專利名稱：一種光器件測量方法及測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光器件測量方法及測量裝置，尤其涉及一種基于光單邊帶調(diào)制的光器件測量方法及測量裝置，屬于光器件測量、微波光子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著光子技術(shù)的快速發(fā)展和不斷完善，光子系統(tǒng)對(duì)光器件的要求越來越高，要研制出高精度的光器件，必須輔以高精度的測量技術(shù)。然而，現(xiàn)有的光器件測量技術(shù)不足以達(dá)到如此之高的測試精度，使得高精度的光器件研制無法取得突破性進(jìn)展，同時(shí)，現(xiàn)有的一些高精度光器件無法在光子系統(tǒng)中發(fā)揮最大效用。為了實(shí)現(xiàn)超高精度的光器件測量，1998年J. E. Roman提出了基于光單邊帶調(diào)制的光矢量分析方法[J. E. Roman, Μ.Y.FrankeI, and R. D. Esman, "Spectral characterization of fiber gratings withhighresolution, "Opt. Lett. , vol. 23, no. 12, pp. 939-941，Jun. 1998.]。這種方法的本質(zhì)是將光域的掃頻操作轉(zhuǎn)換到電域進(jìn)行，受益于成熟的電頻譜分析技術(shù)，其測試精度有了質(zhì)的飛躍。

圖1是典型的基于光單邊帶調(diào)制的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括主控計(jì)算機(jī)、窄線寬激光器、微波掃頻源、寬帶光單邊帶調(diào)制器、光探測器及微波幅相接收機(jī)。其工作原理如下首先，利用寬帶光單邊帶調(diào)制器將微波掃頻源產(chǎn)生的微波信號(hào)調(diào)制到窄線寬激光器輸出的光載波上，產(chǎn)生只包含光載波和一個(gè)光邊帶的光單邊帶信號(hào)；使該光單邊帶信號(hào)經(jīng)待測器件后送至光探測器，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；然后，以微波掃頻信號(hào)為參考，利用微波幅相接收機(jī)提取光探測器輸出的微波信號(hào)的幅度相位信息；最后，通過主控計(jì)算機(jī)接收、存儲(chǔ)并處理微波幅相接收機(jī)提取的幅度相位信息，得到待測光器件的傳輸函數(shù)。雖然該測量裝置具有無與倫比的測量精度(理論上可達(dá)到與電頻譜分析技術(shù)相同的精度)，但受微波掃頻源掃頻帶寬(約為40GHz)限制，只能測得光載頻處約40GHz帶寬范圍內(nèi)光器件的傳輸函數(shù)，難以與光器件動(dòng)輒數(shù)THz的工作范圍相適應(yīng)。測量范圍過小是該技術(shù)走向?qū)嵱玫淖畲笳系K，當(dāng)前尚未有有效解決方案的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有高精度光器件測量技術(shù)所存在的測量范圍過小的不足，提供一種光器件測量方法、測量裝置，在確保測量精度的前提下，實(shí)現(xiàn)光器件的寬帶測量。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題—種光器件測量方法，包括以下步驟步驟A、利用光頻梳調(diào)制器將具有固定頻率及相位的微波信號(hào)調(diào)制到由光源輸出的光載波上，生成光頻梳；利用光子濾波器依次濾出所述光頻梳的多根連續(xù)梳齒；步驟B、對(duì)于所濾出的每一根梳齒，以其作為光載波，利用基于光單邊調(diào)制的光器件測量方法測量出待測光器件在該梳齒所對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)的傳輸函數(shù)；
