Оптические векторные анализаторы на основе несимметричной двухполосной модуляции

Развитие оптических технологий приводит к использованию все более узкополосных оптических элементов, таких как микродисковые резонаторы и кольцевые ВБР с фазовым π-сдвигом, спектральные компоненты которых могут иметь полосу пропускания менее 100 МГц. При использовании таких структур остро встает вопрос точного определения их амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик. Обычно эту функцию выполняют оптические векторные анализаторы (ОВА).

Первые оптические векторные анализаторы были реализованы на основе методов фазового сдвига модулированного сигнала [1] и интерферометрии [2]. На практике измерений пользуется популярностью коммерческий вариант ОВА на основе интерферометрического метода – LUNA OVA 5000, в основе работы которого лежит принцип сканирования исследуемой спектральной характеристики одночастотным излучением перестраиваемого лазера. Данный подход позволяет проводить измерения со спектральным разрешением порядка 200 МГц, которое в ряде случаев является недопустимо низким.

Для повышения спектрального разрешения были созданы ОВА на основе оптической однополосной модуляции (ООМ) [3–6], которые теоретически позволяют получать сверхвысокое разрешение порядка единиц герц. В [6] на практике получено разрешение в 78 кГц. Такие устройства имеют широкий частотный диапазон измерений, который ограничен полосой пропускания фотоприемников и предельной рабочей частотой электрооптических модуляторов, которая зависит от материала их изготовления – для ниобата лития это 40 ГГц. Несмотря на перечисленные преимущества, метод обладает рядом недостатков, среди которых ограничение динамического диапазона и ошибки измерений, вызванные наличием боковых полос высших порядков, а также ограниченный потенциально возможный частотный диапазон измерений, т. к. они проводятся по одну сторону от несущей.

Для решения перечисленных проблем были созданы анализаторы на основе оптической двухполосной модуляции (ОДМ) [7–13], преимуществами которых является удвоенны й частотный диапа-

LM^^e © Папазян С.Г. и др., 2019

а )

б )

Рис. 1. Спектры сканирующих сигналов ОВА: а ) с асимметрией по амплитуде; б ) со смещенной несущей ( ω ₀ – несущая частота, Ω – частота модуляции, Δω – фиксированный частотный сдвиг)

зон измерений (80 ГГц), в ряде случаев отсутствие ошибок измерений, вызванных наличием боковых полос высших порядков, что снимает ограничения на величину индекса модуляции, а, следовательно, и на динамический диапазон измерений.

Анализаторы на основе ОДМ бывают двух видов – с асимметрией по амплитуде и со смещенной несущей. На рис. 1 приведены спектры соответствующих сканирующих сигналов.

В анализаторах на основе ОДМ несущая располагается в центре исследуемого спектра и сканирование проводится по обеим сторонам от нее. Для ОВА с асимметрией по амплитуде легко получить сканирующий сигнал, но нужно проводить по два измерения на каждой частоте модуляции. Для ОВА со смещенной несущей получить сканирующий сигнал затруднительно, но зато измерения проводятся однократно и гарантированно отсутствуют ошибки измерений, вызванные наличием боковых полос высшего порядка. Таким образом оба подхода, имея каждый свои преимущества и недостатки, в равной степени получили развитие, которое продолжается и по сей день.

Так, в Научно-исследовательском институте прикладной электродинамики, фотоники и живых систем, (НИИ ПРЭФЖС), КНИТУ-КАИ за последние полтора года было разработано две схемы оптических векторных анализаторов на основе оптической двухполосной модуляции. Первая схема – со смещенной несущей [14–16], а вторая – с асимметрией по амплитуде [17–20].

