Радиофотонный векторный анализатор высокого разрешения с низкочастотным расщеплением зондирующего сигнала

Оптические устройства со сверхузкими спектральными особенностями, сверхвысокодобротные фильтры, способные точно манипулировать характеристиками оптических источников, оптической памяти, устройств обработки широкополосных сигналов произвольной формы имеют большое значение во многих новых технологиях и приложениях фотоники. В свою очередь характеризация указанных устройств требует получения их амплитудных и фазовых спектральных характеристик с применением ОВА со сверхвысоким разрешением. Наиболее перспективным подходом к построению ОВА со сверхвысоким разрешением является использование технологий радиофотоники, с помощью которых анализируется их оптический спектральный отклик с применением технологий радиоэлектроники. Используя преимущества высокоразрешающих и развитых технологий радиоэлектроники, раз- решающую способность ОВА можно улучшить в тысячи раз.

Как правило, ОВА, построенные на основе технологий радиофотоники, можно разделить на три типа.

К первому типу относятся ОВА, реализованные на методах оценки оптического канала (ООП), в которых амплитудная и фазовая характеристики оцениваются путем сравнения параметров OFDM-сигналов до и после ТУ [1]. Для них характерна разрешающая способность в сотни кГц при малом динамическом диапазоне, в силу наличия интермодуляционных искажений в электрооптических модуляторах, формирующих зондирующий широкополосный сигнал. Более того, ОВА на основе методов ООП не могут быть использованы для анализа оптических устройств с нелинейными спектральными характеристиками, так как нелинейность значительно искажает спектр OFDM-сигнала.

Другой разновидностью радиофотонных ОВА являются анализаторы со сканированием зондирующей радиочастоты, модулирующей оптическую несущую, в каждой точке которого определяется амплитуда и фаза ТУ.

Формируется ООС или ОДС [2], которые позволяют преобразовать электрическую развертку по частоте в оптическую развертку по длине волны спектра ТУ. Для них характерна разрешающая способность в десятки кГц [3], а теоретически достижимое разрешение может составлять единицы Гц при использовании лазеров с субгерцовой шириной линии излучения [4]. Ключевая проблема, связанная с такими ОВА, заключается в том, что для анализа ТУ требуются сверхширокополосные фотодетекторы и электронные амплитудно-фазовые детекторы (до 40–60 ГГц), что делает комплекс ОВА сверхдорогостоящим. Кроме того, нелинейности электрооптических и оптико-электронных преобразований также приводят к ошибкам измерения и накладывают ограничения на их динамический диапазон.

И, наконец, к третьему типу относятся ОВА с использованием модуляционного радиофотонно-го преобразования частоты несущей в зондирующий сигнал, состоящий из нескольких частотных компонент, с понижением частоты анализа и фиксированным по ней низкочастотным амплитуднофазовым детектированием. Например, в [5] формируются два ООС, которые генерируются двумя радиочастотными сигналами с фиксированным низкочастотным интервалом ∆ω в двух амплитудных модуляторах Маха-Цендера (ММЦ). Поскольку спектральные отклики ТУ переносятся на фиксированную низкую частоту Аю , это позволяет избежать применения широкополосной элементной базы. При этом анализируемая частота отлична от частот, формируемых верхними боковыми полосами (2–3) ∆ω (технология смещенных частот), поэтому результаты измерения невосприимчивы к ошибкам, вызванным их наличием, что является критической проблемой для обычных ОВА с ООС и ОДС. Для них характерна разрешающая способность в единицы кГц, что определяется шириной линии излучения лазера и наличием фазовых шумов оптической и электронной природы в силу формирования анализируемого сигнала по разным оптическим путям, в разных модуляторах и различными генераторами радиочастоты. При этом последние дополнительно ограничивают и динамический диапазон измерений.

