技术领域
[0001] 本
发明涉及光器件测量技术领域，具体地说，涉及一种用于测量光器件频率响应的装置和方法。
背景技术
[0002]
现有技术中，提高光纤通信系统中的
光谱利用率是业务发展的必然趋势。包括幅度、
相位、频率、偏振甚至是模场分布在内的多维光谱资源都被用来携带信息，信息的传输、接收和处理发生了前所未有的变化。例如，光频分
正交复用(OFDM)系统
子载波带宽通常在百MHz量级，而传统的密集波分复用系统一个频带占有百GHz带宽；16阶正交幅度调制(QAM)精确控制光相位到12个离散点，而传统
开关调制(OOK)几乎完全忽略了相位信息。
[0003] 相应地，新型光通信器件需要具有对多维信息的操纵和控制能
力。例如：Finisar公司推出的Waveshaper光处理器的幅度控制
精度为0.01dB，频率调谐精度为1GHz，群延时控制精度为0.1ps。此外，90°光
混频器是相干光通信系统中的
基础器件，其对
信号光和
本振光的
相移精度决定了该系统的容量、传输距离等关键指标。这些器件从设计、生产到实际使用的整个过程都需要对多维度、高精细度和高速的光谱响应进行测量。
[0004] 目前，广泛商用的光谱分析手段和设备以大
频谱分析粒度、单一维度信息(只有
功率谱)获取为特征。这是由于该光谱分析主要采用空间光栅将不同频率的
光信号在空间上分开，然后利用机械狭缝扫描出各频谱分量的功率。其中，狭缝的宽度限定了光频谱
分辨率(通常在10pm以上)，机械扫描使波段遍历(例如通信的C波段，几十nm)需要数十秒甚至数分钟的时间，而直接探测的方法则在原理上决定了该技术只能获得光功率谱，无法测量相位、偏振等日益重要的信息。
[0005] 因此，亟需一种能够对光器件的光谱进行多维度测量的装置和方法。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于解决现有技术中尚不能对光器件进行多维度测量的
缺陷。
[0007] 本发明的
实施例提供一种用于测量光器件频率响应的装置，包括：
[0009] 检测光路，用于对所述激光载波进行调制生成第一光频梳，使第一光频梳通过待测光器件得到检测光梳，以将待测光器件的幅频响应和相频响应记录在检测光梳的梳齿上，使检测光梳变频为基带检测信号；
[0010] 基准光路，用于对所述激光载波进行调制生成第二光频梳，使第二光频梳变频为基带基准信号；
[0011]
采样处理模
块，用于根据基带检测信号和基带基准信号进行采样，并计算待测光器件的幅频响应和相频响应。
[0012] 优选地，所述检测光路包括：
[0013] 第一调
制模块，用于对所述激光载波进行调制生成具有第一频率间隔的第一光频梳，并输入待测光器件；
[0014] 第一变频模块，用于对待测光器件输出的检测光梳和第二光频梳进行
拍频处理获得基带检测信号。
[0015] 优选地，所述基准光路包括：
[0016] 第二调制模块，用于将所述激光载波进行移频，并调制生成具有第二频率间隔的第二光频梳，且第一频率间隔和第二频率间隔的数值不同；
[0017] 第二变频模块，用于对第一光频梳和第二光频梳进行拍频处理获得基带基准信号。
[0018] 优选地，所述第一调制模块包括：
[0019] 第一伪随机序列发生器，用于产生第一伪随机序列，其中第一伪随机序列的重复周期与第一频率间隔为倒数关系；
[0020] 第一
调制器，用于根据第一伪随机序列将所述激光载波进行调制，生成第一光频梳。
[0021] 优选地，所述第二调制模块包括：
[0022] 移频器，用于对激光载波进行移频处理；
[0023] 第二伪随机序列发生器，用于产生第二伪随机序列，其中第二伪随机序列的重复周期与第二频率间隔为倒数关系；
[0024] 第二调制器，用于根据第二伪随机序列对移频后的激光载波进行调制，生成第二光频梳，且第一光频梳和第二光频梳的梳齿频率不同。
[0025] 优选地，所述采样处理模块包括：
[0026] 双通道采样示波器，其包括检测信号通道和基准信号通道，其中，检测信号通道对基带检测信号进行采样和
模数转换得到检测
数字信号，基准信号通道对基带基准信号进行采样和模数转换得到基准数字信号；
[0027] 数字处理器，其对检测数字信号和基准数字信号进行处理，得到待测光器件的幅频响应和相频响应。
[0028] 本发明的实施例还提供一种用于测量光器件频率响应的方法，包括：
[0029] 产生连续式激光载波；
[0030] 对所述激光载波进行调制生成第一光频梳，使第一光频梳通过待测光器件得到检测光梳，以将待测光器件的幅频响应和相频响应记录在检测光梳的梳齿上；
[0031] 对所述激光载波进行调制生成第二光频梳；
[0032] 将检测光梳变频为基带检测信号；
[0033] 使第二光频梳变频为基带基准信号；
