一种基于相干接收的光器件时延测量方法及装置

1.本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种基于相干接收的光器件时延测量方法及装置。


背景技术：

2.随着光学器件以大带宽、低损耗、抗电磁干扰、易集成等优势在信息系统中的快速应用，高精度光时延测量技术成为5/6g无线通信网络、光控相控阵和分布式雷达网络等高性能信息系统研发、生产和应用的关键技术之一。然而在许多实际的应用场合，光链路中会存在衰减较大的情况，影响时延测量精度，限制了高精度光时延测量的实现。例如，光相控阵芯片对相控阵单元的每个通道都需要精准控制相移(即时延)，但是其插入损耗普遍大于20db，这对时延测量系统的灵敏度提出了较高的要求。
3.目前光器件时延测量方法主要有脉冲法、频率扫描干涉法、相推法三种。脉冲法测量精度受限于脉冲宽度，一般在纳秒量级。一方面，该技术无法满足高精度的时延测量需求，另一方面，对于测量插入损耗较大的光器件而言，需要提高脉冲的峰值功率，但这易激发光链路中的非线性效应，影响光时延测量精度和光学信息系统的正常性能。频率扫描干涉法通过扫描较大的频率范围结合干涉结构实现高精度的时延测量，虽然该系统能够达到较高的测量灵敏度，但是其本质是通过频域带宽换取高测量精度，无法测量窄带光器件(如5g超密集波分复用系统中，相邻信道间隔可能小于6.25ghz)，应用场景受限。相推法利用传输时相位变化解算光纤时延，可以在数ghz的窄带测量范围内实现亚皮秒量级的测量精度，但是该方案的探测信号经过待测光器件后直接拍频得到光电流到电域进行处理，接收机的接收功率和信号光强成正比，在测量插入损耗较大的光器件时信噪比恶化严重，系统灵敏度会受到严重影响。如果使用掺铒光纤对信号光进行放大又会引入额外的自发辐射噪声，影响测量精度，因而该方案无法在提高系统灵敏度的同时保证测量精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种基于相干接收的光器件时延测量方法及装置，以大幅度提升现有光器件时延测量系统的灵敏度，从而实现对插入损耗较大的光链路时延的高精度测量。
5.一方面，本发明提供一种基于相干接收的光器件时延测量方法，所述方法包括：
6.将单波长光源输出的光信号分为探测路信号和本振路信号，其中，所述探测路信号经由电光调制模块调制后，送入待测光器件，所述本振路信号通过移频模块进行移频处理；
7.将所述待测光器件输出的第一光信号与移频处理后的第二光信号合束后进行光电转换，生成携带时延信息和光相位噪声的光电流；
8.从所述光电流中提取指定频率分量的相位信息，并消除所述相位信息中的共模相位噪声，以确定所述待测光器件的时延；其中，所述指定频率分量由所述电光调制模块的调
制信号的频率和所述移频模块的移频量生成。
9.进一步地，从所述光电流中提取的相位信息表示为：
[0010][0011][0012]
其中，ωm为所述电光调制模块的调制信号的频率，ωc为所述单波长光源输出的光信号的中心波长，τ为所述待测光器件的时延，为激光器的相位噪声，ω为所述移频模块的移频量，和分别是从所述光电流中提取出的所述指定频率分量(ωm+ω)和(ω
m-ω)的相位信息。
[0013]
进一步地，所述方法利用移频相干的方式提升测量系统的信噪比。
[0014]
进一步地，所述方法能够实现共模相位噪声的抑制。
[0015]
进一步地，所述待测光器件的时延τ利用下式表示：
[0016][0017]
其中，和分别是从所述光电流中提取出的所述指定频率分量(ωm+ω)和(ω
m-ω)的相位信息，ωm为所述电光调制模块的调制信号的频率，ω为所述移频模块的移频量。
[0018]
另一方面，本发明提供一种基于相干接收的光器件时延测量装置，所述装置包括：
[0019]
光源模块，用于输出单波长光信号；
[0020]
光分束器，用于将所述单波长光信号分为探测路信号和本振路信号；
[0021]
移频模块，用于对所述本振路信号以固定移频量进行移频处理；
[0022]
扫频微波源，用于输出一系列频率可调的微波信号，用以实现整周模糊解算；
[0023]
电光调制模块，用于通过所述微波信号对所述探测路信号进行调制；
[0024]
待测光器件，用于接收经过所述电光调制模块调制后的信号；
[0025]
