後與平衡光電探測器的另一個輸入相連，平衡光電探測器的輸出與微波幅相提取模塊的輸入端相連。其中光濾波器用於將所在光路光信號中的光載波濾除，可採用相移光纖光柵、均勻布拉格光纖光柵、陡峭沿可調諧光濾波器、基於受激布裡淵散射的有源光子濾波器等。
光單邊帶調製器將微波掃頻源產生的微波信號調製到光載波生成模塊輸出的光載波上，生成光單邊帶掃頻信號。當該光單邊帶信號通過待測光器件時，受到待測光器件傳輸函數的作用，其載波和各階邊的幅度和相位均發生變化。光分束器將經待測光器件的光信號等分成兩路，其中一路用光濾波器濾除載波，另一路通過調節可調光延時線的延時使兩光路等長。隨後將兩路光信號輸至平衡光電探測器進行平衡光電探測，得到攜帶測光器件傳輸函數信息的微波信號。微波幅相提取模塊以微波掃頻源的輸出為參考，提取該微波信號中所攜的待測光器件的幅度和相位信息，輸至主控單元。主控單元對數據進行處理得到準確的待測光器件傳輸函數。本發明是利用如上所述的基於平衡光電探測器的光電轉換模塊來消除光單邊帶調製信號中的眾多高階邊帶及殘留的一階邊帶拍頻所引入的測量誤差，因此，測量裝置中的光單邊調製器、光載波生成模塊可採用現有的各種技術。例如，光載波生成模塊可利用傳統的窄線寬雷射器直接生成光載波，也可以採用一份中國發明專利(申請號為201210086930.4,申請日為2012-3-29，
公開日為2012-8-15)中所公開的方案:利用兩個可調諧窄線寬雷射器交替輸出的多個連續頻帶光載波的組合作為光載波；或者其它擴展測量帶寬的方案，從而在降低測量誤差的同時獲得更寬的測量範圍。實際測量時，首先，將光載波生成模塊輸出的光載波波長設置在待測光器件所需測量頻段的最小波長處，並將光分束器輸出的兩路光信號中一路的光濾波器的阻帶中心對準載波，調節另一路中的可調光延時線長度，使兩光路到平衡探測器的長度相同；然後移除待測光器件，將寬帶光單邊帶調製器的輸出與光分束器的輸入直接相連，對微波掃頻源輸出的微波信號進行頻率掃描，得到沒有級聯待測光器件情況下的系統傳輸函數；最後，級聯待測光器件並掃描微波掃頻源輸出微波信號的頻率，主控單元存儲測得的待測光器件傳輸函數，並用上述沒有級聯待測光器件情況下得到的系統傳輸函數對測得的待測光器件傳輸函數進行校正，得到精確的待測光器件傳輸函數。利用本發明的光器件測量裝置可對光器件進行高解析度的精確測量。為了便於公眾理解本發明的技術方案，下面舉一個光器件測量裝置的具體實施例。該光器件測量裝置的結構如圖2所示，包括:微波矢量網絡分析儀(其中整合了微波掃頻源、微波幅相提取模塊以及主控單元)、窄線寬雷射器、光單邊帶調製器、光分束器、相移光纖光柵、可調光延時線及平衡光電探測器。光單邊帶調製器的光輸入與窄線寬雷射器的輸出相連，微波輸入與微波矢量網絡分析儀中微波掃頻源的輸出相連；其後依次連接待測光器件和光分束器，光分束器的一路輸出經由可調諧光延時線與平衡光電探測器的一個輸入相連，另一路輸出級聯相移光纖光柵後與平衡光電探測器的另一個輸入相連。該裝置的頻譜原理如圖3所示，其中，A為窄線寬雷射器輸出的光載波頻譜圖，B為經單邊帶調製器調製後得到的光單邊帶信號的頻譜，C為受待測光器件作用時的頻譜圖，虛線為待測光器件的幅頻響應曲線，D為微波矢量網絡分析儀測得的待測光器件響應。本具體實施例中，光單邊帶調製器由90°微波電橋和雙驅動馬赫-曾德爾調製器組成；90°微波電橋的輸入與所述微波掃頻源的輸出相連，兩個輸出分別與雙驅動馬赫-曾德爾調製器的兩個微波輸入相連，雙驅動馬赫-曾德爾調製器的光輸入與所述窄線寬雷射器輸出相連，其原理如圖3所示，通過90°微波電橋將輸入的微波信號分成兩路功率相等的正交信號，分別輸入至雙驅動馬赫-曾德爾調製器的兩個微波輸入埠。利用該調製器，將微波信號調製到光載波上，予以適當的直流偏置，生成光單邊帶信號。