基于双光频梳的快速矢量测量装置及测量方法制造方法及图纸

基于双光频梳的快速矢量测量装置及测量方法，该测量装置包括激光器、光频梳产生模块、待测试光器件模块、90°光混频器模块和数据处理模块。光频梳产生模块包括信号光频梳产生模块和本振光频梳产生模块，激光器分别与信号光频梳产生模块和本振光频梳产生模块连接，信号光频梳产生模块、待测试光器件模块、90°光混频器模块依次连接，本振光频梳产生模块与90°光混频器模块连接，90°光混频器模块的输出端与数据处理模块电连接。通过同一激光器源在光频梳产生模块分别产生信号光频梳和本振光频梳，然后对信号进行混频、傅里叶变换、归一化等处理，最终获取待测器件的频谱响应。本发明专利技术能抑制镜频信号的干扰，提高信号光频梳频谱利用率和测量精度。

【技术实现步骤摘要】
基于双光频梳的快速矢量测量装置及测量方法
本专利技术涉及气体源测量领域，特别是涉及一种基于双光频梳的快速矢量测量装置及测量方法。
技术介绍
目前，温室气体和污染物排放对全球气候变暖、人类健康和安全构成严重威胁。因此，对微量气体源进行区域探测、定量检测和产生来源分析意义重大。光谱响应精确测量是微量气体源精密定量检测和分析研究的重要手段。高精度光矢量网络分析仪器为大气实时遥感和医学快速诊断以及相关科学问题研究提供有力的测量技术保障。然而，由于待测试微量气体频谱响应快速变化特性，传统的激光器扫描测试法和基于精细微波调制信号扫描的光矢量网络分析仪难以快速测量。现有的频谱响应分析技术，根据频谱响应测试结果的维度分为一维的光标量分析技术和多维的光矢量分析技术两类。激光器扫描式光谱测试技术和傅里叶光谱分析技术属于典型的光标量分析技术，傅里叶光谱分析技术虽然分辨率能达到～30MHz，但其测量时间长和易受外界干扰等缺陷限制了其仅适应于大线宽和频谱稳定性高的待测试器件。光矢量分析技术主要是基于单边带调制的光矢量分析技术，然而该方案仍存在测量带宽小、非线性误差大以及测量时间长等不足之处。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种基于双光频梳的快速矢量测量装置及测量方法，通过本振光频梳和I/Q解调模块对承载幅相信息的信号光频梳进行相干接收，对接收的下变频信号进行数字处理并提取各频点的幅相信息，从而实现频谱响应准实时测量、无需AOM等器件进行光载波移频等，提高了光谱利用效率，能够快速测量待测试光器件的光谱响应。本专利技术的技术方案是：基于双光频梳的快速矢量测量装置，包括激光器、光频梳产生模块、待测试光器件模块、I/Q相干接收模块和数据处理模块。所述光频梳产生模块包括第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一掺铒光纤放大器、第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制器、第四相位调制器和第二掺铒光纤放大器。第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器和第一掺铒光纤放大器构成信号光频梳产生模块；第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制器、第四相位调制器和第二掺铒光纤放大器构成本振光频梳产生模块。第一微波信号源的输出与第一电耦合器的输入端连接，第一电耦合器的两个输出分别与第一电放大器和第二电放大器的输入端连接，第一电放大器的输出端与第一相位调制器的第一输入端连接，第二电放大器的输出端与第一电移相器的输入端连接，第一电移相器的输出端与第二相位调制器的第一输入端连接，第一相位调制器的输出端与第二相位调制器的第二输入端连接，第二相位调制器的输出端与第一掺铒光纤放大器的输入端连接；本振光频梳产生模块与信号光频梳产生模块的结构和连接方式相同。所述I/Q相干接收模块包括90°光混频器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一模/数转换器、第三光电探测器、第四光电探测器、第二模/数转换器。第一光电探测器、第二光电探测器的输出端分别与第一模/数转换器的输入端连接，第三光电探测器、第四光电探测器的输出端分别与第二模/数转换器的输入端连接。所述数据处理模块主要用来对模数转换器采集的时域数据进行傅里叶变换，提取射频梳幅度和相位信息，通过归一化处理获取待测试器件频谱响应。所述激光器的输出端分别与第一相位调制器和第三相位调制器的第二输入端连接，第一掺铒光纤放大器的输出端与待测试光器件模块的输入端连接，待测试光器件模块的输出端与90°光混频器模块的第一输入端连接，第二掺铒光纤放大器的输出端与90°光混频器模块的第二输入端连接，90°光混频器模块的第一～第四输出端分别与第一～第四光电探测器的输入端连接。本专利技术进一步的技术方案是：所述激光器用于产生后续光频梳产生模块调制需要的光载波信号。本专利技术的另一技术方案是：应用于前述基于双光频梳的快速矢量测量装置的测量方法，包括如下步骤，A、启动激光器、第一微波信号源和第二微波信号源，在光频梳产生模块的第一、第二掺铒光纤放大器分别产生信号光频梳和本振光频梳。B、将信号光频梳送入待测试光器件模块，待测试光器件模块的输出送入90°光混频器模块，本振光频梳送入90°光混频器模块。C、将90°光混频器模块的光输出信号送入光电探测器，光电探测器输出两路正交的I/Q光电流信号，并分别通过第一、第二模/数转换器进行时域数据采集。D、通过数据处理器将采集的时域数据的Q路信号进行90°移相后进行傅里叶变换，提取下变频射频梳信号的幅频和相频响应，采用校准步骤进行归一化处理，最终获取待测器件的频谱响应。本专利技术与现有技术相比具有如下特点：1、本专利技术相比普通单臂相干探测，采用I/Q相干探测方式，既能实现信号光频梳的多外差下变频，还能抑制镜频信号的干扰，无需光载波移频处理，提高了信号光频梳的频谱利用率。2、本专利技术通过本振光频梳和I/Q解调模块对承载幅相信息的信号光频梳进行相干接收，对接收的下变频信号进行数字处理并提取各频点的幅相信息，受益于异步光学采样原理，实现光器件频谱响应准实时测试，测量精度得到提高。以下结合附图和具体实施方式对本专利技术的详细结构作进一步描述。附图说明图1为本专利技术的矢量测量装置的原理结构图；图2(a)、(b)分别为HCN分子单一吸收谱线的幅频响应和相频响应；图3(a)为本振光频梳和信号光频梳在经过HCN分子吸收后的光谱图、3(b)为图3(a)对应的频偏在-250MHz～250MHz局部光谱图；图4(a)为测量臂多外差射频信号电谱图、4(b)为测量臂多外差射频信号幅度和相位信息图；图5(a)为参考臂多外差射频信号电谱图、5(b)为参考臂多外差射频信号幅度和相位信息图；图6(a)、(b)分别为测量的HCN分子单一吸收谱线的幅频响应和相频响应具体实施方式实施例，如图1所示，基于双光频梳的快速矢量测量装置，包括激光器1、光频梳产生模块、待测试光器件模块3、I/Q相干接收模块4和数据处理模块5。所述激光器1用于产生后续光频梳产生模块调制需要的光载波信号，激光器1输出光频率和功率分别为193THz和14.2mW。所述光频梳产生模块包括第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一掺铒光纤放大器、第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制器、第四相位调制器和第二掺铒光纤放大器。所述第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器和第一掺铒光纤放大器构成信号光频梳产生模块2-1；第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于双光频梳的快速矢量测量装置，其特征是：包括激光器、光频梳产生模块、待测试光器件模块、I/Q相干接收模块和数据处理模块；/n所述光频梳产生模块包括第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一掺铒光纤放大器、第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制器、第四相位调制器和第二掺铒光纤放大器；/n第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器和第一掺铒光纤放大器构成信号光频梳产生模块；第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制器、第四相位调制器和第二掺铒光纤放大器构成本振光频梳产生模块；/n第一微波信号源的输出与第一电耦合器的输入端连接，第一电耦合器的两个输出分别与第一电放大器和第二电放大器的输入端连接，第一电放大器的输出端与第一相位调制器的第一输入端连接，第二电放大器的输出端与第一电移相器的输入端连接，第一电移相器的输出端与第二相位调制器的第一输入端连接，第一相位调制器的输出端与第二相位调制器的第二输入端连接，第二相位调制器的输出端与第一掺铒光纤放大器的输入端连接；本振光频梳产生模块与信号光频梳产生模块的结构和连接方式相同；/n所述I/Q相干接收模块包括90°光混频器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一模/数转换器、第三光电探测器、第四光电探测器、第二模/数转换器；第一光电探测器、第二光电探测器的输出端分别与第一模/数转换器的输入端连接，第三光电探测器、第四光电探测器的输出端分别与第二模/数转换器的输入端连接；/n所述数据处理模块主要用来对模数转换器采集的时域数据进行傅里叶变换，提取射频梳幅度和相位信息，通过归一化处理获取待测试器件频谱响应；/n所述激光器的输出端分别与第一相位调制器和第三相位调制器的第二输入端连接，第一掺铒光纤放大器的输出端与待测试光器件模块的输入端连接，待测试光器件模块的输出端与90°光混频器模块的第一输入端连接，第二掺铒光纤放大器的输出端与90°光混频器模块的第二输入端连接，90°光混频器模块的第一～第四输出端分别与第一～第四光电探测器的输入端连接。/n...