В данной статье нами предложен ОВА с высоким разрешением, относящийся к третьему типу, построенный на основе концепции сверхузкополосного пакета дискретных частот, развиваемой нами в течение последних пяти лет [6]. В предлагаемом ОВА используются две частоты сверхузкополосного пакета. Для этого формируются либо двухчастотный оптический однополосный сигнал (ООС) с фиксированной частотой расщепления, либо оптический двухполосный сигнал (ОДС), состоящий из двух расщепленных компонент для зондирования ТУ соответственно произвольной и симметричной форм. Формирование зондирующих сигналов опорного (до ТУ) и измерительного (после ТУ) сигнала происходит в едином модуляционном преобразователе, что снижает уровень шумов как оптической, так и электронной природы при обработке анализируемого сигнала на частоте расщепления Аю. По своей сути предложенный ОВА также невосприимчив к ошибкам измерения, вызванным наличием боковых полос высокого порядка поднесущей частоты и частоты расщепления, поскольку использует технологии либо смещенных частот, как в [5], либо тандемный амплитудно-фазовый модулятор (ТАФМ), реализующий преобразование одночастотного излучения в двухчастотное по методу Ильина – Морозова [7] с высокой спектральной чистотой.

ОВА на однопортовом ММЦ с двухчастотным ООС

Как показано на рисунке 1, структура ОВА с двухчастотным ООС построена на основе одного однопортового ММЦ (MZM AM), управляемого двумя близко расположенными радиочастотами ю 1 и ю ₂ .

Двухчастотный радиосигнал задается в двухканальном фазокогерентном СВЧ-генераторе типа MCSG и объединяется в комбайнере типа HP, что обеспечивает малый уровень электронных фазовых шумов при обработке сигналов на частоте расщепления ∆ω = ω ₂ - ω ₁ (при условии ю ₂ >ю 1 ). ООС далее формируется полосовым фильтром BPF, который вырезает только одну полосу из формируемого модулятором двухполосного излучения.

В квадратичном фотодетекторе BPD (верхнее плечо) оптический сигнал преобразуется в фототок, состоящий из компонент с разными частотами. Функция передачи информации об оптическом тестируемом устройстве DUT передается на частоте Аю , которая имеет отличную частоту от других, сформированных частотами высших порядков и несущей. Таким образом формируется измерительный канал. Чтобы исключить влияние

Рисунок 1. Структура ОВА с двухчастотным ООС на основе одного однопортового ММЦ

системы измерения (неравномерность частотных характеристик, вносимые потери, чувствительность разных каналов и т. д.), выполняется процесс калибровки. В этом случае DUT удаляется, и двухчастотный ООС подключается напрямую к фотодетектору. В нашем случае этой операцией можно пренебречь, используя опорный нижний канал. Оба канала создаются максимально идентичными. Характеристики измерительного и опорного каналов описываются соответственно следующими выражениями:

iDUT+SYS (^®)  ^A1 A2 HDUT+SYS (®0 + A®) , iSYS (Ato) ~ КA1+1 A2+1*HSYS (®0 + Ato),

где ^ - отклик BPD; A 1 и A ₂ - амплитудные значения составляющих двухчастотного ООС на соответствующих частотах ® 1 и ® ₂ , а спектральная характеристика DUT может быть вычислена из следующего выражения:

H dut ( A® ) = i ^{DUT +} SYS^ ® ) (2) i SYS ^{( A} ® )

при сканировании двухчастотного ООС с фиксированным разносом частот по его полосе. Как видно из (2), определение спектральной характеристики DUT основывается на анализе фиксированного низкочастотного сигнала с частотой A® .

Фиксированный низкочастотный сигнал на частоте A® поступает на соответствующий ему по частоте амплитудно-фазовый детектор, устраняя при этом влияние боковых полос высших порядков и оптической несущей и извлекая информацию о величине и фазе спектральной характеристики DUT.

Предлагаемый метод характеризации спектра DUT может работать с разрешающей способностью в единицы МГц, что обусловлено когерентностью зондирующего двухчастотного оптического излучения, формируемого одним лазером и одним модулятором, а также фазокогерентными радиочастотными сигналами. Использование опорного канала снимает зависимость измерений от мощности лазерного источника и коэффициента модуляции ММЦ. Разрешение в десятки кГц доступно при реализации разработанной системы при соответствующей ширине линии излучения лазера SM CW LD, которая может быть меньше 10 кГц. Используя лазеры с субгерцовой шириной линии, потенциально достижимо в теории разрешение уровня единиц Гц.