實際使用上述光器件測量裝置時，按照以下步驟:系統設置步驟:將窄線寬雷射器輸出的光載波波長設置在待測光器件所需測量頻率範圍的最小波長處，將光分束器輸出的兩路光信號中一路的相移光纖光柵的阻帶中心對準載波，調節另一路中的可調光延時線長度，使兩光路到平衡探測器的長度相同；校準步驟:移除裝置中的待測光器件，將寬帶光單邊帶調製器的輸出與光分束器的輸入直接相連，其他裝置不變，應用矢量網絡分析儀中自帶的直通校準方法對系統進行校準；測試步驟:在寬帶光單邊帶調製器的輸出與光分束器的輸入之間級聯待測光器件，採用矢量網絡分析儀測得待測光器件的響應。下面對該光器件測量裝置的工作原理進行簡要介紹:若90°定向耦合器輸出的兩路微波信號分別為Sel=Vcos (coet)和Se2=Vsin (ω et)，光載波信號為3。=1故？(1 。0，予以適當的直流偏置，調製得到的光單邊帶信號為:
權利要求
1.一種基於光單邊帶調製的光器件測量方法，利用光單邊帶調製器將微波掃頻信號調製到光載波上，生成光單邊帶掃頻信號；使光單邊帶掃頻信號通過待測光器件，然後通過光電轉換將其轉換為電信號；結合所述微波掃頻信號的幅度相位，提取所述電信號的幅度相位信息，獲得待測光器件的傳輸函數；其特徵在於，所述光電轉換具體按照以下方法:將通過待測光器件的光單邊帶掃頻信號等分為兩路，濾除其中一路的載波並調節另一路的光路長度使得兩光路等長；最後利用平衡光電探測器對這兩路光信號進行平衡光電檢測，得到轉換後的電信號。
2.按權利要求1所述基於光單邊帶調製的光器件測量方法，其特徵在於，利用相移光纖光柵濾除其中一路的載波。
3.按權利要求1所述基於光單邊帶調製的光器件測量方法，其特徵在於，利用級聯於另一路光路中的可調光延時線進行光路長度調節。
4.一種基於光單邊帶調製的光器件測量裝置，包括:光載波產生模塊、光單邊帶調製器、微波掃頻源、微波幅相提取模塊、光電轉換模塊、主控單元；光單邊帶調製器將微波掃頻源輸出的微波掃頻信號調製到光載波產生模塊輸出的光載波上，生成光單邊帶掃頻信號；光電轉換模塊用於將通過待測光器件的光單邊帶掃頻信號轉換為電信號輸出；微波幅相提取模塊用於提取光探測器輸出的電信號的幅度相位信息；主控單元用於對光載波產生模塊和微波掃頻源進行控制，並進行數據存儲、處理和結果顯示；其特徵在於，所述光電轉換模塊包括光分束器、可調光延時線、光濾波器、平衡光電探測器，光分束器的輸入端與待測光器件的輸出端連接，將輸入的光信號等分為兩路；兩路光信號分別通過可調光延時線、光濾波器與所述平衡光電探測器的兩個輸入端連接，平衡光電探測器的輸出端與所述微波幅相提取模塊連接。
5.按權利要求4所述基於光單邊帶調製的光器件測量裝置，其特徵在於，所述光濾波器為相移光纖光柵。
6.按權利要求4所述基於光單邊帶調製的光器件測量裝置，其特徵在於，所述光單邊帶調製器由90°微波電橋和雙驅動馬赫-曾德爾調製器組成；90°微波電橋的輸入與所述微波掃頻源的輸出相連，兩個輸出分別與雙驅動馬赫-曾德爾調製器的兩個微波輸入端相連，雙驅動馬赫-曾德爾調製器的光輸入端與所述光載波產生模塊的輸出端相連。
全文摘要
本發明公開了一種基於光單邊帶調製的光器件測量方法。本發明方法在現有基於光單邊帶調製的光器件測量技術基礎上進行了改進，在進行光電轉換時，將通過待測光器件的光單邊帶掃頻信號等分為兩路，濾除其中一路的載波並調節另一路的光路長度使得兩光路等長；最後利用平衡光電探測器對這兩路光信號進行平衡光電檢測，得到轉換後的電信號。本發明還公開了一種採用上述方法的基於光單邊帶調製的光器件測量裝置。本發明通過採用平衡光電探測的方法消除了傳統的基於光單邊帶調製的光器件測量技術在實際測量過程中由光單邊帶調製信號中眾多高階邊帶及殘留的一階邊帶拍頻在測量結果中引入的誤差。相比現有技術，本發明可獲得更為精確的測量結果。
文檔編號G01M11/00GK103091072SQ20121057015
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月25日 優先權日2012年12月25日
發明者潘時龍, 薛敏, 唐震宙, 顧曉文, 趙永久, 朱丹, 郭榮輝 申請人:南京航空航天大學