CN112683495A - 一种具有时域分析能力的光器件频响测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有时域分析能力的光器件频响测量方法，对单频光信号进行去相干处理，并以所得到的低相干光信号作为光载波，使用基于微波光子的光矢量分析方法对包含复数个待测光器件的光链路进行频响测量，得到所述复数个待测光器件的叠加频响信息，最后在时域中从所述叠加频响信息中分离出各待测光器件的频响信息。本发明还公开了一种具有时域分析能力的光器件频响测量装置。相比现有技术，本发明可同时测量一条链路中多个待测光器件，兼具很高的时域分辨率和频域分辨率。

Description

一种具有时域分析能力的光器件频响测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光器件频响测量方法，尤其涉及一种具有时域分析能力的光器件频响测量方法及装置。

背景技术

光器件的频率响应测量(包括幅度响应、相位响应等)是光器件在研发、生产过程中不可或缺的步骤。

常用的光器件频响测量方法主要有扫频干涉法、基于微波光子的光矢量分析技术两种。扫频干涉法中最常用的两种分别是光谱仪和基于扫频干涉法的光矢量分析技术。光谱仪通常利用扫频激光器和光功率计测量待测光器件的幅度响应(D.Derickson,C.Hentschel,and J.Vobis.Fiber Optic Test and Measurement[M].Prentice Hall,1998,Chap.1.8.1.)这种方法简单且利于实现，但其分辨率受限，且只能测量幅度响应。基于扫频干涉法的光矢量分析技术使用不同偏振态的扫频光测量待测光器件的矩阵传输函数(Dawn K.Gifford,Brian J.Soller,Matthew S.Wolfe,and Mark E.Froggatt.Opticalvector network analyzer for single-scan measurements of loss,group delay,andpolarization mode dispersion[J].Applied Optics,2005,44(34):7282-7286.),这种方法可以测量待测光器件完整的频率响应，包括幅相响应、偏振响应等，但分辨率依然受扫频激光器的限制(典型值200MHz)，精度受扫频非线性度影响，且成本较高。

基于微波光子的光矢量分析技术，通过将微波信号经电光调制器调制到光载波上，从而将精细的微波扫频变为精细的光扫频，克服了传统使用扫频激光器的光矢量分析技术频域分辨率低的缺点，常用的方法包括基于光单边调制和基于光双边带调制两种。基于光单边带调制的光矢量分析技术使用单边带进行精细扫频(Pan,S.&Xue,M.Ultrahigh-resolution optical vector analysis based on optical single-sidebandmodulation[J].Journal of Lightwave Technology,2017,35(4):836–845.)，理论上分辨率可以达到亚赫兹，但由于高阶边带引入杂散的影响，限制了动态范围。基于光双边带的光矢量分析技术利用声光移频器引入一中频信号，生成非对称双边带信号，避免了高阶边带引入的杂散，动态范围得到提高，同时使用光频梳作为光源，可大大提高测量频谱范围，目前的带宽可以达到1THz,同时频域分辨率可以达到334Hz，(T.Qing,S.Li,Z.Tang,B.Gao,and S.Pan.Optical vector analysis with attometer resolution,90-dB dynamicrange and THz bandwidth[J].Nature Communications,2019,10,5135.)，但这种方法成本非常高。

近年来，随着复杂光子***的广泛应用，如光控波束形成网络、长距离光纤通信、海底水听器阵列等，对具有时域分辨能力的光器件频响测量技术提出了需求。然而现有测量方法只能测量单一传输路径的整体响应，或者对单一待测光器件进行测量，不能分辨并提取出光子***中的各个待测光器件的频率响应，不能同时测量在一条链路中的多个待测光器件，也不能定位待测光器件在链路中的具***置，在一些特定场景中使用受限，如判断待测器件中是否出现断点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种具有时域分析能力的光器件频响测量方法，可同时测量一条链路中多个待测光器件，兼具很高的时域分辨率和频域分辨率。

