本发明涉及一种光器件频谱响应测量方法，尤其涉及一种多通道并行的光器件频谱响应测量方法及装置，属于光器件测量技术领域。
背景技术：
近年来，随着光通信的迅速发展和普及，光子技术得到了快速的发展和不断的完善，对在光器件制造、生产、应用、检测等过程中必不可少的光器件测量技术的要求也越来越高。然而，现有的光器件测量技术存在着测量精度与分辨率不高、测量范围小等诸多问题。1998年j.e.roman提出了基于光单边带调制的光矢量分析方法[j.e.román,m.y.frankel,andr.d.esman,"spectralcharacterizationoffibergratingswithhighresolution,"opt.lett.,vol.23,no.12,pp.939-941,jun.1998.]。受益于成熟的电频谱分析技术，基于光单边带调制的光矢量分析方法可以将粗粒度的光域扫频转换成高精细的电域扫频，使得测量分辨率大大提高，理论上可达到hz量级(已有的商业光矢量分析仪的分辨率是200mhz)，实现了高分辨率、高精度的光器件测量。但基于光单边带调制的光矢量分析方法受限于目前的电频谱分析技术，只能在50ghz范围内实现高精度的电频谱分析，且测量精确度受到调制非线性引起的高阶边带影响。最近，卿婷等人在“opticalvectoranalysisbasedonasymmetricalopticaldouble-sidebandmodulationusingadual-drivedual-parallelmach-zehndermodulator”(t.qing,s.p.li,m.xue,w.li,n.h.zhuands.l.pan,"opticalvectoranalysisbasedonasymmetricalopticaldouble-sidebandmodulationusingadual-drivedual-parallelmach-zehndermodulator,"opticsexpress,vol.25,no.5,pp.4665-4671,mar.2017.)提出的基于非对称双边带调制的光器件测量方法，能实现幅度响应和相位响应的同时测量，并将测量范围提高为基于单边带调制的光器件测量方法的两倍，且测量精确度不受调制非线性引起的高阶边带影响。但是，此方法仍无法满足光器件动辄几thz的测量范围。
为了进一步提高测量范围，薛敏等人在“widebandopticalvectornetworkanalyzerbasedonopticalsingle-sidebandmodulationandopticalfrequencycomb”(m.xue,y.j.zhao,x.w.guands.l.pan,"performanceanalysisofopticalvectoranalyzerbasedonopticalsingle-sidebandmodulation,"journaloftheopticalsocietyofamericab,vol.30,no.4,pp.928-933,apr.2013.)中将光频梳与基于光单边带调制的光矢量分析技术相结合，使得测量范围大大增加，但该方法的缺点是：1、每个通道需依次测量，假如测量一个通道的时间是t，则测量n个通道的时间即为nt，拓展的测量范围越大，测量时间越长，这与实际需求相悖，实际测量中要求测量时间越短越好，测量效率才能提高；2、由于实际中滤波器的抑制比是有限的，在一根梳齿被滤出的情况下，其他梳齿仍有残留，这些残留的梳齿也会产生调制信号，其中不仅包括单边带信号，还包括高阶边带，这些信号会在光电探测器中与相邻边带或残留梳齿信号拍频，产生与测量结果相同的频率分量，不同通道相互串扰，造成极大的测量误差；3、有波长依赖性，载波的波长一旦改变，就需要后续的测量装置中心波长发生改变。
