袁 飛，張耀文，張旨遙，張尚劍，劉 永

(電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院 成都 610054)

近年來(lái)，光學(xué)濾波器被用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的多維度(包括幅度、相位等)、高精細(xì)操控，例如：納米顆粒檢測(cè)[1]、片上光信號(hào)處理[2]、高靈敏度光學(xué)傳感[3]、微波光子學(xué)[4]等，因此亟需能夠?qū)鈱W(xué)濾波器多維光譜響應(yīng)特性進(jìn)行精細(xì)表征的光學(xué)矢量分析技術(shù)。

光干涉法[5-6]和調(diào)制相移法[7-8]是兩種最常用的光學(xué)矢量分析方法，均借助于激光器的波長(zhǎng)掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波器頻響的測(cè)量。然而，由于可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)穩(wěn)定性和可重復(fù)性較差，這兩種方法的頻率分辨率只能達(dá)到百兆赫茲量級(jí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高Q值光學(xué)濾波器頻響的精細(xì)測(cè)量[9]。

為了提高頻率分辨率，文獻(xiàn)[10-15]提出了基于微波光子技術(shù)的光學(xué)矢量分析方案。通過(guò)電光調(diào)制，將光域內(nèi)的波長(zhǎng)掃描轉(zhuǎn)至電域內(nèi)進(jìn)行，借助于高精細(xì)的電譜掃描和分析技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)頻率分辨率334 Hz的幅頻和相頻響應(yīng)測(cè)量[15]。然而，目前已見(jiàn)報(bào)道的基于微波光子技術(shù)的光學(xué)矢量分析在測(cè)量頻響時(shí)采用逐個(gè)頻率點(diǎn)掃描的方式，高的頻率分辨率意味著要掃描更多的頻率點(diǎn)，大大增加了測(cè)量所需的時(shí)間(一般所需時(shí)間為數(shù)秒以上)。

本文提出了一種基于微波光子掃頻的超快、高精細(xì)光學(xué)矢量分析技術(shù)方案，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，以一段非零色散位移光纖的布里淵增益譜作為測(cè)試對(duì)象，對(duì)其幅頻和相頻響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，頻率分辨率達(dá)到20 kHz，測(cè)量時(shí)間僅需20 μs。

1 方案及原理

圖1為本文提出的基于微波光子掃頻的超快、高精細(xì)光學(xué)矢量分析技術(shù)方案示意圖。其工作原理簡(jiǎn)述如下：可調(diào)諧激光二極管(laser diode, LD)輸出直流光，進(jìn)入偏置于最小透射點(diǎn)的雙臂驅(qū)動(dòng)馬赫-曾德?tīng)栯姽庹{(diào)制器(dual-arm-driven Mach-Zehnder electro-optic intensity modulator, DD-MZM)；DDMZM的一個(gè)射頻口輸入高功率電學(xué)線(xiàn)性調(diào)頻(electrical linear frequency modulated, ELFM)信號(hào)，產(chǎn)生各階調(diào)制邊帶，利用光學(xué)帶通濾波器(optical bandpass filter, OBPF)濾出高階邊帶作為寬帶光學(xué)線(xiàn)性?huà)哳l信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)待測(cè)器件(device under test, DUT)頻響特性的快速掃描；DD-MZM的另一個(gè)射頻口輸入單音本振(local oscillator, LO)微波信號(hào)，用于在光電探測(cè)時(shí)實(shí)現(xiàn)光學(xué)線(xiàn)性?huà)哳l信號(hào)的下變頻；ELFM信號(hào)和LO信號(hào)通過(guò)10 M的同步信號(hào)進(jìn)行同步；下變頻后的掃頻信號(hào)映射了DUT的頻響特性，由電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter, ADC)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，在數(shù)字域內(nèi)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)頻響校準(zhǔn)后，恢復(fù)出DUT的幅頻和相頻響應(yīng)。

圖1 光學(xué)矢量分析技術(shù)方案示意圖

可調(diào)諧LD輸出窄線(xiàn)寬直流光，其光場(chǎng)為：

式中，Ec和 ωc分別為直流光的振幅與角頻率。DDMZM的兩個(gè)射頻口分別輸入ELFM信號(hào)和單音LO信號(hào)，調(diào)制后的光場(chǎng)可表示為：

式中，m1和m2分別為L(zhǎng)O信號(hào)和ELFM信號(hào)的調(diào)制系數(shù)；ωLO為 LO信號(hào)的角頻率；ω0和 γ 分別為ELFM信號(hào)的初始角頻率與啁啾率；φ為直流偏置引入的相移。將DD-MZM的直流偏置設(shè)置在最小透射點(diǎn)，即 φ =π，實(shí)現(xiàn)光載波抑制。ELFM的調(diào)制系數(shù)m2足夠大，實(shí)現(xiàn)諧波掃描，擴(kuò)展測(cè)量帶寬。LO為小信號(hào)，可忽略高階調(diào)制邊帶。與此同時(shí)，設(shè)置OBPF的中心波長(zhǎng)與帶寬，只保留光載波一側(cè)的調(diào)制邊帶。因此，OBPF的輸出光場(chǎng)為：

