基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量方法及装置

1.本发明涉及光电器件测量和微波光子学技术领域，具体为基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量方法及装置。


背景技术：

2.随着通信技术向传输速率更高的5g/6g发展，在硬件层面，为突破单通道非相干接收方式传输速率难以进一步提高的瓶颈，进行双通道相干接收已是高速光通信技术的发展趋势。在过去的十年中，数字相干技术已经彻底改变了光通信行业。与强度调制和直接探测相比，相干技术具有更高的带宽、更高的频谱效率和更好的灵敏度，是数据中心内链路的一个有前途的解决方案。
3.能够解调高速同相和正交光信号的相干光接收机是光通信、互连、成像和计算的一个重要组成部分。相干光接收机内部集成了90
°
光混频器和高速平衡光电探测器，是能够实现光学同相和正交解调的光电器件。利用iq解调的优势，实现了长距离的高速光通信，其传输容量能够达到1tb/s。此外，在新兴应用中，如微波光子链路和分布式散射传感系统，其性能也得到了提高。
4.然而，在经长距离光信号传输后，相干光接收器件各通道间往往产生时延差，导致信息的解调不完整。在实际使用中，接收端往往需增加时延补偿单元，但这依赖于对正交通道间时延差的精确掌握。因此，为了最大限度地提高相干光接收器件的性能，在开发、制造和应用过程中，对相干光接收器件正交通道间的相位和时延差的高性能测量是必不可少的。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量方法，包括以下步骤：
7.步骤1、将一光载波信号通过光分束器分为上、下两路；
8.步骤2、上路用作信号路，幅度调制模块将输入微波扫频信号调制到光载波信号上，输出光幅度调制信号；
9.步骤3、下路用作本振路，移频调制模块将输入固定频率的微波信号调制到光载波信号上，并经由放大和滤波，输出固定移频的光载波信号；
10.步骤4、将光幅度调制信号和固定移频的光载波信号分别输入相干光接收器件的两个相干输入端。接收相干光接收器件输出的光电流，并提取其中的相位、频率信息。
11.步骤5、通过演算得到待测相干光接收器件正交通道间的相位和时延差。
12.优选的，所述固定移频的光载波信号，可通过将一固定频率的微波信号加载至电
光调制器，再经放大和滤波的方式实现，也可通过将一固定频率的微波信号加载至声光调制器的方式实现。
13.基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量装置，包括光源模块、光分束器、幅度调制模块、移频调制模块和射频产生与相频接收模块；
14.所述光源模块，用于产生光载波信号；
15.所述光分束器，用于将光载波信号分为上、下两路；
16.所述幅度调制模块，用于将输入微波扫频信号调制到光载波信号上，输出光幅度调制信号；
17.所述移频调制模块，用于将输入固定频率的微波信号调制到光载波信号上，并经由放大和滤波，输出固定移频的光载波信号；
18.所述射频产生与相频接收模块，用于产生上路调制所需的微波扫频信号、以及下路移频所需的固定频率的微波信号，并接收待测相干光接收器件输出的光电流，提取其中的相位、频率信息。
19.所述幅度调制模块可为电光调制器。
20.优选的，所述移频调制模块，可通过将一固定频率的微波信号调制至电光调制器，再经放大和滤波的方式实现，也可通过将一固定频率的微波信号调制至声光调制器的方式实现。
21.优选的，所述电光调制器可为工作在最小传输点的马赫-曾德尔调制器。
22.优选的，所述射频产生与相频接收模块可为矢量网络分析仪。
23.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
24.得益于微波扫频的高精细(～几hz甚至亚hz)和激光器的超窄线宽(～hz)、电子相频接收的低误差、大动态范围，该方案解决了传统相干光接收器件相频响应测量技术扫描不够精细、动态范围小，正交通道间相位和时延差测量精度低等关键问题，可实现器件的片上精确测量。本发明结构简单，利用现有货架产品即可搭建，实现成本较低。
附图说明
25.图1为本发明基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量装置的结构示意图；
26.图2为本发明测量装置的一个具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.请参阅图1-2
29.实施例一
30.本实施例为基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量方法的具体实施方式
31.基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量方法，包括以下步骤：
32.步骤1、将一光载波信号通过光分束器分为上、下两路；