一种具有时域分析能力的光器件频响测量方法，对单频光信号进行去相干处理，并以所得到的低相干光信号作为光载波，使用基于微波光子的光矢量分析方法对包含复数个待测光器件的光链路进行频响测量，得到所述复数个待测光器件的叠加频响信息，最后在时域中从所述叠加频响信息中分离出各待测光器件的频响信息。

优选地，所述对单频光信号进行去相干处理具体为：对单频光信号进行声光调制。

优选地，使用矢量平衡探测方法对包含复数个待测光器件的光链路进行频响测量，具体如下：将探测光信号分为两路，一路经过所述包含复数个待测光器件的光链路，另一路不经过；对两路探测光信号同时进行光电转换和幅度、相位探测，从中提取所述复数个待测光器件的叠加频响信息。

优选地，所述在时域中从所述叠加频响信息中分离出各待测光器件的频响信息的方法具体如下：将所述复数个待测光器件的叠加频响信息转换至时域，得到在时域上分离的所述复数个待测光器件的时域响应；然后通过对各待测光器件的时域响应加不同时间宽度的海明窗函数，将不同待测光器件对应的时域响应提取出来；最后将各待测光器件的时域响应转换至频域，得到各待测光器件的频响信息。

优选地，所述基于微波光子的光矢量分析方法为基于光单边调制的光矢量分析方法，或者为基于光双边带调制的光矢量分析方法。

基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

一种具有时域分析能力的光器件频响测量装置，包括：

低相干光模块，用于对单频光信号进行去相干处理，得到低相干光信号；

基于微波光子的光矢量分析模块，用于以所述低相干光信号作为光载波，使用基于微波光子的光矢量分析方法对包含复数个待测光器件的光链路进行频响测量，得到所述复数个待测光器件的叠加频响信息；

解算模块，用于在时域中从所述叠加频响信息中分离出各待测光器件的频响信息。

优选地，所述低相干光模块包括用于对单频光信号进行声光调制的声光调制器。

优选地，所述基于微波光子的光矢量分析模块使用矢量平衡探测方法对包含复数个待测光器件的光链路进行频响测量，具体如下：将探测光信号分为两路，一路经过所述包含复数个待测光器件的光链路，另一路不经过；对两路探测光信号同时进行光电转换和幅度、相位探测，从中提取所述复数个待测光器件的叠加频响信息。

优选地，所述解算模块具体包括：

频时转换模块，用于将所述复数个待测光器件的叠加频响信息转换至时域，得到在时域上分离的所述复数个待测光器件的时域响应；

时域加窗模块，用于通过对各待测光器件的时域响应加不同时间宽度的海明窗函数，将不同待测光器件对应的时域响应提取出来；

时频转换模块，用于将各待测光器件的时域响应转换至频域，得到各待测光器件的频响信息。

优选地，所述基于微波光子的光矢量分析模块为基于光单边调制的光矢量分析模块，或者为基于光双边带调制的光矢量分析模块。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明对现有基于微波光子的光矢量分析技术缺乏时域分辨能力的问题进行了深入研究，发现了产生这一问题的根本原因在于光域干涉和光源相位噪声的限制，本发明基于这一发现，采用低相干光载波作为基于微波光子的光矢量分析方法的载波信号，大幅度降低多个待测光器件频响之间的干涉，使各待测光器件的频响可以在时域分离开，从而在拥有极高频域分辨率的同时兼具较高的时域分辨率，可测量在一条链路中的多个待测光器件；

本发明还进一步对现有基于微波光子的光矢量分析技术进行了改进，采用矢量平衡探测，将探测光信号分为参考路和探测路，两路探测光信号同时进行光电转换和幅度、相位探测，可有效消除***的动态误差并大幅度降低相位响应测量的抖动，从而提高***测量稳定性，并进一步提高***的时域分辨精度；

本发明的时域不模糊范围由微波扫频间隔的倒数决定，5MHz的扫频范围对应200ns的时域不模糊范围，使用精细的扫频即可获得高不模糊范围。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的结构原理示意图；