式中，ELO(t) 和EELFM(t)分別為OBPF通帶內(nèi)的LO和ELFM調(diào)制信號(hào)；N為OBPF通帶內(nèi)ELFM調(diào)制信號(hào)的諧波數(shù)；ALO和AELFM,n分別為L(zhǎng)O和ELFM調(diào)制信號(hào)的振幅。

當(dāng)E3(t)通 過(guò)DUT時(shí)，其中的EELFM(t)快速掃描DUT的頻響特性，DUT的輸出光場(chǎng)可表示為：

式中，A(ω)和 θ(ω)分別表示DUT的幅頻與相頻響應(yīng)； ωn(t)為第n階ELFM調(diào)制諧波的瞬時(shí)頻率。當(dāng)DUT的頻響由第p階ELFM調(diào)制諧波掃描得到時(shí)，通過(guò)設(shè)置單音LO信號(hào)的頻率，則第p階ELFM調(diào)制諧波可與LO調(diào)制信號(hào)在光電探測(cè)器(photodetector, PD)內(nèi)拍頻產(chǎn)生相對(duì)低頻的線(xiàn)性調(diào)頻光電流信號(hào)為：

從式(7)可以看到，光電流I(t)攜帶了DUT的頻響信息，通過(guò)分析I(t)的幅度與相位，即可獲得DUT的矢量頻響特性。

需要說(shuō)明的是，上述分析獲得的頻響特性包含了測(cè)量系統(tǒng)其余組件的頻響信息，需要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)過(guò)程中，將OBPF的輸出端直接與PD相連，可獲得校準(zhǔn)光電流信號(hào)為：

根據(jù)式(7)和式(8)，通過(guò)式(9)可獲得DUT的頻率響應(yīng)：

式中， H ilbert[·]代表希爾伯特變換。對(duì)于線(xiàn)性?huà)哳l光，頻率分辨率為掃頻光信號(hào)的帶寬除以總采樣點(diǎn)，可計(jì)算為：

式中，fbandwidth為掃頻光信號(hào)帶寬；fsample為電子ADC采樣速率；T為ELFM信號(hào)周期。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證所提出方案的可行性，以非零色散位移光纖(non-zero dispersion-shifted optical fiber, NZDSF)中的布里淵增益譜作為待測(cè)對(duì)象，對(duì)其幅頻和相頻響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試。圖2為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，可調(diào)諧LD (TeraXion, PS-TNL)輸出的窄線(xiàn)寬直流光通過(guò)光耦合器分為兩路，其中一路作為泵浦光(功率為7.5 dBm)，由光環(huán)形器的1端口輸入，并從2端口輸出，從右到左進(jìn)入一段長(zhǎng)度為3 km的NZ-DSF進(jìn)行傳輸；另一路進(jìn)入DD-MZM (EOspace,AE-DD-0VPP-40-PFA-SFA)，受到單音LO信號(hào)和ELFM信號(hào)的共同調(diào)制，經(jīng)EDFA (Amonics, AEDFA-PA-30)進(jìn)行功率放大，并經(jīng)過(guò)OBPF (Santec,OTF350)濾除短波長(zhǎng)調(diào)制邊帶后，形成線(xiàn)性?huà)哳l信號(hào)光，與泵浦光在NZ-DSF中相向傳輸。其中，單音LO信號(hào)由一臺(tái)微波源(R&S, SMB 100A)產(chǎn)生，頻率和功率分別為10 GHz與10 dBm；ELFM信號(hào)由一臺(tái)自制的線(xiàn)性調(diào)頻源產(chǎn)生，掃頻范圍和功率分別為5～7 GHz和17 dBm，掃頻周期為20 μs。在線(xiàn)性?huà)哳l信號(hào)光與泵浦光對(duì)向傳輸過(guò)程中，位于NZ-DSF光纖布里淵增益譜內(nèi)的信號(hào)光成分得以放大，攜帶NZ-DSF布里淵增益譜的幅頻和相頻特性。隨后，線(xiàn)性?huà)哳l信號(hào)光由環(huán)形器的3端口輸出，進(jìn)入PD (Agilent 11982A)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，其輸出光電流由一個(gè)帶寬2 GHz、采樣率10 GSa/s的實(shí)時(shí)示波器(R&S RTO1024)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖2 測(cè)量NZ-DSF布里淵增益譜的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3為利用光譜儀(YOKOGAWA AQ6370C)測(cè)量得到的OBPF輸出光譜，ELFM調(diào)制信號(hào)的-1階邊帶與-2階邊帶得以保留。其中，ELFM調(diào)制信號(hào)的-2階邊帶與光載波的頻率差在-14～-10 GHz范圍內(nèi)，而NZ-DSF的布里淵頻移量約為-10.6 GHz[16]，因此，ELFM調(diào)制信號(hào)的-2階邊帶作為探測(cè)光獲取了NZ-DSF布里淵增益譜的頻響特性。由于LO信號(hào)頻率為10 GHz，其-1階調(diào)制邊帶與ELFM調(diào)制信號(hào)的-2階邊帶在PD中進(jìn)行拍頻，映射了布里淵增益頻響的信號(hào)成分下變頻到0.6 GHz附近，可由實(shí)時(shí)示波器實(shí)現(xiàn)數(shù)字采集。

