基于微波光子掃頻的超快光學矢量分析研究

袁 飛，張耀文，張旨遙，張尚劍，劉 永

(電子科技大學光電科學與工程學院 成都 610054)

近年來，光學濾波器被用于實現光信號的多維度(包括幅度、相位等)、高精細操控，例如：納米顆粒檢測[1]、片上光信號處理[2]、高靈敏度光學傳感[3]、微波光子學[4]等，因此亟需能夠對光學濾波器多維光譜響應特性進行精細表征的光學矢量分析技術。

光干涉法[5-6]和調制相移法[7-8]是兩種最常用的光學矢量分析方法，均借助于激光器的波長掃描來實現光學濾波器頻響的測量。然而，由于可調諧激光器的波長穩定性和可重復性較差，這兩種方法的頻率分辨率只能達到百兆赫茲量級，無法實現高Q值光學濾波器頻響的精細測量[9]。

為了提高頻率分辨率，文獻[10-15]提出了基于微波光子技術的光學矢量分析方案。通過電光調制，將光域內的波長掃描轉至電域內進行，借助于高精細的電譜掃描和分析技術，已實現頻率分辨率334 Hz的幅頻和相頻響應測量[15]。然而，目前已見報道的基于微波光子技術的光學矢量分析在測量頻響時采用逐個頻率點掃描的方式，高的頻率分辨率意味著要掃描更多的頻率點，大大增加了測量所需的時間(一般所需時間為數秒以上)。

本文提出了一種基于微波光子掃頻的超快、高精細光學矢量分析技術方案，并對其進行了實驗。實驗中，以一段非零色散位移光纖的布里淵增益譜作為測試對象，對其幅頻和相頻響應進行測量，頻率分辨率達到20 kHz，測量時間僅需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、高精細光學矢量分析技術方案示意圖。其工作原理簡述如下：可調諧激光二極管(laser diode, LD)輸出直流光，進入偏置于最小透射點的雙臂驅動馬赫-曾德爾電光調制器(dual-arm-driven Mach-Zehnder electro-optic intensity modulator, DD-MZM)；DDMZM的一個射頻口輸入高功率電學線性調頻(electrical linear frequency modulated, ELFM)信號，產生各階調制邊帶，利用光學帶通濾波器(optical bandpass filter, OBPF)濾出高階邊帶作為寬帶光學線性掃頻信號，用于實現待測器件(device under test, DUT)頻響特性的快速掃描；DD-MZM的另一個射頻口輸入單音本振(local oscillator, LO)微波信號，用于在光電探測時實現光學線性掃頻信號的下變頻；ELFM信號和LO信號通過10 M的同步信號進行同步；下變頻后的掃頻信號映射了DUT的頻響特性，由電子模數轉換器(analog-to-digital converter, ADC)實現數字化，在數字域內經過系統頻響校準后，恢復出DUT的幅頻和相頻響應。

圖1 光學矢量分析技術方案示意圖

可調諧LD輸出窄線寬直流光，其光場為：

式中，Ec和 ωc分別為直流光的振幅與角頻率。DDMZM的兩個射頻口分別輸入ELFM信號和單音LO信號，調制后的光場可表示為：

式中，m1和m2分別為LO信號和ELFM信號的調制系數；ωLO為 LO信號的角頻率；ω0和 γ 分別為ELFM信號的初始角頻率與啁啾率；φ為直流偏置引入的相移。將DD-MZM的直流偏置設置在最小透射點，即 φ =π，實現光載波抑制。ELFM的調制系數m2足夠大，實現諧波掃描，擴展測量帶寬。LO為小信號，可忽略高階調制邊帶。與此同時，設置OBPF的中心波長與帶寬，只保留光載波一側的調制邊帶。因此，OBPF的輸出光場為：

式中，ELO(t) 和EELFM(t)分別為OBPF通帶內的LO和ELFM調制信號；N為OBPF通帶內ELFM調制信號的諧波數；ALO和AELFM,n分別為LO和ELFM調制信號的振幅。

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

式中，A(ω)和 θ(ω)分別表示DUT的幅頻與相頻響應； ωn(t)為第n階ELFM調制諧波的瞬時頻率。當DUT的頻響由第p階ELFM調制諧波掃描得到時，通過設置單音LO信號的頻率，則第p階ELFM調制諧波可與LO調制信號在光電探測器(photodetector, PD)內拍頻產生相對低頻的線性調頻光電流信號為：

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

需要說明的是，上述分析獲得的頻響特性包含了測量系統其余組件的頻響信息，需要對測試結果進行校準。在校準過程中，將OBPF的輸出端直接與PD相連，可獲得校準光電流信號為：