Ключевым элементом первой схемы является волоконная брэгговская решетка с фазовым сдвигом (ВБРФС), которая используется для формирования ОДМ-сигнал со смещенной несущей. Схема предложенного анализатора приведена на рис. 2.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Одночастотное излучение лазерного диода (ЛД) поступает на вход двухпортового параллельного модулятора Маха – Цендера (ДППММЦ), где делится на две части, которые поступают на соответствующе субмодуляторы ММЦ1 и ММЦ2. В верхнем субмодуляторе происходит оптическая двухполосная модуляция с подавленной несущей сканирующим радиосигналом генератора Г2. В нижнем субмодуляторе происходит та же модулируется, только радиосигналом фиксированной частоты генератора Г1. Спектрам на выходе субмодуляторов соответствуют спектры в точках А и Б. На выходе модулятора сигналы нижнего и верхнего плеч складываются (точка В). Результирующий сигнал состоит из двух пар боковых полос: фиксированных по частоте и линейно сканирующих. Далее излучение через циркулятор поступает на ВБР с фазовым сдвигом (ВБРФС). Решетка записана таким образом, что ширина ее спектра отражения примерно равна 80 ГГц, что соответствует максимально возможному диапазону измерений. Центральная частота ее окна прозрачности совпадает с одной из фиксированных по частоте боковых полос. Таким образом три составляющие: две линейно сканирующие и одна фиксированная, отражаются от решетки, а вторая фиксированная – проходит на выход и поглощается в специальном компаунде. Таким образом на втором выходе циркулятора формируется отраженное от решетки излучение, спектр которого соответствует оптической двухполосной модуляции со смещенной несущей (точка Д). Полученное излучение разделяется на два канала – канал с тестируемым оптическим элементом (ТОЭ) и опорный канал, «нагруженные» на фотоприемники ФД1 и ФД2.

ВБРФС

Рис. 2. Схема анализатора на основе ОДМ и ВБРФС: ЛД – лазерный диод; ДППММЦ – двухпортовый параллельный модулятор Маха – Цендера; ММЦ – модулятор Маха – Цендера; Г1 – генератор фиксированной радиочастоты; Г2 – генератор сканирующей радиочастоты; И – изолятор; ОВ – оптическое волокно; ВБРФС – волоконная брэгговская решетка с фазовым сдвигом; ТОЭ – тестируемый оптический элемент; ФД – фотодетектор; ПФ – полосовой фильтр; АФД – амплитудно-фазовый детектор; МК – микроконтроллер [14]

Проходя через тестируемый элемент сканирующий сигнал изменяется в соответствии с АЧХ и ФЧХ элемента. После детектирования в фотоприемнике ФД1 на выходе получаем электрический сигнал, содержащий частоты биений смещенной несущей и соответствующих боковых полос. Этот сигнал переносит информацию об АЧХ и ФЧХ тестируемого элемента. То же самое происходит и в опорном канале на фотоприемнике ФД2. Интересующие спектральные составляющие выделяют с помощью полосового фильтра (ПФ), и используют вместе с сигналом с фотоприемника ФД1 в амплитудно-фазовом детекторе (АФД) для построения АЧХ и ФЧХ тестируемого элемента.

Таким образом, при сканировании частотой генератора Г2 единовременно получают информацию об АЧХ и ФЧХ с обеих сканирующих частот, а значит с обеих сторон от несущей. В данном устройстве биения боковых полос высших порядков не оказывают влияния на точность измерений, т. к. информация извлекается из частот, не равных частоте модуляции.

Вторая схема – анализатор на основе ОДМ с асимметрией по амплитуде, в отличие от существующих аналогов позволяет исследовать асимметричные и сверхузкополосные структуры, такие как резонанс Фано, а также проводить измерения однократно (рис. 3).

Схема работает следующим образом. Излучение лазерного диода (LD) поступает на модулятор (ODSB-SC), работающий в нулевой рабочей точке модуляционной характеристики, выходной сигнал которого (точка А) соответствует двухполосной модуляции с подавленной несущей. Оптический полосовой фильтр (OBPF) пропускает одну из боковых полос входного сигнала, таким образом реализуя на выходе одночастотный сигнал, управляемый генератором RF1 в режиме единиц герц (точка В). Такой сигнал поступает на ООМ-мо-дулятор (OSSB), реализованный по классической схеме с 90-градусным направленным ответвителем (90 ° HC). Выходной ООМ-сигнал сохраняет не до конца подавленную боковую полосу (точка С) и является сигналом с асимметрией по амплитуде. Частота модуляции такого сигнала неизменна на протяжении всего процесса измерений и подбирается так, чтобы боковые полосы были расположены настолько близко к несущей, что коэффициент передачи исследуемой структуры с достаточной степенью точности можно было бы считать одинаковым для всех трех компонент сигнала. Изменяя частоту генератора RF1, изменяют несущую частоту ОДМ-сигнала, осуществляя тем самым линейный перенос спектра ОДМ-сигнала по шкале частот. Так проводят сканирование исследуемой резонансной структуры. Измененный