图2为图1中待测光链路反射式测量具体结构；

图3为图1中待测光链路直通式测量具体结构；

图4为效果验证试验结果，其中，(a)为反射式测量方案；(b)为测得的叠加频响；(c)为逆傅里叶变换后时域响应；(d)(f)分别为采用基于微波光子单边带光矢量分析测得的反射镜幅度、相位响应；(e)(g)分别为本发明方法测得的反射镜幅度相位响应；(h)(i)(j)分别为采用基于微波光子单边带光矢量分析、基于微波光子双边带光矢量分析、本发明方法测得的¹²C₂H₂气体腔幅度响应；(k)(l)(m)分别为采用基于微波光子单边带光矢量分析、基于微波光子双边带光矢量分析、本发明方法测得的¹²C₂H₂气体腔相位响应；(n)(o)(p)分别为采用基于微波光子单边带光矢量分析、基于微波光子双边带光矢量分析、本发明方法测得的H¹³C¹⁴N气体腔幅度响应；(q)(r)(s)分别为采用基于微波光子单边带光矢量分析、基于微波光子双边带光矢量分析、本发明方法测得的H¹³C¹⁴N气体腔相位响应。

具体实施方式

针对现有频响测量技术所存在的缺乏时域分辨能力的不足，本发明的解决思路是在现有基于微波光子的光矢量分析技术基础上，采用低相干光载波作为基于微波光子的光矢量分析方法的载波信号，大幅度降低多个待测光器件频响之间的干涉，使各待测光器件的频响可以在时域分离开，进而实现同时测量一条链路中多个待测光器件的频率响应。

发明人对现有基于微波光子的光矢量分析技术进行了大量研究和分析，发现已有的基于微波光子的光矢量分析技术只针对单一待测光器件进行测量，因使用较窄线宽的激光器(线宽一般在kHz量级)，导致激光器输出的光载波相干长度较长(kHz对应相干长度为10⁵米)，在测量多个待测光器件时，其响应由于较强的干涉效果，在频域和时域均为叠加状态，导致难以区分不同待测光器件的响应。

基于以上发现，本发明提出了以下技术方案：

一种具有时域分析能力的光器件频响测量方法，对单频光信号进行去相干处理，并以所得到的低相干光信号作为光载波，使用基于微波光子的光矢量分析方法对包含复数个待测光器件的光链路进行频响测量，得到所述复数个待测光器件的叠加频响信息，最后在时域中从所述叠加频响信息中分离出各待测光器件的频响信息。

一种具有时域分析能力的光器件频响测量装置，包括：

低相干光模块，用于对单频光信号进行去相干处理，得到低相干光信号；

基于微波光子的光矢量分析模块，用于以所述低相干光信号作为光载波，使用基于微波光子的光矢量分析方法对包含复数个待测光器件的光链路进行频响测量，得到所述复数个待测光器件的叠加频响信息；

解算模块，用于在时域中从所述叠加频响信息中分离出各待测光器件的频响信息。

上述方案中的去相干处理可采用声光调制、DFB激光器直调、外腔激光器直调，调制一具有一定带宽的微波信号，或从ASE源中滤出特定波长的光载波等现有技术实现，本发明优选采用对单频光信号进行声光调制的方式来实现。

上述方案中的基于微波光子的光矢量分析方法可以是基于光单边调制的光矢量分析方法、基于光双边带调制的光矢量分析方法以及这些方法的进一步改进方案；但这些方法由于缺少参考路信号或者不是同时对参考路和探测路进行同时接收处理，导致在测量过程中不能实时消除***动态误差，影响测量精度，已有解决方法包括在后续数字信号处理过程中进行误差补偿、测量多次取平均值降低误差等，导致***结构复杂且实现成本较高；为此，本发明还进一步对现有基于微波光子的光矢量分析技术进行了改进，采用矢量平衡探测方法，即将探测光信号分为参考路和探测路，两路探测光信号同时进行光电转换和幅度、相位探测；这样即可有效消除***的动态误差并大幅度降低相位响应测量的抖动，从而提高***测量稳定性，并进一步提高***的时域分辨精度。