步驟C、根據(jù)各梳齒所對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)的傳輸函數(shù)得到待測光器件在所述多根連續(xù)梳齒所對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)的寬帶傳輸函數(shù)。一種光器件測量裝置，包括光載波生成單元、光單邊帶調(diào)制器、微波掃頻源、微波幅相接收機(jī)、光探測器、主控單元；光單邊帶調(diào)制器將微波掃頻源輸出的微波掃頻信號(hào)調(diào)制到光載波產(chǎn)生模塊輸出的光載波上，生成光單邊帶掃頻信號(hào)；光探測器用于將通過待測光器件的光單邊帶掃頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；微波幅相接收機(jī)用于以微波掃頻信號(hào)為參考提取光探測器輸出的電信號(hào)的幅度相位信息；主控單兀用于對(duì)光載波產(chǎn)生模塊和微波掃頻源進(jìn)行控制，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和結(jié)果顯示；所述光載波生成單元包括光源、微波源、光頻梳調(diào)制器、光子濾波器，光源、光頻梳調(diào)制器、光子濾波器沿光路依次連接，微波源的輸出端與光頻梳調(diào)制器的微波輸入端連接，光子濾波器的控制端與所述主控單元連接。為了提高測量精度，上述技術(shù)方案中，所述光源優(yōu)選窄線寬激光器，所述光子濾波器優(yōu)選高Q值光子濾波器。本發(fā)明在現(xiàn)有基于光單邊帶調(diào)制的光器件測量方法基礎(chǔ)上，采用光頻梳調(diào)制器與光子濾波器協(xié)同工作的方式，依次產(chǎn)生多個(gè)連續(xù)頻帶的光載波，且相鄰的光載波之間不僅頻率差是固定的而且相位也是相關(guān)的。對(duì)于測得的連續(xù)頻帶的傳輸函數(shù)即可采用簡單的數(shù)據(jù)處理方法得到寬的傳輸函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了裝置測量范圍的拓展。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明可將現(xiàn)有的光器件測量范圍拓展百倍以上。


圖1為一種現(xiàn)有的基于光單邊帶調(diào)制的光器件測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的光器件測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 (a)、圖3 (b)分別為使用本發(fā)明光器件測量裝置測量光纖光柵的結(jié)構(gòu)示意圖、各段頻譜示意圖；其中A為激光器輸出的光信號(hào)；B為經(jīng)光頻梳調(diào)制器調(diào)制后輸出的光頻梳；C為光子濾波器對(duì)光頻梳進(jìn)行光載波選取后的光信號(hào)，虛線為被濾除的梳齒，實(shí)直線為濾出的光載波，實(shí)折線為光子濾波器的頻譜響應(yīng)曲線；D為所選取的光載波經(jīng)單邊帶調(diào)制器調(diào)制后的光單邊帶掃頻信號(hào)出為受光纖光柵作用時(shí)的光信號(hào)，虛線為光纖光柵的幅頻響應(yīng)曲線；F為經(jīng)光電檢測器拍頻后的電信號(hào)；圖4為具體實(shí)施方式
中所使用的光單邊帶調(diào)制器的原理框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明本發(fā)明的思路是在現(xiàn)有基于光單邊帶調(diào)制的光器件測量方法基礎(chǔ)上，采用光頻梳與光子濾波器協(xié)同工作的方式，依次產(chǎn)生多個(gè)連續(xù)頻帶的光載波，通過測量待測光器件在各頻帶內(nèi)的傳輸函數(shù)并通過數(shù)值處理即可得到寬帶的傳輸函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)測量范圍的拓展。本發(fā)明測量方法具體包括以下步驟步驟A、利用光頻梳調(diào)制器將具有固定頻率及相位的微波信號(hào)調(diào)制到由光源輸出的光載波上，生成光頻梳；利用光子濾波器依次濾出所述光頻梳的多根連續(xù)梳齒；步驟B、對(duì)于所濾出的每一根梳齒，以其作為光載波，利用基于光單邊調(diào)制的光器件測量方法測量出待測光器件在該梳齒所對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)的傳輸函數(shù)；