33.步骤2、上路用作信号路，幅度调制模块将输入微波扫频信号调制到光载波信号上，输出光幅度调制信号；
34.步骤3、下路用作本振路，移频调制模块将输入固定频率的微波信号调制到光载波信号上，并经由放大和滤波，输出固定移频的光载波信号；
35.步骤4、将光幅度调制信号和固定移频的光载波信号分别输入相干光接收器件的两个相干输入端。接收相干光接收器件输出的光电流，并提取其中的相位、频率信息。
36.步骤5、通过演算得到待测相干光接收器件正交通道间的相位和时延差。
37.具体的，所述固定移频的光载波信号，可通过将一固定频率的微波信号加载至电光调制器，再经放大和滤波的方式实现，也可通过将一固定频率的微波信号加载至声光调制器的方式实现。
38.实施例二
39.本实施例为基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量装置的具体实施方式
40.基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量装置，包括光源模块、光分束器、幅度调制模块、移频调制模块和射频产生与相频接收模块；
41.所述光源模块，用于产生光载波信号；
42.所述光分束器，用于将光载波信号分为上、下两路；
43.所述幅度调制模块，用于将输入微波扫频信号调制到光载波信号上，输出光幅度调制信号；
44.所述移频调制模块，用于将输入固定频率的微波信号调制到光载波信号上，并经由放大和滤波，输出固定移频的光载波信号；
45.所述射频产生与相频接收模块，用于产生上路调制所需的微波扫频信号、以及下路移频所需的固定频率的微波信号，并接收待测相干光接收器件输出的光电流，提取其中的相位、频率信息。
46.具体的，所述移频调制模块，可通过将一固定频率的微波信号调制至电光调制器，再经放大和滤波的方式实现，也可通过将一固定频率的微波信号调制至声光调制器的方式实现。
47.具体的，所述电光调制器可为工作在最小传输点的马赫-曾德尔调制器。
48.具体的，所述射频产生与相频接收模块可为矢量网络分析仪。
49.实施例三
50.本实施例为基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量方法及装置的运作实例的具体实施方案
51.基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量方法及装置的运作实例如下：
52.图1显示了本发明相干光接收器件正交通道间相位和时延差测量装置的一个具体实施例。如图2所示，该具体实施例的测量装置包括：可调谐激光器、马赫-曾德尔调制器、光放大器、光滤波器、待测相干光接收机、矢量网络分析仪。
53.可调谐激光器产生一个频率为fc的单音直流光信号，作为原始光载波信号，经光分束器后被分成两路。
54.在上支路中，频率为fe的微波扫频信号通过马赫-曾德尔调制器调制至光载波信号上，输出幅度调制信号，其表达式为
[0055][0056]
为了消除电光调制非线性引入的测量误差，适当设置微波激励信号的功率，使马赫-曾德尔调制器工作在小信号调制状态。此时，可以忽略调制信号中的高阶边带，只考虑两个一阶边带。因而，式(1)可以简化为
[0057][0058]
其中，e
si
表示上支路光载波的幅度，j
±1(
·
)和β(f)分别表示
±
1阶第一类贝塞尔函数和不同频率下马赫-曾德尔调制器的调制系数。
[0059]
下路中的光载波信号同样输至工作在最小传输点的马赫-曾德尔调制器中，受到微波源2输出的频率为δf的固定频率微波信号调制，其中δf》fe，生成载波抑制的光双边带信号，经掺铒光纤放大器放大之后，被输至光带通滤波器中滤出一个边带作为移频光载波信号，其表达式为
[0060][0061]
其中，e
lo
表示下支路光载波的幅度，δf表示上下两个支路的相位差。
[0062]
将上下两个支路生成的载波抑制的光双边带信号和移频光载波信号分别输入待测相干光接收机的两个光输入口，分别为si输入口和lo输入口。在x偏振态下，根据相干光接收机的工作原理，其内部的90
°
光混频器将产生四路光信号，可分别写为
[0063][0064][0065]
[0066][0067]
其中，和是由90
°
光混频器在不同频率处引入的相位偏移，理想情况下分别为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
。τ
xi+
，τ
xq+
，τ
xi
–
，τ
xq
–
是由不匹配的波导长度引起的偏移量。
[0068]
经过90
°
光混频器之后，由四个光电探测器进行平方律检波，输出的光电流也相应地携带了待测相干光接收机的响应信息。通过接收并检测四个通道的上变频和下变频分量，从而获得不同频率下的幅度和相位响应，可以分别表示为
[0069][0070][0071][0072][0073]
其中，
[0074][0075]rxi+
(f)、r
xq+
(f)、r
xi
–
(f)和r
xq
–
(f)分别是四个通道中光电探测器的光电传输函数。
[0076]