上述技术方案对于反射式测量和直通式测量均可适用。

为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

本实施例中的光器件频响测量装置包括：低相干光模块、基于微波光子的光矢量分析模块及解算模块，其具体结构如图1所示(解算模块在图1中未示出)，具体包括窄线宽激光器、任意波形发生器、声光调制器、微波源、待测光链路、光电探测器、微波幅相提取模块以及若干光耦合器、光环形器。

如图1所示，将窄线宽激光器输出的单频光信号由声光调制器调制为低相干光载波后，用微波源生成的微波信号对其进行光单边带调制，生成具有低相干光载波的光单边带调制信号，其中去相干处理的具体操作为使用任意波形发生器产生具有一定带宽的微波信号(典型参数：频率200MHz,带宽100MHz)经声光调制器调制到窄线宽激光器输出的光载波上；将所述光单边带调制信号分为两路，其中一路作为探测信号经过待测光链路中的多个待测光器件后进行光电探测，得到携带多个待测光器件幅频响应信息的微波信号，同时，另一路作为参考信号直接进行光电探测；将两路探测出的微波信号做比值，从中提取多个待测光器件的叠加频响信息；再使用逆傅里叶变换、时域加窗、傅里叶变换，将多个待测光器件的频响信息分别解算出来。

为了得到更精准的测量结果，有必要在测量之前进行***校准。在测量之前的校准过程中，直通式测量情况下，如图2所示，探测路不接待测光器件，探测光信号直接进光电探测器；如图3所示，反射式测量情况下探测路为：将反射镜接在光环形器输出端，探测路信号经光环形器、反射镜，从光环形器另一输出口至光探测器。

设光载波的频率为ω_c，微波源频率为ω_e。图1中的(a)为窄线宽激光器输出的频谱图，(b)为经声光调制器调制后的低相干光载波频谱图，(c)为低相干光载波经单边带调制后的频谱图。

设光单边带调制信号为：

其中，H_sys(ω_c)为测量***动态响应，A_-1和A₀分别是-1阶边带和载波的复幅度。

经过光分束器分成两路，其中探测路信号通过环形器测量多个待测光器件，反射的信号为：

其中，H_tot(ω)为所有待测光器件的叠加频谱响应。通过光电探测后的光电流为：

其中，η_p为测量路光电探测器的响应度。同理可得参考路信号经光电探测后的光电流为：

其中，η_r为参考路光电探测器的响应度。使用微波幅相探测器同时提取两路光电流的幅相信息，所有待测光器件的叠加频谱响应可以通过下式获得：

从叠加频谱响应(如图4(b)所示)解算各待测光器件的频响的解算方法具体如下：

对得到的叠加频谱响应使用逆傅里叶变换转换为时域信息，得到一系列对应不同待测光器件的时域响应脉冲，原本在频域上混在一起的响应在时域上被区分开来；针对不同待测光器件对应的时域响应加不同时间宽度的海明窗函数，将不同待测光器件对应的时域响应提取出来，窗函数的时间宽度要包含所有对应待测光器件的时域响应脉冲，同时避免包含其他待测器件对应的时域响应脉冲；对提取出的时域响应使用快速傅里叶变换，可以得到不同待测光器件的频响。

为了验证本发明技术方案的效果，进行了验证试验。图4显示了采用上述方案进行实际测量的结果，并与现有的基于光单边带调制及基于光双边带调制的光矢量分析方法进行了对比，其中待测光链路采用其中的(a)所示的反射式测量方法，待测光器件1为¹²C₂H₂气体腔，待测光器件2为H¹³C¹⁴N气体腔；其中的(b)为所测得的多个待测光器件的叠加频响信息；叠加频响信息经逆傅里叶变换，得到(c)所示的时域响应，可以看出原本在频域上混在一起的响应在时域上被区分开来；针对不同待测光器件对应的时域响应加不同时间宽度的海明窗函数，将不同待测光器件对应的时域响应提取出来，然后对提取出的时域响应使用快速傅里叶变换，得到不同待测光器件的频响，如(j)、(m)、(p)、(s)所示，其中包括待测光器件1幅度响应(j)、待测光器件1相位响应(m)、待测光器件2幅度响应(p)、待测光器件2相位响应(s)。