步驟C、根據(jù)各梳齒所對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)的傳輸函數(shù)得到待測光器件在所述多根連續(xù)梳齒所對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)的寬帶傳輸函數(shù)。圖2顯示了本發(fā)明光器件測量裝置的結(jié)構(gòu)，如圖所示，該測量裝置包括光載波生成單元、光單邊帶調(diào)制器、微波掃頻源、微波幅相接收機(jī)、光探測器、主控計(jì)算機(jī)；光單邊帶調(diào)制器將微波掃頻源輸出的微波掃頻信號(hào)調(diào)制到光載波產(chǎn)生模塊輸出的光載波上，生成光單邊帶掃頻信號(hào)；光探測器用于將通過待測光器件的光單邊帶掃頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；微波幅相接收機(jī)用于以微波掃頻信號(hào)為參考提取光探測器輸出的電信號(hào)的幅度相位信息；主控計(jì)算機(jī)用于對(duì)光載波產(chǎn)生模塊和微波掃頻源進(jìn)行控制，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和結(jié)果顯示。如圖中虛線框中所示，本發(fā)明的光載波生成單元包括激光器、微波源、光頻梳調(diào)制器、高Q值光子濾波器，激光器、光頻梳調(diào)制器、高Q值光子濾波器沿光路依次連接，微波源的輸出端與光頻梳調(diào)制器的微波輸入端連接，光子濾波器的控制端與所述主控計(jì)算機(jī)連接。使用該裝置進(jìn)行光器件測量時(shí)，光頻梳調(diào)制器將微波源輸出的微波信號(hào)調(diào)制到窄線寬激光器輸出的光信號(hào)上，調(diào)制出具有多個(gè)梳齒的光頻梳；通過主控計(jì)算機(jī)控制高Q值光子濾波器的通帶中心頻率，從而從光頻梳中濾出與該通帶中心頻率對(duì)應(yīng)的梳齒；光單邊帶調(diào)制器將微波掃頻源產(chǎn)生的掃頻信號(hào)調(diào)制到高Q值光子濾波器輸出的光載波上，生成光單邊帶掃頻信號(hào)，并使該光單邊帶信號(hào)經(jīng)待測光器件后送至光探測器，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；然后以微波掃頻源的輸出信號(hào)為參考，利用微波幅相接收機(jī)提取光探測器輸出信號(hào)的幅度相位信息并存儲(chǔ)于主控計(jì)算機(jī)中；通過主控計(jì)算機(jī)調(diào)整高Q值光子濾波器的通帶中心頻率，使其輸出的光載波波長移至下一個(gè)頻帶對(duì)應(yīng)的光載波波長處(即濾出光頻梳的下一個(gè)梳齒)，重復(fù)上述步驟，得到待測光器件在多個(gè)連續(xù)頻帶(梳齒)內(nèi)的傳輸函數(shù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在主控單元中；最后，通過主控單元處理所存儲(chǔ)的待測光器件在多個(gè)連續(xù)頻帶內(nèi)的傳輸函數(shù)信息，得到待測光器件的寬帶傳輸函數(shù)。如所選取的連續(xù)頻帶涵蓋光頻梳的所有梳齒，則可得到該光頻梳所對(duì)應(yīng)頻帶內(nèi)待測光器件的寬帶傳輸函數(shù)?，F(xiàn)在已經(jīng)報(bào)道的光頻梳的梳齒根數(shù)已經(jīng)可以達(dá)到百根以上[Tetsuya Kawanishi, TakahideSakamoto, Satoshi Shinada, andMasayuki Izutsu, “Optical frequency comb generator usingoptical fiber loops withsingle-sideband modulation，，Journal:1EICE Electronic Express, vol.1, no. 8, pp. 217-221，2004]，即采用上述方法可將原有的測量范圍拓展百倍以上。為了便于公眾理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面列舉一個(gè)采用該裝置測量光纖光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)的具體實(shí)施例。該測量裝置在測量光纖光柵時(shí)，其結(jié)構(gòu)如圖3 Ca)所示，圖中，A為激光器輸出的光信號(hào)為經(jīng)光頻梳調(diào)制器調(diào)制后輸出的光頻梳；C為光子濾波器對(duì)光頻梳進(jìn)行光載波選取后的光信號(hào)，虛線為被濾除的梳齒，實(shí)直線為濾出的光載波，實(shí)折線為光子濾波器的頻譜響應(yīng)曲線；D為所選取的光載波經(jīng)單邊帶調(diào)制器調(diào)制后的光單邊帶掃頻信號(hào)；E為受光纖光柵作用時(shí)的光信號(hào)，虛線為光纖光柵的幅頻響應(yīng)曲線；F為經(jīng)光電檢測器拍頻后的電信號(hào)。