本發(fā)明涉及一種超高分辨率光矢量分析方法及裝置，屬于光學(xué)測量技術(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，高精度光器件的研制、已有高精度光器件(如微環(huán)、微球等高Q值微諧振器等)在光子系統(tǒng)中的應(yīng)用，亟需高精細(xì)的光器件光譜響應(yīng)測試技術(shù)。然而，現(xiàn)有的光器件光譜響應(yīng)技術(shù)難以對上述高精度光譜響應(yīng)進(jìn)行多維度、高精細(xì)的表征。現(xiàn)唯一商用的光器件多維光譜響應(yīng)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(yīng)(如幅度、相位、群時(shí)延、偏振模色散、偏振相關(guān)損耗等)，但是其測試精細(xì)度僅為1.6pm(200MHz)，難以滿足受激布里淵增益譜的測試需求。此外，科研機(jī)構(gòu)廣泛采用基于DFB激光器掃頻技術(shù)和光功率探測技術(shù)進(jìn)行光器件光譜響應(yīng)的測量，該測量技術(shù)受益于DFB激光器高精細(xì)的波長掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精細(xì)的測量。但該測試技術(shù)只能檢測光功率的變化，獲取幅頻響應(yīng)信息，無法獲得相頻響應(yīng)等其他維度的關(guān)鍵信息。若用于高精度光器件光譜響應(yīng)的測量，無法測得相頻響應(yīng)，使得高精度光器件無法用于光時(shí)延、光移相、光子信號處理等。

為了實(shí)現(xiàn)高精度光器件光譜響應(yīng)的高精細(xì)、多維度測量，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。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)，其測試精細(xì)度有了質(zhì)的飛躍。然而，上述方法需要采用寬帶的微波幅相接收模塊進(jìn)行射頻信號幅度和相位的提取，使整個(gè)測量裝置造價(jià)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(diào)制器的帶寬限制，小于40GHz)、測量動態(tài)范圍不高等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種超高分辨率的光器件光矢量分析方法及裝置，克服現(xiàn)有光器件光譜響應(yīng)測量技術(shù)的不足，能夠在實(shí)現(xiàn)光器件幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)的高精度測量的同時(shí)，提高測量速度，大幅降低實(shí)現(xiàn)成本。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供一種超高分辨率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(jìn)行移頻后輸入光耦合器與另一路進(jìn)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(jìn)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(lián)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(jìn)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(jìn)行處理后得到第一矢量響應(yīng)函數(shù)；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(lián)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(jìn)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后，再輸入第二光探測模塊進(jìn)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(yīng)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(jìn)行處理后得到第二矢量響應(yīng)函數(shù)；

最后，將第二矢量響應(yīng)函數(shù)除以第一矢量響應(yīng)函數(shù)，得到待測光器件的光譜矢量響應(yīng)信息。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，通過移頻模塊對一路單波長光探測信號進(jìn)行移頻。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述移頻模塊為聲光調(diào)制器。

另一方面，本發(fā)明還提供一種超高分辨率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(shù)據(jù)處理模塊，其中：

光源模塊，用于輸出單波長光探測信號；

光分束器，用于將光源模塊輸出的單波長光探測信號分為兩路；

移頻模塊，用于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(jìn)行移頻處理；

光耦合器，用于將經(jīng)移頻模塊移頻后的光探測信號與光分束器輸出的另一路光探測信號進(jìn)行耦合，產(chǎn)生兩路雙波長光探測信號；

第一光探測模塊，用于雙波長光探測信號進(jìn)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，用于對經(jīng)過待測光器件的雙波長光探測信號進(jìn)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(yīng)信息的測量信號；

幅相提取模塊，用于分別提取第一、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(shù)據(jù)處理模塊，用于控制光源模塊進(jìn)行頻譜掃描，接收幅相提取模塊輸出的幅度相位信息并進(jìn)行處理，輸出待測光器件的光譜矢量響應(yīng)信息。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述移頻模塊為聲光調(diào)制器。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明結(jié)合光波長移頻技術(shù)和射頻信號幅相提取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光器件光譜響應(yīng)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)的測量。輔以高精細(xì)單波長掃頻光源，本發(fā)明即可實(shí)現(xiàn)光器件光譜相應(yīng)的高精細(xì)測量。此外，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明光器件光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

本發(fā)明的思路是結(jié)合光子移頻技術(shù)和射頻信號幅相提取技術(shù)來實(shí)現(xiàn)光器件的光譜響應(yīng)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(jìn)行光移頻然后與另一路耦合，產(chǎn)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(jīng)待測光器件傳輸，而后進(jìn)行拍頻，將光器件的光譜響應(yīng)信息轉(zhuǎn)換至電域；再采用射頻幅相提取技術(shù)提取光器件的光譜響應(yīng)信息，從而實(shí)現(xiàn)光器件的光譜響應(yīng)測量。

圖1顯示了本發(fā)明光器件光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)，如圖所示，該測量系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(jìn)行移頻，其中，移頻量根據(jù)實(shí)際需求確定，再根據(jù)需要的移頻量選取移頻模塊；光耦合器將移頻后的光信號與光分束器輸出的另一路光信號進(jìn)行耦合，產(chǎn)生兩路雙波長光探測信號；一路直接傳輸進(jìn)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，然后傳輸進(jìn)光探測模塊2，將待測光器件的光譜響應(yīng)信息轉(zhuǎn)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(gè)光探測模塊所輸出信號的幅度相位信息；控制及數(shù)據(jù)處理模塊一方面控制光源模塊進(jìn)行頻譜掃描，另一方面接收幅相提取模塊的輸出信息并處理，得到待測光器件的光譜矢量響應(yīng)信息。

