CC BY
22ВКВО-2019 Радиофотоника
ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ВЕКТОРНЫЕ АНАЛИЗАТОРЫ СЕТЕЙ: ВОЗМОЖНОСТИ, ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Морозов О.Г., Папазян С.Г., Сахабутдинов А.Ж.
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, г. Казань
E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16036
Измерение амплитудно- и фазо-частотных характеристик оптических элементов сетей является важным процессом как при их изготовлении, так и при настройке и эксплуатации систем, в которых они используются. Указанные характеристики могут быть получены с помощью оптического векторного анализатора (ОВА) с широкой полосой пропускания (десятки ГГц) и высоким разрешением (единицы кГц).
В первой части доклад представлен обзор решений по построению электрооптических ОВА. В начале 2000-х годов для получения частотных характеристик оптических элементов были предложены два базовых подхода: метод на основе измерения сдвига фазы модулированной несущей [1] и интерферометрический метод [2]. Оба метода подразумевают зондирование оптических элементов сканирующим по длине волны излучением лазера, что отражается на их низкой разрешающей способности (сотни МГц).
В начале 2010-х годов для получения измерений со сверхвысокой разрешающей способностью был развит метод зондирования с помощью оптической однополосной модуляции (ООМ) [3-6]. Преимущества метода заключаются в возможности реализации ОВА с широкой полосой пропускания, линейно-изменяющейся частотой и широким динамическим диапазоном измерений. Несмотря на то, что было реализовано множество различных схем реализации ООМ, только некоторые из однополосных ОВА смогли удовлетворить указанным требованиям и получили распространение в практике измерений. Это было определено в первую очередь узкополосностью и сложностью формирования управляющих оптическим излучением микроволновых полей. Кроме того, учитывая однополосность модуляции, диапазон измерений остается ограниченным, условно позволяющим сканировать только одну сторону оптического элемента, и при использовании типовой микроволновой и электрооптической элементной базы (ниобат лития) составляет в максимуме около 40 ГГц. Нельзя забывать и о том, что при реализации ООМ неизбежно возникновение высших гармоник модуляционного преобразования, особенно при высоких индексах модуляции, что вызывает появление значительных ошибок в результатах измерений.
Середина 2010-х годов была отмечена предложением ОВА на основе оптической двухполосной модуляции (ОДМ) [7-8]. По сравнению с ООМ ОДМ более широкополосна, позволяет сканировать ОЭ в полосе 80 ГГц на той же элементной базе ниобата лития, проста в реализации и эффективна как в энергетике, так и в использовании спектра полос. Однако симметричность модуляции приводит к тому, что после фотодетектирования образуются составляющие биений нижней и верхней спектральной составляющих с несущей, равные по частоте, что не позволяет получить их раздельный отклик. Для решения данной проблемы было предложено разделить оптическую несущую на два канала, один из которых сдвинуть по частоте [7]. После прохождения излучения с ОДМ через тестируемый оптический элемент (ТОЭ) оно складывается с излучением несущей сдвинутой по частоте. После фото-детектирования формируются две спектральные компоненты биений разные по частоте, по которым может быть построена амплитудно-частотная характеристика ТОЭ. К сожалению, фазочастотная характеристика не может быть измерена в этом случае в силу возникновения фазовых шумов высокого уровня, вызванных различными оптическими путями спектральных компонент, распространяющихся по разным каналам схемы. Несмотря на это, метод получил развитие в виде схемы с двумя гетеродинами, что позволило получить ОВА для измерения АЧХ узкополосных оптических фильтров с разрешением до 50 кГц и обеспечением самокалибровки процесса измерений [8].
Дальнейшее развитие ОВА, построенных по схеме ОДМ, происходит в настоящее время по двум основным направлениям.
Первое касается внесения асимметрии по амплитуде для составляющих ОДМ сигнала с использованием различных устройств [9-11] и проведение измерений в два этапа на различающихся компонентах. В [9] используется два электрооптических модулятора интенсивности и фазы, у
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
ВКВО-2019- Радиофотоника
которых отличаются амплитуды нижней боковой полосы. В [10] применен двухпортовый параллельный модулятор Маха-Цендера (ДППММЦ), для каждого этапа измерений в котором меняется фаза, а, следовательно, величина амплитуды не-сущего излучения. В [11] предложен ОВА с поэтапно перестраиваемым фильтром, вносящем различное ослабление в амплитуду верхней боковой полосы.