为了实现快速测量，2015年戴一堂等人在“一种用于测量光器件频率响应的装置和方法”(cn201510345041.9)中使用了重复频率不同的两列光频梳，第一光频梳作为探测信号，经过待测器件，获取其幅度与相位信息，第二光频梳作为基准信号，第一光频梳与第二光频梳在光电探测器中拍频，由于两列光频梳的重复频率不同，因此每个通道中探测信号与基准信号的频率差不同，从而不同通道的幅度和相位信息可以在频率上区分开。该方法的优点是可以一次性测量所有第一光频梳所覆盖的频率点上的幅度与相位信息，适合测量快速变化的物理现象。该方法的缺点：1、测量点数等于光频梳梳齿数，因此分辨率非常低，不适合测量窄谱光器件；2、若要保证一定的分辨率，则光频梳的重复频率要小，导致测量范围较小，不适合测量宽谱光器件；3.为了达到快速测量的目的，必须使用时域接收法(dsp或示波器等时域采样仪器)，而不能得到较高的信噪比和较大的动态范围。
由上述分析可知，同时达到大测量范围、高分辨率、快速的测量要求是非常困难的。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种多通道并行的光器件频谱响应测量方法及装置，可同时实现高分辨率、大范围的快速高精度测量，杜绝不同通道的相互串扰，有效消除接收机的频率依赖性及调制非线性引起的测量误差。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种多通道并行的光器件频谱响应测量方法，包括以下步骤：
步骤1、通过以下方法获得探测光信号：将微波信号调制于第一光频梳信号，生成多通道载波抑制光双边带信号，第一光频梳信号的每个梳齿对应一个通道；然后将所述多通道载波抑制光双边带信号与第二光频梳信号耦合，生成多通道非对称光双边带信号，即为所述探测光信号；所述第一光频梳信号与第二光频梳信号的梳齿频率间隔不同；
步骤2、令探测光信号通过待测光器件后进行光电转换，然后从转换后的电信号中并行提取出待测光器件在每个通道的频谱响应；
步骤3、将待测光器件在每个通道上的幅频响应和相频响应组合为待测光器件完整的频谱响应。
优选地，步骤2中并行提取出待测光器件在每个通道的频谱响应的具体方法如下：从转换后的电信号中并行提取出每个通道的频谱响应，然后从所述每个通道的频谱响应中分别去除测量系统在相应通道的频谱响应，得到待测光器件在每个通道的频谱响应。
进一步地，测量系统在每个通道的频谱响应通过以下并行方法获取：从所述探测光信号分出一路并行的参考信号，直接对这一路参考信号进行光电转换并从转换后的电信号中并行提取出每个通道的频谱响应，即为测量系统在每个通道的频谱响应。
优选地，所述微波信号为微波扫频信号。
优选地，所述第一光频梳信号与第二光频梳信号满足以下条件：
|ωshift|>|(n-1)δω′|,ifωshift<0,δω′>0orωshift>0,δω′<0
其中，ωstart是第一光频梳信号中第一个梳齿的角频率，ωshift是第一光频梳信号中第一个梳齿与第二光频梳信号中第一个梳齿间的频率差，δω是第一光频梳信号的梳齿频率间隔，δω′是第一光频梳信号的梳齿频率间隔与第二光频梳信号的梳齿频率间隔之间的频率差，ωsample是频谱响应提取的采样带宽，n为第一光频梳信号的梳齿数。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种多通道并行的光器件频谱响应测量装置，包括：
探测光信号生成模块，用于通过以下方法获得探测光信号：将微波信号调制于第一光频梳信号，生成多通道载波抑制光双边带信号，第一光频梳信号的每个梳齿对应一个通道；然后将所述多通道载波抑制光双边带信号与第二光频梳信号耦合，生成多通道非对称光双边带信号，即为所述探测光信号；所述第一光频梳信号与第二光频梳信号的梳齿频率间隔不同；
微波幅相检测模块，用于对通过待测光器件后的探测光信号进行光电转换，并从转换后的电信号中并行提取出待测光器件在每个通道的频谱响应；
主控单元，用于将待测光器件在每个通道上的幅频响应和相频响应组合为待测光器件完整的频谱响应。
优选地，所述微波幅相检测模块包括：
第一光电转换模块，用于对通过待测光器件后的探测光信号进行光电转换；