通过同步接收两个正交通道产生的光电流信号，并提取其中的上、下变频分量的信息，消除正交通道间的相位抖动，便可实现对相干光接收机正交通道间相位和时延差的高精度测量，它们是
[0077]
[0078][0079]
其中，f＝δf+fe表示上变频检测的频率，f＝δf-fe表示下变频检测的频率。
[0080]
其中双通道间相位差为
[0081][0082][0083]
将矢量网络分析仪的微波扫频信号从低频10mhz扫频至器件典型带宽数量级的数十ghz，通过描点绘图可以得到相干光接收机正交通道间相位差
[0084]
与频率f的关系曲线。
[0085]
由于和是由90
°
光混频器在不同频率处引入的相位偏移，理想情况下分别为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
。
[0086]
由此可得时双通道间时延差为
[0087][0088][0089]
得益于微波扫频的高精细(～几hz甚至亚hz)和激光器的超窄线宽(～hz)、电子相频接收的低误差、大动态范围，该方案解决了传统相干光接收器件相频响应测量技术扫描不够精细、动态范围小，正交通道间相位和时延差测量精度低等关键问题，可实现器件的片上精确测量。本发明结构简单，利用现有货架产品即可搭建，实现成本较低。
[0090]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0091]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、将一光载波信号通过光分束器分为上、下两路；步骤2、上路用作信号路，幅度调制模块将输入微波扫频信号调制到光载波信号上，输出光幅度调制信号；步骤3、下路用作本振路，移频调制模块将输入固定频率的微波信号调制到光载波信号上，并经由放大和滤波，输出固定移频的光载波信号；步骤4、将光幅度调制信号和固定移频的光载波信号分别输入相干光接收器件的两个相干输入端。接收相干光接收器件输出的光电流，并提取其中的相频信息。步骤5、通过演算得到待测相干光接收器件正交通道间的相位和时延差。2.根据权利要求1所述的基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量方法，其特征在于：所述固定移频的光载波信号，可通过将一固定频率的微波信号加载至电光调制器，再经放大和滤波的方式实现，也可通过将一固定频率的微波信号加载至声光调制器的方式实现。3.基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量装置，其特征在于：包括光源模块、光分束器、幅度调制模块、移频调制模块和射频产生与相频接收模块；所述光源模块，用于产生光载波信号；所述光分束器，用于将光载波信号分为上、下两路；所述幅度调制模块，用于将输入微波扫频信号调制到光载波信号上，输出光幅度调制信号；所述移频调制模块，用于将输入固定频率的微波信号调制到光载波信号上，并经由放大和滤波，输出固定移频的光载波信号；所述射频产生与相频接收模块，用于产生上路调制所需的微波扫频信号以及下路移频所需的固定频率的微波信号，并接收待测相干光接收器件输出的光电流、同时提取其中的相位、频率信息。4.根据权利要求3所述的基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量装置，其特征在于：所述幅度调制模块可为电光调制器。5.根据权利要求3所述的基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量装置，其特征在于：所述移频调制模块，可通过将一固定频率的微波信号调制至电光调制器，再经放大和滤波的方式实现，也可通过将一固定频率的微波信号调制至声光调制器的方式实现。6.根据权利要求5所述的基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量装置，其特征在于：所述电光调制器可为工作在最小传输点的马赫-曾德尔调制器。7.根据权利要求3所述的基于微波光子相推的相干光接收器件相位和时延差测量装置，其特征在于：所述射频产生与相频接收模块可为矢量网络分析仪。

技术总结
本发明公开了一种相干光接收器件相位和时延差测量方法及装置，包括光源模块、光分束器、幅度调制模块、移频调制模块和射频产生与相频接收模块；光源模块，用于产生光载波信号；光分束器，用于将光载波信号分为上、下两路；幅度调制模块，用于将输入微波扫频信号调制到光载波信号上，输出光幅度调制信号；移频调制模块，用于将输入固定频率的微波信号调制到光载波信号上，并经由放大和滤波，输出固定移频的光载波信号。射频产生与相频接收模块，用于产生上路调制所需的微波扫频信号以及下路移频所需的固定频率的微波信号，并接收待测相干光接收器件输出的光电流、同时提取其中的相频信息。息。息。


技术研发人员：郑哲楷 丁泽勇 蔡宇翔 虞启月 陈柯吉 薛敏 潘时龙
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/28