圖3 OBPF輸出光譜

圖4a和4c分別給出了泵浦光接通與斷開(kāi)時(shí)，實(shí)時(shí)示波器采集到的線(xiàn)性調(diào)頻光電流信號(hào)。通過(guò)對(duì)比可以看到，圖4a中的光電流信號(hào)在3 μs附近通過(guò)布里淵增益被明顯放大。此外，圖4b和4d分別給出了圖4a和4c中光電流信號(hào)的時(shí)頻分析結(jié)果，掃頻線(xiàn)性度為0.076%?？梢钥闯?，線(xiàn)性調(diào)頻光電流信號(hào)具有良好的線(xiàn)性度，保證了測(cè)量結(jié)果具有良好的時(shí)頻線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 實(shí)時(shí)示波器采集到的光電流

利用圖4a和4c中采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)式(9)計(jì)算得到NZ-DSF布里淵增益譜的幅頻和相頻響應(yīng)，如圖5中藍(lán)色線(xiàn)條所示。作為對(duì)比，利用文獻(xiàn)[10]中基于單邊帶調(diào)制的光學(xué)矢量分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)中所用的NZ-DSF布里淵增益譜進(jìn)行了測(cè)試(泵浦光功率仍然為7.5 dBm)，測(cè)試結(jié)果如圖5中橙色線(xiàn)條所示。紅色線(xiàn)條由本方案測(cè)量得到，藍(lán)色線(xiàn)條由基于單邊帶調(diào)制的光學(xué)矢量分析方法測(cè)量得到。從圖5中可以看到，兩種方法測(cè)試結(jié)果吻合較好，NZDSF有3個(gè)布里淵增益峰，其中最高增益峰的帶寬約為20 MHz，這與之前報(bào)道的結(jié)果一致[16]，證明了本文所提出方案的可行性。

圖5 測(cè)量得到的NZ-DSF布里淵增益譜

需要指出的是，實(shí)驗(yàn)中單次測(cè)量時(shí)間僅為20 μs，器件的頻譜響應(yīng)通過(guò)離線(xiàn)數(shù)據(jù)處理獲得，實(shí)際應(yīng)用中配合FPGA可實(shí)時(shí)獲得器件的頻譜響應(yīng)。此外，由于ELFM信號(hào)具有優(yōu)異的線(xiàn)性時(shí)頻關(guān)系，頻率分辨率由式(10)決定，在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量分辨率可達(dá)4 GHz/(10 GS/s×20 μs)=20 kHz。與基于逐點(diǎn)掃描的方案相比，本方案的信噪比略低，并且實(shí)時(shí)信號(hào)處理增加了成本，但是本方案可極大地提升測(cè)量效率，最重要的是，極短的測(cè)量時(shí)間避免了測(cè)量結(jié)果受到環(huán)境變化和機(jī)械振動(dòng)的影響。

3 結(jié) 束 語(yǔ)

本文提出了一種基于微波光子掃頻的超快、高精細(xì)光學(xué)矢量分析技術(shù)方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該方案利用單個(gè)DD-MZM，通過(guò)線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生寬帶光學(xué)線(xiàn)性?huà)哳l信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)待測(cè)器件頻響特性的快速掃描，并通過(guò)外加單音本振微波信號(hào)進(jìn)行下變頻，實(shí)現(xiàn)低頻數(shù)字化探測(cè)，最終在數(shù)字域內(nèi)利用希爾伯特變換獲得待測(cè)器件的幅頻和相頻響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中，以一段長(zhǎng)度3 km的非零色散位移光纖布里淵增益譜作為測(cè)試對(duì)象，對(duì)其幅頻和相頻響應(yīng)進(jìn)行了準(zhǔn)確測(cè)量，頻率分辨率達(dá)到20 kHz，測(cè)量時(shí)間僅需20 μs。本文所提出的光學(xué)矢量分析技術(shù)方案可實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波器頻響特性的超快速、高精細(xì)表征，可應(yīng)用于片上光信號(hào)處理、超靈敏光學(xué)傳感等領(lǐng)域。