第一幅相提取模块，用于从第一光电转换模块转换后的电信号中并行提取出每个通道的频谱响应；
校正模块，用于从第一幅相提取模块所提取的每个通道的频谱响应中分别去除测量系统在相应通道的频谱响应，得到待测光器件在每个通道的频谱响应。
进一步地，所述校正模块包括：
第二光电转换模块，用于对从所述探测光信号分出的一路并行的参考信号进行光电转换；
第二幅相提取模块，用于从第二光电转换模块转换后的电信号中并行提取出每个通道的频谱响应，即为测量系统在每个通道的频谱响应。
优选地，所述微波信号为微波扫频信号。
优选地，所述第一光频梳信号与第二光频梳信号满足以下条件：
|ωshift|>|(n-1)δω′|,ifωshift<0,δω′>0orωshift>0,δω′<0
其中，ωstart是第一光频梳信号中第一个梳齿的角频率，ωshift是第一光频梳信号中第一个梳齿与第二光频梳信号中第一个梳齿间的频率差，δω是第一光频梳信号的梳齿频率间隔，δω′是第一光频梳信号的梳齿频率间隔与第二光频梳信号的梳齿频率间隔之间的频率差，ωsample是频谱响应提取的采样带宽，n为第一光频梳信号的梳齿数。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、同时实现了大测量范围、高分辨率、快速的测量要求；2、与以往的串行测量方式不同的是，并行测量使得测量时间与通道数量无关，若测量一个通道的时间是t，则测量n个通道的时间仍然为t；3、不同通道的探测信号转换成点电信号后有着不同的频率，杜绝了不同通道串扰的问题；4、测量不受调制非线性引起的高阶边带的影响；5、测量范围大大提高，若使用n根光频梳，则测量范围拓展成2n倍；6、测量系统无波长依赖性，光源波长改变，后续测量装置无需进行调整。
附图说明
图1为本发明光器件频谱响应测量装置一个优选实施例的结构原理示意图；
图2为优选实施例中光频梳模块的结构示意图；
图3为图1装置中不同位置处的信号示意；
图4为光频梳梳齿数为3时的测量结果；
图5为光频梳梳齿数为5时的测量结果；
图6为本发明光器件频谱响应测量装置另一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的思路是在现有基于非对称双边带调制的光器件测量方法基础上，利用两组梳齿频率间隔不同的光频梳信号来生成多通道非对称光双边带信号；由于两组光频梳信号的梳齿频率间隔不同，因此多通道非对称光双边带信号中不同通道的双边带信号与对应本振信号的频率差不同，则两者在光电探测器中拍频转换成电信号后的频率不同，避免了不同通道的信号混叠，这样，多个通道探测信号所携带的频谱响应可被并行接收，且解决了多通道信号串扰的问题和调制非线性引入的误差，从而可大幅提升测量效率和测量精度。
具体而言，本发明的多通道并行的光器件频谱响应测量方法，包括以下步骤：步骤1、通过以下方法获得探测光信号：将微波信号调制于第一光频梳信号，生成多通道载波抑制光双边带信号，第一光频梳信号的每个梳齿对应一个通道；然后将所述多通道载波抑制光双边带信号与第二光频梳信号耦合，生成多通道非对称光双边带信号，即为所述探测光信号；所述第一光频梳信号与第二光频梳信号的梳齿频率间隔不同；
步骤2、令探测光信号通过待测光器件后进行光电转换，然后从转换后的电信号中并行提取出待测光器件在每个通道的频谱响应；
步骤3、将待测光器件在每个通道上的幅频响应和相频响应组合为待测光器件完整的频谱响应。
本发明的多通道并行的光器件频谱响应测量装置，包括：
探测光信号生成模块，用于通过以下方法获得探测光信号：将微波信号调制于第一光频梳信号，生成多通道载波抑制光双边带信号，第一光频梳信号的每个梳齿对应一个通道；然后将所述多通道载波抑制光双边带信号与第二光频梳信号耦合，生成多通道非对称光双边带信号，即为所述探测光信号；所述第一光频梳信号与第二光频梳信号的梳齿频率间隔不同；
微波幅相检测模块，用于对通过待测光器件后的探测光信号进行光电转换，并从转换后的电信号中并行提取出待测光器件在每个通道的频谱响应；