[0034] 根据基带检测信号和基带基准信号进行采样，并计算待测光器件的幅频响应和相频响应。
[0035] 优选地，在对所述激光载波进行调制生成第一光频梳的步骤中包括：
[0036] 对所述激光载波进行调制生成具有第一频率间隔的第一光频梳；
[0037] 在将检测光梳变频为基带检测信号的步骤中包括：
[0038] 对待测光器件输出的检测光梳和第二光频梳进行拍频处理获得基带检测信号。
[0039] 优选地，在对所述激光载波进行调制生成第二光频梳的步骤中包括：
[0040] 将所述激光载波进行移频，并调制生成具有第二频率间隔的第二光频梳，且第一频率间隔和第二频率间隔的数值不同；
[0041] 在使第二光频梳变频为基带基准信号的步骤中包括：
[0042] 对第一光频梳和第二光频梳进行拍频处理获得基带基准信号。
[0043] 本发明的实施例利用一组光频梳对被测光器件宽带的光信息同时进行多点采集，之后利用另一组与之相干的光频梳对采集到的宽带信息进行下变频，同时作为参考对测量系统进行校准。并且使用PRBS码调制连续式激光光源产生光频梳，以根据待测光器件的需要灵活设置探测精度和探测带宽，在不增加运算量的前提下优化探测精度和探测带宽二者之间的矛盾关系。因此，能够在保证测量精度与带宽的同时保证测量速度，并且能够同时获得待测器件的幅频与相频响应。
[0044] 另一方面，本发明的实施例所采用的双光频梳是可调谐的，这意味着可根据待测光器件的具体情况灵活改变测量精度与测量带宽，使测量精度、带宽和速度整体最优化。
[0045] 本发明的其它特征和优点将在随后的
说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、
权利要求书以及
附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0046] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0047] 图1是实施例一的用于测量光器件频率响应的装置的结构示意图；
[0048] 图2是实施例一的第一光频梳和第二光频梳的频谱分布示意图；
[0049] 图3是实施例二的用于测量光器件频率响应的装置的结构示意图；
[0050] 图4a是实施例二中待测光器件DUT的光谱图；
[0051] 图4b和图4c分别为图3中B点和D点的光谱图；
[0052] 图4d和图4e分别为图3中Sig
电信号和Ref电信号的频谱图；
[0053] 图5是实施例三的用于测量光器件频率响应的方法的步骤
流程图；
[0054] 图6a和图6b是MZI和光纤环的光频率响应的测量结果；
[0055] 图7a和图7b是MZI和光纤环的光频率响应的仿真结果。
具体实施方式
[0056] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。需要说明的是，附图中未绘出或者描述的实现方式，为本领域普通技术人员所知的形式。虽然说明书中提供包含特定值的参数的示例，但实际应用中的参数无需设定为确切等于该特定值，而是在可接受的误差容限或者设计约束内近似等于该特定值。
[0057] 现有技术中只有美国LUNA公司能够实现光器件在幅度、相位和偏振等多个维度信息的测量。但是其测试精度受限于激光
波长调谐机制，仅在pm量级；且其波长逐点扫描的方式也限制了其测试速度的提升。表1从仪器类型、测量原理、特征等方面对目前可进行光器件参数测量的国际商业仪表，亦即美国Luna公司的OVA5000、西班牙Aragon公司的BOSA以及法国APEX公司的OCSA，进行了详细对比。通过对比可知，OVA5000可直接测量光器件的全参数响应，但其测量分辨率较低；BOSA和OCSA作为光复谱分析仪，必须结合扫频光源才能用于光器件的测量，此外，尽管它们具有较高的光谱分辨率但受限于现有的光波长扫描技术的波长扫描分辨率与扫描时间，其测量分辨率与测量时间将大于其光谱分辨率与光谱分析时间。
[0058] 表1光器件频响测量现状与趋势
[0059]
[0060] 本发明的实施例提供一种采用双相干可调光频梳来测量光器件频率响应的装置和方法。本发明的实施例摒弃了传统的需要逐点扫描的探测方式，也不需要电矢网或单边带等复杂仪器和调制方式，而是利用一组光频梳对宽带的光信息同时进行多点采集，之后利用另一组与之相干的光频梳对采集到的宽带信息进行下变频，同时作为参考对测量系统进行校准，最后进行DSP处理。
[0061] 本发明实施例提供的装置和方法能够在保证测量精度与带宽的同时保证测量速度，并且能够同时获得待测器件的幅频与相频响应。另一个明显的优势是所采用的双光频梳是可调谐的，这意味着可根据待测光器件的具体情况灵活改变测量精度与测量带宽，使测量精度、带宽和速度整体最优化。