采用基于光单边带调制的光矢量分析测量反射镜、待测器件1、2的幅相响应如图4中的(d)、(f)、(h)、(k)、(n)、(q)所示，采用基于光双边带调制的光矢量分析测量反射镜、待测器件1、2的幅相响应如图4中的(e)、(g)、(i)、(l)、(o)、(r)所示。可以看出本发明方法比基于光单边带调制的光矢量分析测量结果更准确，测量结果抖动与基于光双边带调制的光矢量分析类似，且可以一次测量复数个待测光器件。

Claims (10)

1.一种具有时域分析能力的光器件频响测量方法，其特征在于，对单频光信号进行去相干处理，并以所得到的低相干光信号作为光载波，使用基于微波光子的光矢量分析方法对包含复数个待测光器件的光链路进行频响测量，得到所述复数个待测光器件的叠加频响信息，最后在时域中从所述叠加频响信息中分离出各待测光器件的频响信息。

2.如权利要求1所述具有时域分析能力的光器件频响测量方法，其特征在于，所述对单频光信号进行去相干处理具体为：对单频光信号进行声光调制。

3.如权利要求1所述具有时域分析能力的光器件频响测量方法，其特征在于，使用矢量平衡探测方法对包含复数个待测光器件的光链路进行频响测量，具体如下：将探测光信号分为两路，一路经过所述包含复数个待测光器件的光链路，另一路不经过；对两路探测光信号同时进行光电转换和幅度、相位探测，从中提取所述复数个待测光器件的叠加频响信息。

4.如权利要求1所述具有时域分析能力的光器件频响测量方法，其特征在于，所述在时域中从所述叠加频响信息中分离出各待测光器件的频响信息的方法具体如下：将所述复数个待测光器件的叠加频响信息转换至时域，得到在时域上分离的所述复数个待测光器件的时域响应；然后通过对各待测光器件的时域响应加不同时间宽度的海明窗函数，将不同待测光器件对应的时域响应提取出来；最后将各待测光器件的时域响应转换至频域，得到各待测光器件的频响信息。

5.如权利要求1所述具有时域分析能力的光器件频响测量方法，其特征在于，所述基于微波光子的光矢量分析方法为基于光单边调制的光矢量分析方法，或者为基于光双边带调制的光矢量分析方法。

6.一种具有时域分析能力的光器件频响测量装置，其特征在于，包括：

低相干光模块，用于对单频光信号进行去相干处理，得到低相干光信号；

基于微波光子的光矢量分析模块，用于以所述低相干光信号作为光载波，使用基于微波光子的光矢量分析方法对包含复数个待测光器件的光链路进行频响测量，得到所述复数个待测光器件的叠加频响信息；

解算模块，用于在时域中从所述叠加频响信息中分离出各待测光器件的频响信息。

7.如权利要求6所述具有时域分析能力的光器件频响测量装置，其特征在于，所述低相干光模块包括用于对单频光信号进行声光调制的声光调制器。

8.如权利要求6所述具有时域分析能力的光器件频响测量装置，其特征在于，所述基于微波光子的光矢量分析模块使用矢量平衡探测方法对包含复数个待测光器件的光链路进行频响测量，具体如下：将探测光信号分为两路，一路经过所述包含复数个待测光器件的光链路，另一路不经过；对两路探测光信号同时进行光电转换和幅度、相位探测，从中提取所述复数个待测光器件的叠加频响信息。

9.如权利要求6所述具有时域分析能力的光器件频响测量装置，其特征在于，所述解算模块具体包括：

频时转换模块，用于将所述复数个待测光器件的叠加频响信息转换至时域，得到在时域上分离的所述复数个待测光器件的时域响应；

时域加窗模块，用于通过对各待测光器件的时域响应加不同时间宽度的海明窗函数，将不同待测光器件对应的时域响应提取出来；

时频转换模块，用于将各待测光器件的时域响应转换至频域，得到各待测光器件的频响信息。

10.如权利要求6所述具有时域分析能力的光器件频响测量装置，其特征在于，所述基于微波光子的光矢量分析模块为基于光单边调制的光矢量分析模块，或者为基于光双边带调制的光矢量分析模块。

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