主控单元，用于将待测光器件在每个通道上的幅频响应和相频响应组合为待测光器件完整的频谱响应。
以上技术方案中，所述微波信号可以是固定频率微波信号也可以是扫频信号，优选采用扫频信号，从而可进一步扩大测量范围。
为了让转换成电信号的探测信号按照一定规律排列，并消除频率重叠的问题，所述第一光频梳信号与第二光频梳信号最好满足以下条件：
|ωshift|>|(n-1)δω′|,ifωshift<0,δω′>0orωshift>0,δω′<0
其中，ωstart是第一光频梳信号中第一个梳齿的角频率，ωshift是第一光频梳信号中第一个梳齿与第二光频梳信号中第一个梳齿间的频率差，δω是第一光频梳信号的梳齿频率间隔，δω′是第一光频梳信号的梳齿频率间隔与第二光频梳信号的梳齿频率间隔之间的频率差，ωsample是频谱响应提取的采样带宽，n为第一光频梳信号的梳齿数。
上述技术方案中，从转换后的电信号中并行提取出的每个通道的频谱响应实际上是待测光器件与测量系统的联合响应，因此有必要进行校准，即从所述每个通道的频谱响应中分别去除测量系统在相应通道的频谱响应，得到待测光器件在每个通道的频谱响应。常规的测量系统校准方法是在不接入待测光器件的情形下重复以上测量过程，从而得到测量系统在每个通道的频谱响应。但这种校准方案会由于光源功率的波动、测量环境变化(如环境抖动、温度变化等)等时变干扰因素导致校准效果不理想。为解决这一问题，本发明通过以下并行方法实时获取测量系统在每个通道的频谱响应：从所述探测光信号分出一路并行的参考信号，直接对这一路参考信号进行光电转换并从转换后的电信号中并行提取出每个通道的频谱响应，即为测量系统在每个通道的频谱响应。从并行的测量光路的测量结果中去除参考光路的测量结果，即可完全消除两路共同的噪声。采用这一并行参考校准方案，所得到的系统频谱响不会由于光源功率波动、测量环境变化等因素而受影响。
为了便于公众理解，下面通过一个优选实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本优选实施中的测量装置的基本结构如图1所示。其包括用于生成光频梳1、光频梳2的光频梳模块，以及微波源、调制模块、光电探测器1、光电探测器2、幅相提取模块1、幅相提取模块2、控制及数据处理模块。光频梳1、光频梳2的梳齿频率间隔不同。
如图1所示，调制模块将微波源输出的微波信号调制于光频梳1，生成多通道的载波抑制光双边带信号，每个梳齿对应一个通道；然后将所述多通道载波抑制光双边带信号与光频梳2耦合，生成多通道非对称光双边带信号；多通道非对称光双边带信号被分为两路，一路作为探测光信号，另一路作为参考信号；在探测光路，探测光信号通过待测光器件后，每个通道的非对称光双边带信号均携带有待测光器件的幅度、相位、偏振等响应信息，被光电探测器1转换为电信号后，通过幅相提取模块1将每个通道的响应信息并行提取出来；在参考光路，多通道非对称光双边带信号不经过待测光器件，而是直接被光电探测器2转换为电信号后，通过幅相提取模块2将每个通道的响应信息并行提取出来；以探测光路所得到的多通道响应信息作为待测光器件与测量系统的联合响应，以参考光路得到的多通道响应信息作为测量系统的响应，控制及数据处理模块从联合响应中去除测量系统的响应，即得到待测光器件在每个通道的频谱响应，将其组合起来，即可得到待测光器件完整的频谱响应。
本实施例中的微波源为微波扫频源，可生成微波扫频信号。
光频梳1和光频梳2可采用现有各种光频梳生成方法生成，为了提高生成信号的质量并降低实现成本，本实施例中采用图2所示的光频梳模块来生成两个光频梳信号。如图2所示，将光源输出的光信号分成两路，一路经过调制器1，被频率为δω的微波源调制，生成重复频率为δω的光频梳1(将产生的边带视作光频梳的梳齿)；另一路经过移频器后(保证两列光频梳的梳齿在频率上面不重叠)，被频率为δω+δω′的微波源调制，生成重复频率为δω+δω′的光频梳2。