Рис. 3. LD – лазерный диод; RF1 – генератор сканирую щ ей радиочастоты; ODSB-SC – модулятор О ДМ-сигнала с под а в л е н ной несущей; RF2 - генератор фиксированной радиочастоты; 90 ° HC - 90 ° направленный ответвитель; OBPF - оптический полосовой фильтр; OSSB – ООМ-модулятор; Isolator – изолятор; SMF – одномодовое оптоволокно; RC – опорный канал; ODUT – оптическое тестируемое устройство; PD – фотодетектор; ELPF – фильтр низких частот электрических сигналов; EBPF – полосовой фильтр электрических сигналов; PMD – амплитудно-фазовый детектор; PU – блок обработки данных

Рис. 4. Выполнение критерия попадания сигнала в пределы исследуемого контура: Conventional units – условные единицы; Frequency Offset – частотный сдвиг, ГГц

Рис. 5. Полученные в процессе измерений АЧХ и ФЧХ резонанса Фано: Power – мощность, дБм; Phase – фаза, град.; Frequency Offset – частотный сдвиг, ГГц

в соответствии с АЧХ и ФЧХ структуры сигнал поступает на фотодетектор (PD), преобразующий оптический сигнал в электрический. Спектр такого сигала состоит из постоянной составляющей (D_o), составляющей на частоте модуляции (D q ) и на удвоенной частоте модуляции (D 2 Q ). Эти компоненты выделяются соответствующими частотными фильтрами (ELPF и EBPF) и используются для математической обработки результатов измерений и получения АЧХ и ФЧХ исследуемой резонансной структуры.

Предложенный метод позволил создать критерий попадания сканирующего сигнала в пределы исследуемого контура, что стало основой техники измерений данного устройства, которая заключается в следующем. Критерий позволяет сначала с высокой точностью определить частотный диапазон, в котором располагается исследуемый спектр, а затем со сверхвысоким разрешением просканировать найденную резонансную структуру, и получить ее частотные характеристики. Данный принцип наглядно проиллюстрирован на рис. 4 и 5.

На рис. 4 ровный участок графика соответствует выполнению критерия, т. е. на этом частотном интервале располагается искомая спектральная характеристика. Этот участок исследуется уже со сверхвысоким разрешением, позволяющим получить АЧХ и ФЧХ резонансной структуры (рис. 5).

Для проверки разработанных теоретических положений был собран универсальный макет обеих схем, показанный на рис. 6.

Рис. 6. Универсальный макет схем анализаторов на основе ОДМ со смещенной несущей и с асимметрией по амплитуде

Оборудование, использованное при построении макета: волоконный лазер DFB-1550-14BF с длиной волны излучения 1546,55 нм управляемый драйвером Pilot 4AC; электрооптические модуляторы Маха - Цендера с полуволновым напряжением 3,2 В и полосой пропускания 13 ГГц, изготовленные ПАО «ПНППК»; программируемый оптический полосовой фильтр Finisar WaveShaper 4000S с независимо перестраиваемой центральной длиной волны, полосой пропускания и коэффициентом передачи; электронный векторный анализатор цепей Agilent 5701C; фотодетектор PR-

20-D с полосой пропускания 20 ГГц; персональный компьютер.

Макет показал свою работоспособность, были получены АЧХ и ФЧХ резонанса Фано, реализованного на кольцевой ВБР с фазовым сдвигом (рис. 6).

В заключении следует отметить, что описанные схемы обладают явными преимуществами по сравнению с известными авторам аналогами. Так, схема на основе ВБР с фазовым сдвигом сочетает в себе точность измерений, простоту реализации, надежность и экономичность. Схема на основе ОДМ с асимметрией по амплитуде позволяет проводить однократные измерения, исследовать асимметричные и сверхузкополосные резонансные структуры, а также благодаря созданному критерию попадания сигнала в пределы контура реализует уникальную технику измерений.

Таким образом разработанные схемы улучшили некоторые характеристики оптических векторных анализаторов, однако данная область нуждается в дальнейшем развитии и усовершенствовании.

Государственное задание КНИТУ-КАИ № 8.6872. 2017/8.9.