光合束器，用于对所述待测光器件输出的第一光信号与移频处理后的第二光信号进行合束处理；
[0026]
光探测模块，用于对所述第一光信号和所述第二光信号进行拍频处理，生成携带时延信息和光相位噪声的光电流；
[0027]
相位测量单元，用于测量所述光电流中指定频率分量的相位信息；其中，所述指定频率分量由所述电光调制模块的调制信号的频率和所述移频模块的移频量生成；
[0028]
解算单元，用于消除所述相位信息中的共模相位噪声，以确定所述待测光器件的时延。
[0029]
进一步地，所述相位测量单元测量的所述相位信息表示为：
[0030][0031][0032]
其中，ωm为所述电光调制模块的调制信号的频率，ωc为所述单波长光源输出的光信号的中心波长，τ为所述待测光器件的时延，为激光器的相位噪声，ω为所述移频模
块的移频量，和分别是从所述光电流中提取出的所述指定频率分量(ωm+ω)和(ω
m-ω)的相位信息。
[0033]
进一步地，所述装置利用移频相干的方式提升测量系统的信噪比。
[0034]
进一步地，所述装置能够实现共模相位噪声的抑制。
[0035]
进一步地，所述待测光器件的时延τ利用下式表示：
[0036][0037]
其中，和分别是从所述光电流中提取出的所述指定频率分量(ωm+ω)和(ω
m-ω)的相位信息，ωm为所述电光调制模块的调制信号的频率，ω为所述移频模块的移频量。
[0038]
本发明采用以上技术与现有技术相比，具有以下增益：本发明采用相干接收技术，由于光接收输入端等效接收光功率为信号光功率与本振光功率乘积的平方根，因此在采用较大功率的本振光时，系统可以获得10～25db的本振增益，提高接收机灵敏度，从而提高光时延测量精度；此外，本发明通过正负边带消除了光相位噪声的影响，提高了相干接收体制下的测量精度。
附图说明
[0039]
图1为本发明实施方式中的基于相干接收的光器件时延测量方法的流程图；
[0040]
图2为本发明实施方式中的基于相干接收的光器件时延测量装置的结构原理示意图。
具体实施方式
[0041]
为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施方式及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本技术中的实施方式，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方式，都属于本技术保护的范围。
[0042]
针对目前现有时延测量方案无法实现高精度测量大插入损耗器件的缺陷，本发明的解决思路是采用相干接收的测量方案，通过提供本振路光信号放大拍频得到的光电流，从而提高接收机的灵敏度，使系统获得10～25db的本振增益。为了避免本振光和信号光的相对相位噪声，通过信号路光
±
1阶边带相位对消消除光信号的相位噪声，保证测量精度。
[0043]
请参阅图1，本技术提供一种基于相干接收的光时延测量方法，所述方法包括：
[0044]
s1：将单波长光源输出的光信号分为探测路信号和本振路信号，其中，所述探测路信号经由电光调制模块调制后，送入待测光器件，所述本振路信号通过移频模块进行移频处理。
[0045]
s2：将所述待测光器件输出的第一光信号与移频处理后的第二光信号合束后进行光电转换，生成携带时延信息和光相位噪声的光电流。
[0046]
s3：从所述光电流中提取指定频率分量的相位信息，并消除所述相位信息中的共模相位噪声，以确定所述待测光器件的时延；其中，所述指定频率分量由所述电光调制模块
delay,”ieee transactions on instrumentation and measurement,vol.70,8000204,2021.)，通过调谐微波扫频源，设置不同的微波频率，从而解算得到真实时延值。
[0066]
通过上述的方法和装置，可以利用移频相干的方式提升测量系统的信噪比，并且能够实现共模相位噪声的抑制。
[0067]
本发明采用以上技术与现有技术相比，具有以下增益：本发明采用相干接收技术，由于光接收输入端等效接收光功率为信号光功率与本振光功率乘积的平方根，因此在采用较大功率的本振光时，系统可以获得10～25db的本振增益，提高接收机灵敏度，从而提高光时延测量精度；此外，本发明通过正负边带消除了光相位噪声的影响，提高了相干接收体制下的测量精度。