Учитывая применение ООС, система предназначена для характеризации DUT с произвольной спектральной характеристикой. Для характеризации DUT с симметричной спектральной характеристикой из схемы (рисунок 1) следует исключить BPF для получения двухчастотного ОДС, а несущую настроить на центральную частоту ТУ, например, брэгговскую для волоконной решетки.

Основной проблемой рассмотренного типа ОВА остается необходимость сохранения A® при перестройке радиочастотных компонент в полосе DUT.

Для ее решения рассмотрим схему ОВА на двух ТАФМ с формированием двухчастотного ОДС. В ней оптический сигнал сканирования в полосе DUT формируется одним генератором в первом ТАФМ, а двухчастотный сигнал с фикси-

BPD

Рисунок 2. Структура ОВА с двухчастотным ОДС на основе двух ТАФМ

рованной Are формируется другим генератором радиочастоты во втором ТАФМ. Подобная схема генерации с расщеплением частоты была использована нами при создании радиофотонного измерителя мгновенной частоты [8].

Структурная схема ОВА на двух

ТАФМ с двухчастотным ОДС

Как показано на рисунок 2, структура ОВА с двухчастотным ОДС построена на основе двух ТАФМ [9; 10] TAPM1 и TAPM2, управляемых двумя радиочастотными генераторами на частоте сканирования спектральной полосы DUT re ₃ и разностной частоты расщепления re ₄ , эквивалентной Are .

Для формирования зондирующего двухчастотного ОДС излучение лазерного источника SM CW LD модулируют в TAPM1 радиосигналом на частоте сканирования re ₃ , а полученный одночастотный ОДС – в TAPM2 фиксированной частотой re ₄, эквивалентной Are . При этом частота излучения оптической несущей re C соответствует центральной частоте симметричного DUT. Сформированный двухчастотный ОДС представляет собой две пары сигналов, разнесенные на частоту re ₄ со средними частотами, разнесенными на частоту сканирования re ₃ (нижняя вставка на рисунке 2).

Затем передают сгенерированные пары сигналов к верхнему фотодетектору BPD через DUT по измерительному каналу и к нижнему со входа DUT по опорному каналу. В сгенерированных парах двухчастотного ОДС, проходящих через DUT и измерительный канал, происходит изменение амплитуд и фаз отдельных составляющих

в зависимости от особенностей их спектральных характеристик, а на выходе фотоприемника формируется фототок, описываемый следующим выражением:

i DUT + SYS ( Are ) ~ «х

х<

^{— 1 — 1}

1   2      DUT + SYS (^re c

—

⁺ A A 2 H DUT + SYS ^(re c

re0 ± Are/2) + + re0 ± Are/2)

Для опорного канала формируется фототок i_SYS ( Are ) ~ « x

x<

A ¹ A ₇ ¹ H_sYS ( re - re_n ± Are /2 ) + 1    2 SYS c 0

+ A ^{+ 1} A + 1 H_{SY s} ( re_r + re_n ± Are /2 ) 1    2 SYS c 0

.

Спектральная характеристика DUT может быть вычислена аналогично выражению (2). Для этого сигнал на частоте Are выделяется избирательным фильтром низкочастотного амплитудно-фазового детектора, в котором определяются амплитудно-частотные и фазово-частотные характеристики склонов симметричного DUT, которые далее обрабатываются в микроконтроллере в цифровом виде.

Для оценки влияния гармоник высшего порядка и несущей частоты было проведено сравнение выходных спектральных характеристик ММЦ, работающего в «нулевой» рабочей точке и ТАФM.

Суть работы TAФM заключается в последовательной АМ и фазовой манипуляции исходного оптического излучения, при этом последняя по эффективности существенно превышает режек-торные свойства любого фильтра, настроенного на несущую частоту, используемого в схемах с ММЦ.