与戴一堂的双光频梳测量方法完全不同，本发明的光频梳1本身不作为探测信号，而是在调制器中被微波源调制，产生n(光频梳1梳齿数)个通道的光双边带信号，这n个±1阶边带信号作为探测信号，用于探测第n个通道的幅度响应和相位响应，每一根边带的变化范围是光频梳1重复频率的一半。由于微波源的频率分辨率非常高，因此测量分辨率可大大提高，理论上可达到hz量级；光频梳2作为本振信号，光频梳2中第n根梳齿可看作是光频梳1中第n个通道载波经过了一个固定频率的移频，光频梳2与光频梳1产生的n个通道的光双边带信号耦合后，可得到n个通道的非对称光双边带信号；非对称光双边带信号经过待测光器件后携带上其幅度、相位、偏振等响应信息，后被光电探测器转换为电信号；由于光频梳1和光频梳2重复频率不同，非对称光双边带信号中不同通道的±1阶边带与移频后载波的频率差不同，则两者在光电探测器中拍频转换成电信号后的频率不同，避免了不同通道的信号混叠，解决了薛敏的基于光频梳与单边带的测量方法中残留梳齿和高阶边带对测量结果引入误差的问题，从而使多个通道探测信号携带的幅度响应和相位响应可被幅度相位接收机并行接收。将各通道的光谱响应拼接，可得到待测光器件的整体幅度响应和相位响应。本方法可用频域接收法来实现，即采用矢量网络分析仪等频谱分析仪器作为幅度相位提取模块，因此可实现较高的信噪比和较大的动态范围。
为了使公众更清晰地了解本发明技术方案，下面对本发明的测量原理进行简要介绍：
两组梳齿频率间隔不同的光频梳信号eofc1和eofc2可以表示成：
其中，an和bn是幅度，φ是光频梳ofc1和ofc2的初始相位差，ωstart是ofc1第一个载波(即调制有微波信号的梳齿)的角频率，ωshift是ofc1第一个载波和ofc2第一个载波的频率差，δω是ofc1的重复频率(即梳齿频率间隔)，δω+δω′是ofc2的重复频率。为了让转换成电信号的探测信号按照一定规律排列，并消除频率重叠的问题，两组光频梳信号最好满足以下条件：
|ωshift|>|(n-1)δω′|,ifωshift<0,δω′>0orωshift>0,δω′<0
其中ωsample是幅相提取模块的采样带宽。
假设第n根光频梳ofc1和ofc2的角频率可表示成ωn与ω′n，有ωn＝ωstart+(n-1)δω，ω′n＝(ωstart+ωshift)+(n-1)δω′。光频梳ofc1被调制后生成的载波抑制双边带信号与光频梳ofc2耦合后成为非对称光双边带信号，可表示成
其中，ωe是微波源的角频率，a-n和a+n是ofc1第n个载波对应扫频边带的幅度。非对称光双边带信号被分为测量路和参考路。
在测量路，光信号经过待测器件，携带上待测器件的幅度响应和相位响应，输出信号可以表示成
其中h(ω)＝hsys(ω)·hdut(ω),hsys(ω)和hdut(ω)分别是系统和待测器件的传输函数。经过光电转换后，可得到ofc1中第n个载波两侧的频谱响应：
其中η是光电探测器的响应度。
在参考路，有待测器件传输响应hdut(ω)＝1，可得到系统的频谱响应
根据式(6)和式(7)，可获得待测器件的传输函数hdut(ω)：
其中h(|ωn-ωe|)和h(ωo+ωe)是待测器件在ofc1第n个通道的频谱响应，而h*(ω′)是一个常数。图3显示了图1测量装置中a～e处的信号。
为了验证上述装置的效果，进行了原理验证性实验，实验结果如图4、图5所示。在实验中使用了带宽为10ghz的扫频微波源和带宽为10ghz的幅度相位提取模块，若使用3根光频梳，则可实现60ghz的测量范围，若使用5根光频梳，则可实现100ghz的测量范围，且两个测量实验的测量时间相同。需要注意的是，光频梳根数越多，在总功率一定的情况下，每一根光频梳的功率就越小，动态范围和信噪比会响应地降低。如图4所示测量结果的信噪比比图5所示的高。
图6显示了本发明光器件频谱响应测量装置的另一个实施例。该实施例与图1的区别在于未采用并行参考光路，因此需要采用传统方法进行校准，以去除测量系统的频谱响应。该装置的其余部分以及基本原理均与图1所示装置相同，此处不再赘述。