信號(hào)A F的頻譜圖如圖3 (b)所示。本具體實(shí)施例中，采用的光單邊帶調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，由90°微波定向耦合器和馬赫-曾德爾雙臂調(diào)制器組成；90°微波定向耦合器的輸入端與所述微波掃頻源的輸出端連接，兩輸出端分別與馬赫-曾德爾雙臂調(diào)制器(MZM)的兩微波輸入端口相連，馬赫-曾德爾雙臂調(diào)制器的光輸入端口與所述光載波生成單元相連。通過90°微波定向耦合器將輸入的微波信號(hào)分成兩路功率相等的正交信號(hào)，分別輸至馬赫-曾德爾雙臂調(diào)制器的兩個(gè)微波輸入端口。給予適當(dāng)?shù)闹绷髌?，利用該調(diào)制器將從微波輸入端口輸入的兩路正交微波信號(hào)調(diào)制在從光輸入端口輸入的光載波上，產(chǎn)生由光載波和一個(gè)光邊帶組成的光單邊帶信號(hào)。基于光單邊帶調(diào)制的測量裝置本身具有很高的分辨率，一般采用線寬為300Hz的窄線寬激光器，因此，測量裝置的分辨率約為300Hz。由于光頻梳的齒間隔頻率由微波源的頻率決定，受益于成熟的微波固態(tài)源技術(shù)(頻率穩(wěn)定度一般約為幾Hz甚至更高)，光頻梳的齒間距頻率的漂移可忽略不計(jì)。因此，采用高Q值的光子濾波器選擇光載波的方法，可依次產(chǎn)生頻率間隔一定相位相關(guān)的連續(xù)頻帶的光載波，因而可精確測量多個(gè)連續(xù)頻帶內(nèi)待測光器件的傳輸函數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理即可得到光纖光柵的寬帶傳輸函數(shù)。具體而言，使用該裝置進(jìn)行光纖光柵測量時(shí)，按照以下步驟步驟1、光載波波長選取步驟通過掃描高Q值光子濾波器通帶的中心波長，確定光載波生成單元產(chǎn)生各頻帶光載波時(shí)高Q值光子濾波器的控制電流；步驟2、測量裝置校準(zhǔn)步驟將光單邊帶調(diào)制器的輸出端口與光探測器的輸入端口直接相連，主控計(jì)算機(jī)按照步驟I中確定的控制電流控制高Q值光子濾波器的通帶中心頻率，使其依次輸出各個(gè)頻帶的光載波，并在對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)測量系統(tǒng)的傳輸函數(shù)，主控單元存儲(chǔ)這些傳輸函數(shù)并進(jìn)行處理，得到寬帶的系統(tǒng)傳輸函數(shù)；步驟3、測量步驟接入待測光器件，待測光器件的輸入、輸出端口分別與光單邊帶調(diào)制器的輸出端口、光探測器的輸入端口相連；主控單元按照步驟I中確定的控制電流控制高Q值光子濾波器的通帶中心頻率，使其依次輸出各個(gè)頻帶的光載波，在對(duì)應(yīng)頻帶內(nèi)測量光纖光柵的傳輸函數(shù)；主控單元存儲(chǔ)這些傳輸函數(shù)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到光纖光柵的寬帶傳輸函數(shù)，再利用步驟B中所得的系統(tǒng)傳輸函數(shù)對(duì)測得的光纖光柵的寬帶傳輸函數(shù)進(jìn)行校正，從而得到消除系 統(tǒng)誤差后的待測光纖光柵的寬帶傳輸函數(shù)。下面對(duì)該光器件測量裝置的工作原理進(jìn)行簡要介紹。光單邊帶調(diào)制器將微波掃頻源產(chǎn)生的微波信號(hào)足周制到光載波生成模塊輸出的一個(gè)光載波上，產(chǎn)生由光載波與一個(gè)光邊帶組成的光單邊帶信號(hào)
Elmn = 4ei4rm) +。當(dāng)光單邊帶信號(hào)通過待測器件時(shí),其光載波和邊帶受到系
OSSB VI
統(tǒng)傳輸函數(shù)Η(ω)+Η’ (ω)的作用，幅度和相位發(fā)生相對(duì)變化。得到的光單邊帶信號(hào)為
Κω{ο = ^[Η(ω) + Η'{ω)\β^δ{ω-ω 0)
+Al「//(ω) + H'(Cy)~|(i'''δ(CO — OJlt在光探測器里，光單邊帶信號(hào)的載波與邊帶拍頻得到微波信號(hào)