所述移頻模塊可采用現(xiàn)有的各類光頻移技術(shù)，如基于雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器的載波抑制的單邊帶調(diào)制技術(shù)，該頻移技術(shù)可通過調(diào)節(jié)輸入射頻信號的頻率實(shí)現(xiàn)光波長頻移量的靈活調(diào)節(jié)，但存在諸多高階邊帶；又如基于聲光調(diào)制器的光頻移技術(shù)，該技術(shù)具有移頻后無高階邊帶殘留的優(yōu)點(diǎn)，但只能對光波進(jìn)行特定頻移量的移頻，且移頻量較小(通常小于200MHz)。本發(fā)明僅需對光波進(jìn)行較小頻量的頻移，且希望移頻后無高階邊帶，因此本發(fā)明優(yōu)選采用聲光調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)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于200MHz，因此已有成熟的技術(shù)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芯片，該芯片可提取<2.7GHz射頻信號的幅相信息，本發(fā)明即優(yōu)選采用該芯片實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的射頻信號幅相提取。

使用上述系統(tǒng)進(jìn)行光器件測量時(shí)，首先，在兩測試端口(即待測光器件兩端的光耦合器、光探測模塊2的連接端口)間不級聯(lián)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(yīng)函數(shù)；然后，級聯(lián)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(tǒng)的聯(lián)合響應(yīng)；最后，控制及數(shù)據(jù)處理模塊將測得的聯(lián)合響應(yīng)函數(shù)除以測得的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)，從而測得待測光器件的響應(yīng)函數(shù)。

為了使公眾更清晰地了解本發(fā)明技術(shù)方案，下面對本發(fā)明的測量原理進(jìn)行簡要介紹：

光源輸出的光載波為E_o(t)＝E_oexp(iω_ot)，其中E_o和ω_o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(dá)式如下：

其中，E_s和E_p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(jīng)移頻模塊移頻與載波信號經(jīng)光耦合器耦合之后，可表示為

其中，E_r1和E_r2分別為參考路兩不同波長的光探測信號的幅度；E_d1和E_d2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；ω_IF為移頻模塊對光信號的移頻量。

參考路光探測信號不經(jīng)過待測光器件，測量路光探測信號經(jīng)過待測光器件傳輸后，可表示為：

其中，H(ω_o)＝H_sys(ω_o)H_ODUT(ω_o)，H(ω_o+ω_IF)＝H_sys(ω_o+ω_IF)H_ODUT(ω_o+ω_IF)，H_sys(ω_o)與H_sys(ω_o+ω_IF)為測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng)，H_ODUT(ω_o)與H(ω_o+ω_IF)為待測光器件的光譜響應(yīng)。

光探測模塊1對參考路信號進(jìn)行拍頻，光探測模塊2對測量路信號進(jìn)行拍頻，我們可得到：

其中，η_r是參考路PD的響應(yīng)系數(shù)，η_d是測量路PD的響應(yīng)系數(shù)。

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：

由于ω_IF相對于ω_o非常小，且起始掃頻處往往選擇位于待測光器件光譜響應(yīng)較為平坦處，故可將H(ω_o+ω_IF)近似等于H(ω_o)，則幅相提取模塊的提取結(jié)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(jié)果可表示為：

攜帶待測光器件光譜響應(yīng)信息的傳輸函數(shù)可表示為：

為了消除系統(tǒng)傳輸函數(shù)的影響，需要采用校準(zhǔn)方法。如將兩測試端口直接相連，即H_ODUT(ω)＝1，即可得到如下的系統(tǒng)傳輸函數(shù)

因此，待測器件的傳輸函數(shù)即可得到

射頻信號(亦即，i_dr(ω)和i_sys(ω))的幅度和相位可由幅相接收模塊探測得到，因此根據(jù)式(10)即可得到待測光器件的光譜響應(yīng)。

下面列舉一個(gè)采用本發(fā)明測量系統(tǒng)測量光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)的具體實(shí)施例。

為實(shí)現(xiàn)光纖光柵幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)的精細(xì)測量，實(shí)施例中，光源選用線寬為200kHz的連續(xù)掃頻激光器。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(diào)制器，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(shí)施例中基于ADI公司的AD8302芯片設(shè)計(jì)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(fā)明測量裝置進(jìn)行光纖光柵測量時(shí)，按照以下步驟：

(1)系統(tǒng)響應(yīng)測量步驟：將兩測試端口直接相連，即不級聯(lián)光纖光柵，控制光源進(jìn)行掃頻，同時(shí)控制幅相提取模塊提取光纖光柵各頻點(diǎn)處的幅度和相位變化信號，輸至控制及數(shù)據(jù)處理模塊，得到系統(tǒng)的矢量響應(yīng)函數(shù)(即幅頻響應(yīng)與相頻響應(yīng))；

(2)系統(tǒng)和光纖光柵聯(lián)合響應(yīng)測量步驟：在兩測試端口間級聯(lián)光纖光柵，同樣地，測得系統(tǒng)與待測光纖光柵的聯(lián)合矢量響應(yīng)函數(shù)；

(3)數(shù)據(jù)處理步驟：將聯(lián)合矢量響應(yīng)函數(shù)除以系統(tǒng)的矢量響應(yīng)函數(shù)，即可得到待測光纖光柵的矢量響應(yīng)函數(shù)，亦即待測光器件的幅頻響應(yīng)與相頻響應(yīng)。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。