根據式(7)和式(8)，通過式(9)可獲得DUT的頻率響應：

式中， H ilbert[·]代表希爾伯特變換。對于線性掃頻光，頻率分辨率為掃頻光信號的帶寬除以總采樣點，可計算為：

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

2 實驗結果及分析

為了驗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對象，對其幅頻和相頻響應進行了測試。圖2為實驗系統結構框圖，可調諧LD (TeraXion, PS-TNL)輸出的窄線寬直流光通過光耦合器分為兩路，其中一路作為泵浦光(功率為7.5 dBm)，由光環形器的1端口輸入，并從2端口輸出，從右到左進入一段長度為3 km的NZ-DSF進行傳輸；另一路進入DD-MZM (EOspace,AE-DD-0VPP-40-PFA-SFA)，受到單音LO信號和ELFM信號的共同調制，經EDFA (Amonics, AEDFA-PA-30)進行功率放大，并經過OBPF (Santec,OTF350)濾除短波長調制邊帶后，形成線性掃頻信號光，與泵浦光在NZ-DSF中相向傳輸。其中，單音LO信號由一臺微波源(R&S, SMB 100A)產生，頻率和功率分別為10 GHz與10 dBm；ELFM信號由一臺自制的線性調頻源產生，掃頻范圍和功率分別為5～7 GHz和17 dBm，掃頻周期為20 μs。在線性掃頻信號光與泵浦光對向傳輸過程中，位于NZ-DSF光纖布里淵增益譜內的信號光成分得以放大，攜帶NZ-DSF布里淵增益譜的幅頻和相頻特性。隨后，線性掃頻信號光由環形器的3端口輸出，進入PD (Agilent 11982A)實現光電轉換，其輸出光電流由一個帶寬2 GHz、采樣率10 GSa/s的實時示波器(R&S RTO1024)進行數據采集。

圖2 測量NZ-DSF布里淵增益譜的實驗系統結構框圖

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

圖3 OBPF輸出光譜

圖4a和4c分別給出了泵浦光接通與斷開時，實時示波器采集到的線性調頻光電流信號。通過對比可以看到，圖4a中的光電流信號在3 μs附近通過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中光電流信號的時頻分析結果，掃頻線性度為0.076%。可以看出，線性調頻光電流信號具有良好的線性度，保證了測量結果具有良好的時頻線性對應關系。

圖4 實時示波器采集到的光電流

利用圖4a和4c中采集的數據，根據式(9)計算得到NZ-DSF布里淵增益譜的幅頻和相頻響應，如圖5中藍色線條所示。作為對比，利用文獻[10]中基于單邊帶調制的光學矢量分析方法對實驗中所用的NZ-DSF布里淵增益譜進行了測試(泵浦光功率仍然為7.5 dBm)，測試結果如圖5中橙色線條所示。紅色線條由本方案測量得到，藍色線條由基于單邊帶調制的光學矢量分析方法測量得到。從圖5中可以看到，兩種方法測試結果吻合較好，NZDSF有3個布里淵增益峰，其中最高增益峰的帶寬約為20 MHz，這與之前報道的結果一致[16]，證明了本文所提出方案的可行性。

圖5 測量得到的NZ-DSF布里淵增益譜

需要指出的是，實驗中單次測量時間僅為20 μs，器件的頻譜響應通過離線數據處理獲得，實際應用中配合FPGA可實時獲得器件的頻譜響應。此外，由于ELFM信號具有優異的線性時頻關系，頻率分辨率由式(10)決定，在實驗中，測量分辨率可達4 GHz/(10 GS/s×20 μs)=20 kHz。與基于逐點掃描的方案相比，本方案的信噪比略低，并且實時信號處理增加了成本，但是本方案可極大地提升測量效率，最重要的是，極短的測量時間避免了測量結果受到環境變化和機械振動的影響。

3 結 束 語

本文提出了一種基于微波光子掃頻的超快、高精細光學矢量分析技術方案，并進行了實驗驗證。該方案利用單個DD-MZM，通過線性調頻信號驅動產生寬帶光學線性掃頻信號，用于實現待測器件頻響特性的快速掃描，并通過外加單音本振微波信號進行下變頻，實現低頻數字化探測，最終在數字域內利用希爾伯特變換獲得待測器件的幅頻和相頻響應。實驗中，以一段長度3 km的非零色散位移光纖布里淵增益譜作為測試對象，對其幅頻和相頻響應進行了準確測量，頻率分辨率達到20 kHz，測量時間僅需20 μs。本文所提出的光學矢量分析技術方案可實現光學濾波器頻響特性的超快速、高精細表征，可應用于片上光信號處理、超靈敏光學傳感等領域。