E1 ⑷=a44 [H* (m[) + H'*(mi0)fH(mi0 + me) + H'(cd0 + ae)\ 一，)此微波信號(hào)攜帶了待測器件傳輸函數(shù)的信息。通過微波幅相接收機(jī)可獲得Ei(We)相對(duì)于其輸出的微波信號(hào)的幅度和相位的變化信息。由于載頻<是固定的，因此，《(co,) + H(CO,)是一個(gè)復(fù)常數(shù)，且α、爲(wèi),和_均為已知常數(shù)，所以可得
權(quán)利要求
1.一種光器件測量方法，其特征在于，包括以下步驟步驟A、利用光頻梳調(diào)制器將具有固定頻率及相位的微波信號(hào)調(diào)制到由光源輸出的光載波上，生成光頻梳；利用光子濾波器依次濾出所述光頻梳的多根連續(xù)梳齒；步驟B、對(duì)于所濾出的每一根梳齒，以其作為光載波，利用基于光單邊調(diào)制的光器件測量方法測量出待測光器件在該梳齒所對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)的傳輸函數(shù)；步驟C、根據(jù)各梳齒所對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)的傳輸函數(shù)得到待測光器件在所述多根連續(xù)梳齒所對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)的寬帶傳輸函數(shù)。
2.一種光器件測量裝置，包括光載波生成單元、光單邊帶調(diào)制器、微波掃頻源、微波幅相接收機(jī)、光探測器、主控單元；光單邊帶調(diào)制器將微波掃頻源輸出的微波掃頻信號(hào)調(diào)制到光載波產(chǎn)生模塊輸出的光載波上，生成光單邊帶掃頻信號(hào)；光探測器用于將通過待測光器件的光單邊帶掃頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；微波幅相接收機(jī)用于以微波掃頻信號(hào)為參考提取光探測器輸出的電信號(hào)的幅度相位信息；主控單元用于對(duì)光載波產(chǎn)生模塊和微波掃頻源進(jìn)行控制，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和結(jié)果顯示；其特征在于，所述光載波生成單元包括光源、 微波源、光頻梳調(diào)制器、光子濾波器，光源、光頻梳調(diào)制器、光子濾波器沿光路依次連接，微波源的輸出端與光頻梳調(diào)制器的微波輸入端連接，光子濾波器的控制端與所述主控單元連接。
3.如權(quán)利要求2所述光器件測量裝置，其特征在于，所述光源為窄線寬激光器。
4.如權(quán)利要求2所述光器件測量方法，其特征在于，所述光子濾波器為高Q值光子濾波器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光器件測量方法。本發(fā)明方法包括以下步驟步驟A、利用光頻梳調(diào)制器將具有固定頻率及相位的微波信號(hào)調(diào)制到由光源輸出的光載波上，生成光頻梳；利用光子濾波器依次濾出所述光頻梳的多根連續(xù)梳齒；步驟B、對(duì)于所濾出的每一根梳齒，以其作為光載波，利用基于光單邊調(diào)制的光器件測量方法測量出待測光器件在該梳齒所對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)的傳輸函數(shù)；步驟C、根據(jù)各梳齒所對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)的傳輸函數(shù)得到待測光器件在所述多根連續(xù)梳齒所對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)的寬帶傳輸函數(shù)。本發(fā)明還公開了一種采用上述方法的光器件測量裝置。本發(fā)明在現(xiàn)有基于光單邊帶調(diào)制的光器件測量方法基礎(chǔ)上，采用光頻梳調(diào)制器與光子濾波器協(xié)同工作的方式，大幅度提高了測量范圍。
文檔編號(hào)G01M11/02GK103048121SQ201210566580
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者潘時(shí)龍, 薛敏, 唐震宙, 趙永久, 朱丹, 郭榮輝, 何超 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)