Вычисление АЧХ и ФЧХ оптических элементов на двух интерферирующих компонентах с различными амплитудами требует достаточно объемных вычислений, использования сложных методик калибровки и обеспечения высокой стабильности измерительной схемы, поскольку вычисления касаются амплитудных измерений.
Второе направление продолжает реализацию методик поиска эффективных устройств сдвига несущей частоты [12-13] с возможностью организации общего канала для перестраиваемых компонент и сдвинутой по частоте несущей. В данных ОВА оптическая несущая делится на два канала, в одном из которых производится линейное сканирование частоты боковых полос ОДМ излучений, а во втором формируется опорное одночастотное излучение путем применения формирователя ООМ на одной частоте [12], или с использованием фильтров на основе эффекта Мандельштама-Бриллюэна [13]. В обоих случаях достигнуто разрешение 667 кГц, которое определяется числом выборок электрического векторного анализатора (ЭВА), регистрирующего информацию и управляющего процессом сканирования боковых полос несущей в диапазоне измерений 80 ГГц с использованием элементной базы измерений с верхней граничной частотой 40 ГГц.
Несмотря на использование одноэтапных измерений, что существенно сокращает время анализа на один элемент по сравнению с ОВА на основе ОДМ с асимметричными по амплитуде составляющими, использование единой элементной базы и минимального количество модуляторов, устранение влияния гармоник высших порядков, данные ОВА требуют дальнейшего упрощения и совершенствования. Это объясняется остающейся сложностью получения ООМ излучений, и, тем более, формирования бриллюэновских контуров усиления и поглощения в одномодовом оптическом волокне, длина которого составляет 8 км [13].
В второй части доклада мы представим новый ОВА [14], основанный на ОДМ с подавленной несущей (ПН) и волоконной брэгговской решетке с фазовым сдвигом (ВБРФС), который способен измерять и регистрировать как АЧХ, так и ФЧХ тестируемых оптических элементов сетей (ТОЭС). Ключевым устройством ОВА является ДППММЦ, в первом плече которого формируется линейно-сканирующее двухполосное излучение, а во втором фиксированное на заданной частоте.
В третьей части доклада мы представим ОВА [15] на основе ОДМ с различным коэффициентом подавления оптической несущей и уровнем боковых составляющих. Классический вариант получения ОДМ с ПН заключается в применении режима работы ММЦ в «нулевой» точке модуляционной характеристики. Энергетически и спектрально более выгодный вариант основан на применении метода модуляционного преобразования одночастотного когерентного излучения в двухчастотное с помощью тандемной амплитудно-фазовой модуляции.
Предложенные варианты отражают как ассиметричные по амплитуде, так и по частоте ОВА с повышенным отношением сигнал/шум измерений и чувствительностью, способные получать спектральные характеристики ТОЭС, характеризующихся сверхузкополосным резонансом Фано.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации государственного задания КНИТУ-КАИ №8.6872.2017/8.9.
Литература
I. Niemi Т., Uusímaa M, and Ludvigsen H., IEEE Photon. Tech. Lett. 1З, 1ЗЗ4-1ЗЗв (ZÜÜl)
Z. Van Wiggeren G.D., Motamedi A.R., and Barley D.M., IEEE Photon. Tech. Lett. 15, 2вЗ-2в5 (ZÜÜЗ)
3. Voges E., et al, IEEE J. Quantum Electron. 1B, 1Z4 -1ZB (1BBZ)
4. Román J.E., Frankel M.Y., and Esman R.D., Opt. Lett. 2З, B3B-B41 (1BBB)
5. Pan Sh. and Xue M., IEEE lZth ICOCN, 1-З (201З) в. Xue M, et al, IEEE lZth ICOCN, 1-4 (201З)
7. Qing T., et al, Opt. Lett. 3B, в174-в17в (ZÜ14)
B. Zou X., et al, Optical Engineering 55, ü561ü5 (Zü16)
B. Xue M., et al, IEEE Photonics Technology Lett. З0, 4B1-4B4 (ZÜ1B)
1Ü. Jun W, et al, Optics Letters. 4Z, 44Z6-44ZB (ZÜ17)
II. Wang M., et al, IEEE Photonics Technology Letters. Z5, 75З-75в (201З) 1Z. Qing T., et al, Optics Express. Z5, 4вв5-4в71 (ZÜ17)
13. Qing T, et al, Optics Letters. 41, Зв71-Зв74 (Zü16)
14. Morozov O.G., et al, Proc. ofSPIE. 11146, 1114в0в (ZÜ1B)
15. Morozov O.G., et al, Proc. ofSPIE. BBÜ7, BBü717(Zü16)
80 №6 2G19 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