[0062] 实施例一
[0063] 本实施例提供一种用于测量光器件频率响应的装置。图1为该装置的结构示意图。该装置包括激光光源110、检测光路120、基准光路130和采样处理模块140。
[0064] 其中，激光光源110用于产生连续式激光载波。检测光路120对激光载波进行调制生成第一光频梳，使第一光频梳通过待测光器件得到检测光梳，以将待测光器件的幅频响应和相频响应记录在检测光梳的梳齿上，在检测光路120中还将检测光梳变频为基带检测信号Sig。基准光路130对激光载波进行调制生成第二光频梳，使第二光频梳变频为基带基准信号Ref。采样处理模块140根据基带检测信号Sig和基带基准信号Ref进行采样，并计算待测光器件的幅频响应和相频响应。
[0065] 具体来说，检测光路120中包括第一调制模块121，其输入端与激光光源110连接，用于对激光光源110产生的激光载波进行调制生成具有第一频率间隔FSR1的第一光频梳comb1。第一调制模块121的输出端与待测光器件122的输入端连接，使第一光频梳comb1输入待测光器件122。这样以来，当comb1通过待测光器件122时，待测光器件在带宽内的幅频响应和相频响应被记录在comb1的一系列梳齿上，显然探测分辨率即为FSR1。
[0066] 基准光路130包括第二调制模块131，其输入端与激光光源110连接，用于对激光光源110产生的激光载波进行移频(移频频率为△f)，并调制生成具有第二频率间隔FSR2的第二光频梳comb2。则第一光频梳comb1和第二光频梳comb2为一对相干光频梳，图2为comb1和comb2的频谱分布示意图，FSR1和FSR2的频率间隔差为δf，并且δf远小于FSR1。
[0067] 检测光路120中还包括第一变频模块123，其输入端连接待测光器件122的输出端和第二调制模块131的输出端，用于对待测光器件122输出的检测光梳和第二光频梳comb2进行拍频处理获得基带检测信号Sig。由于comb1的带宽很大(通常在几十GHz的量级或以上)，因此无法用光电探测器直接测量。在comb1通过待测器件后与comb2合路再进入第一变频模块123进行拍频，即下变频处理。
[0068] 由于δf的存在，comb1上记录的信息将在下变频后压缩至基带内，梳齿间隔变为δf，实现压缩探测。
[0069] 为避免下变频后的频谱
混叠，需要满足以下条件：
[0070]
[0071] 其中，f1即FSR1，n是一个可以使得nf1接近但是小于△f的最大正整数。△f为第二调制模块131的移频频率，目的是为了使这两个相干光频梳的梳齿在频率上错开。
[0072] 相应的，基准光路130还包括第二变频模块132，其输入端连接第一调制模块121的输出端和第二调制模块131的输出端，用于对第一光频梳comb1和第二光频梳comb2进行拍频处理获得基带基准信号Ref。
[0073] 需要强调的是，检测光路120和基准光路130中光纤长度相等，即这两个光路中所使用的光
耦合器的长度相同。这样，可近似视为这两个光路中由光纤抖动带来的噪声强度相同，在此前提之下，可使用基带基准信号Ref作为参考对测量装置进行校准。
[0074] 在图1中，采样处理模块140连接第一变频模块123的输出端和第二变频模块132的输出端，可根据基带检测信号Sig和基带基准信号Ref进行采样，并计算待测光器件的幅频响应和相频响应。
[0075] 实施例二
[0076] 本实施例对图1所示装置的各个组成部分进行详细说明。图3是本实施例中用于测量光器件频率响应的装置的结构示意图。图3与图1中相同的部件使用同样的附图标记。
[0077] 需要说明的是，由于光频梳的梳齿上记载了被测光器件的光频响应，在后期处理过程中需要对每个梳齿上记载的信息进行计算。若在不增加运算量的前提之下增加探测带宽，必然会使梳齿间隔增大，导致探测精度下降。如图3所示，在本实施利中用PRBS码调制连续式激光光源产生光频梳，以根据待测光器件的需要灵活设置探测精度和探测带宽，在不增加运算量的前提下优化两者之间的矛盾关系。
[0078] CW光源110产生连续式激光载波。检测光路中第一调制模块121包括第一伪随机序列发生器PRBS1(Pseudo Random Binary Sequence，简称PRBS)和第一调制器MZM1(Mach-Zehnder modulator，
马赫曾德尔调制器，简称MZM)。PRBS1产生第一伪随机序列，其中，第一伪随机序列的重复周期决定了第一频率间隔FSR1。第一调制器MZM1的一输入端连接CW光源110，另一输入端连接第一伪随机序列发生器PRBS1，从而根据第一伪随机序列将所述激光载波进行调制，生成第一光频梳comb1，在第一调制器MZM1的输出端A点输出。A点光谱图如图2所示。