Рисунок 3. Восстановленные ФЧХ и АЧХ гауссовой ВБР с помощью двухчастотного ООС

Рисунок 4. Восстановленные ФЧХ и АЧХ гауссовой ВБР с помощью двухчастотного ОДС

Амплитуды спектральных составляющих: для ММЦ А ₁ = –20 дБм, А ₂ = –37 дБм и А ₃ = –58 дБм, для TAФM А ₁ = –12 дБм, А ₂ = –33 дБм и А ₃ = –33 дБм. Отдельно отметим полученный уровень подавления несущей: 16 дБ (ММЦ) и 35 дБ (ТАФМ).

Таким образом, применение TAФM так же, как и технология смещенной частоты, предложенная для первого варианта ОВА с двухчастотным ООС, не требует специальных мер устранения влияния высших гармоник и несущей частоты в процессе измерений. Формирование зондирующих сигналов в общих каналах формирования позволяет говорить о малом уровне фазовых оптических и радиочастотных шумов, возникающих при их электрооптической и оптоэлектронной обработке.

Результаты эксперимента

В качестве примера рассмотрим восстановление амплитудно-частотной (АЧХ) и фазовочастотной (ФЧХ) характеристик гауссовой ВБР. В установке использовался узкополосный лазерный источник с распределенной обратной связью с центральной длиной волны 1550 нм и шириной спектра менее 50 кГц. В качестве амплитудного модулятора MZM AM был использован ММЦ, предоставленный ПАО «ПНППК». Фазовая модуляция в TAФM осуществлялась с помощью электрооптического фазового модулятора Thorlabs LN53S-FC. Фазы генераторов радиосигналов были синхронизированы, для чего в обоих вариантах использовался двухканальный фазокогерентный СВЧ-генератор MCSG12-2.

Восстановленные АЧХ и ФЧХ гауссовой ВБР с использованием двухчастотного ООС показаны на рисунке 3.

Восстановленные АЧХ и ФЧХ гауссовой ВБР с использованием двухчастотного ОДС показаны на рисунке 4.

Восстановление характеристик осуществлялось полосами по 20 ГГц.

Анализ полученных результатов показывает, что оба подхода позволяют восстановить АЧХ и ФЧХ гауссовой ВБР с визуально достаточной точностью.

Восстановление характеристик в варианте сканирования двухчастотным ООС характеризуется большим уровнем погрешностей в зоне перегиба спектра и в области малых сигналов, что объясняется меньшим уровнем зондирующего сигнала практически в 2 раза, чем в варианте с двухчастотным ОДС. В последнем варианте ОВА реализован с частотой расщепления 5 МГц при ширине линии лазерного излучения 50 кГц. Перестройка поднесущей частоты проводилась с шагом в 0,5 МГц, что и определило его разрешающую способность в диапазоне до 20 ГГц (40 001 точка).

Заключение

Предложены и экспериментально продемонстрированы варианты радиофотонных ОВА высокого разрешения на основе модуляционного расщепления оптической зондирующей частоты на малую фиксированную величину МГц-диапазона и амплитудно-фазового определения спектра ТУ по параметрам радиочастотного сигнала на указанной частоте после фотодетектирования. Представлены структурные схемы и описаны принципы работы ОВА с зондированием двухчастотным ООС или ОДС, состоящим из расщепленных компонент, для характеризации спектральных характеристик ТУ соответственно произвольной и симметричной форм. Разрешающая способность измерений составила 0,5 МГц, но может быть существенно улучшена.

Так как информационный сигнал фототока ОВА генерируется в одном или тандеме модуляторов одновременно для практически идентичных измерительного и опорного каналов, предлагаемый ОВА нечувствителен к изменениям условий окружающей среды. Достижение точных результатов измерения возможно без прецизионного контроля температуры и вибраций, что не свойственно существующим устройствам аналогичного типа.

Проведена сравнительная оценка точности восстановления АЧХ и ФЧХ контура гауссовой ВБР путем сканирования двухчастотным ООС и ОДС. Показано, что оба подхода позволяют восстановить АЧХ и ФЧХ с близкими значениями точности. Показано, что в первом варианте ОВА погрешность восстановления АЧХ и ФЧХ достигает своего максимального значения в точках перегиба, где нарушается линейность, и в той части контура, где амплитуды зондирующих сигналов близки к нулю. Во втором варианте ОВА погрешность восстановления спектральных характеристик не превышает 10 ^{- 3} .