【技术特征摘要】
1.基于双光频梳的快速矢量测量装置，其特征是：包括激光器、光频梳产生模块、待测试光器件模块、I/Q相干接收模块和数据处理模块；
所述光频梳产生模块包括第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一掺铒光纤放大器、第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制器、第四相位调制器和第二掺铒光纤放大器；
第一微波信号源、第一电耦合器、第一电放大器、第二电放大器、第一电移相器、第一相位调制器、第二相位调制器和第一掺铒光纤放大器构成信号光频梳产生模块；第二微波信号源、第二电耦合器、第三电放大器、第四电放大器、第二电移相器、第三相位调制器、第四相位调制器和第二掺铒光纤放大器构成本振光频梳产生模块；
第一微波信号源的输出与第一电耦合器的输入端连接，第一电耦合器的两个输出分别与第一电放大器和第二电放大器的输入端连接，第一电放大器的输出端与第一相位调制器的第一输入端连接，第二电放大器的输出端与第一电移相器的输入端连接，第一电移相器的输出端与第二相位调制器的第一输入端连接，第一相位调制器的输出端与第二相位调制器的第二输入端连接，第二相位调制器的输出端与第一掺铒光纤放大器的输入端连接；本振光频梳产生模块与信号光频梳产生模块的结构和连接方式相同；
所述I/Q相干接收模块包括90°光混频器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一模/数转换器、第三光电探测器、第四光电探测器、第二模/数转换器；第一光电探测器、第二光电探测器的输出端分别与第一模/数转换器的输入端连接，第三光电探测器...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈增辉，韩微微，徐坤，
申请(专利权)人：南华大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43