[0079] 基准光路中第二调制模块131包括声光移频器AOM(Acousto-Optic Modulator)、第二伪随机序列发生器PRBS2和第二调制器MZM2。声光移频器AOM的输入端连接CW光源110，对激光载波进行移频处理(移频△f)。第二调制器MZM2的一输入端连接声光移频器AOM的输出端，另一输入端连接第二伪随机序列发生器PRBS2，从而根据第二伪随机序列对移频后的激光载波进行调制，生成第二光频梳comb2，在第二调制器MZM2的输出端C点输出。其中，第二伪随机序列的重复周期决定了第二频率间隔FSR2，且第一光频梳和第二光频梳的梳齿频率不同，频率间隔FSR也略有差别。C点光谱图如图2所示
[0080] 具体而言，第一伪随机序列的重复周期与第一频率间隔为倒数关系，且，第二伪随机序列的重复周期与第二频率间隔为倒数关系。
[0081] 例如，在一个示例中，伪随机序列PRBS码的码元速率为a(单位：Hz)，码长为n(单位：个)，则此PRBS码的重复周期为n/a(单位：秒)，那么所形成的光频梳的频率间隔FSR为a/n(单位：Hz)。
[0082] 为了提高
信噪比和精确度，梳齿的数目(表示为2u)应略小于PRBS码长的两倍，由此可得到如下关系：
[0083]
[0084] 其中，f1即FSR1，f2即FSR2，2uf1是测量带宽，γ是压缩率。
[0085] 待测光器件(DUT)122的输入端连接第一调制器MZM1的输出端，第一光频梳comb1通过待测光器件DUT后与comb2合路，进入第一光电探测器(PD)123拍频(即下变频)后生成基带检测信号Sig。其中，待测光器件DUT的光谱图如图4a所示，B点光谱图如图4b所示，基带检测信号Sig如图4d所示。
[0086] 第一光频梳comb1和第二光频梳comb2合路，进入第二光电探测器(PD)132拍频(即下变频)后生成基带基准信号Ref。其中，D点光谱图如图4c所示，基带基准信号Ref如图4e所示。
[0087] 为保证校准效果，第一光电探测器123和第二光电探测器132采用同样规格的器件。
[0088] 在图3中，采样处理模块140包括双通道采样示波器(2-channel OSC)141和数字处理器(DSP)142。双通道采样示波器141包括检测信号通道和基准信号通道。其中，检测信号通道对基带检测信号进行采样和模数转换得到检测数字信号，基准信号通道对基带基准信号进行采样和模数转换得到基准数字信号。数字处理器142对检测数字信号和基准数字信号进行处理，得到待测光器件的幅频响应和相频响应。
[0089] 在一个优选示例中，双通道采样示波器141进行采样前，加入低通
滤波器LPF滤除高频噪声，采样之后，还加入使用合适的
数字滤波器来避免频谱混叠。
[0090] 实施例三
[0091] 本实施例提供一种用于测量光器件频率响应的方法。如图5所示，首先产生连续式激光载波(步骤S501)。对激光载波进行调制生成第一光频梳(步骤S502)，具体地，对激光载波进行调制生成具有第一频率间隔的第一光频梳。使第一光频梳通过待测光器件得到检测光梳(步骤S503)，以将待测光器件的幅频响应和相频响应记录在检测光梳的梳齿上。
[0092] 对所述激光载波进行调制生成第二光频梳(步骤S504)，具体地，将所述激光载波进行移频，并调制生成具有第二频率间隔的第二光频梳，且第一频率间隔和第二频率间隔的数值不同。
[0093] 将检测光梳变频为基带检测信号(步骤S505)，具体的，对待测光器件输出的检测光梳和第二光频梳进行拍频处理获得基带检测信号。使第二光频梳变频为基带基准信号(步骤S506)，具体的，对第一光频梳和第二光频梳进行拍频处理获得基带基准信号。根据基带检测信号和基带基准信号进行采样，并计算待测光器件的幅频响应和相频响应(步骤S507)。
[0094] 其中，在步骤S502和步骤S504中，采用PRBS码调制连续式激光光源产生光频梳，以根据待测光器件的需要灵活设置探测精度和探测带宽。
[0095] 实验结果
[0096] 实验中测量了MZI(臂差1.5m)和光纤环(环长2.2m)，根据它们自身的特点调整了测量的精度和范围。图6a和图6b分别是两者光频率响应的测量结果(横轴被压缩，可以线性恢复)，而图7a和图7b是对应的仿真结果。可以看到实验与仿真是基本符合的，论证了本发明实施例的可行性。实验中通过调节comb的参数，分辨率可达2MHz，带宽可达28GHz，压缩比可达1000倍。
[0097] 虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的
修改与变化，但本发明的
专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
