專利名稱：可調(diào)諧ffp濾波器的相頻特性測量方法及應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可調(diào)諧光纖法布里-珀羅(Fiber Fabry-Perot, FFP)濾波器，特別是涉及一種可調(diào)諧光纖法布里-珀羅(Fiber Fabry-Perot,FFP)濾波器相頻特性測量的新方法與應用。
背景技術(shù)：
在光通信、傳感信號解調(diào)和高精度光譜分析時，需要設(shè)計可調(diào)諧FFP濾波器的控制器來掃描或跟蹤光源波長。由于可調(diào)諧FFP濾波器中調(diào)諧裝置PZT(壓電陶瓷)的電特性與電容相似，不同輸入信號頻率會使其時間常數(shù)會發(fā)生變化，從而使可調(diào)諧FFP濾波器的輸出信號與輸入信號產(chǎn)生不同的時間延遲。這種時間延遲會引起FFP濾波器中多光束干涉的相位發(fā)生變化，造成可調(diào)諧FFP濾波器的中心波長發(fā)生改變。在通過觀察輸出信號出現(xiàn)的驅(qū)動信號二階諧波來判斷濾波器中心波長與激光波長是否對準時，會帶來較大的中心波長測量誤差。尤其值得注意的是，當波長鎖定控制器中鎖定環(huán)路的時間延遲小于可調(diào)諧 FFP濾波器輸出信號的時間延遲時，導致鎖定環(huán)路無法鎖定跟蹤激光波長。相頻特性是指加載在濾波器的驅(qū)動信號幅度一定時，輸出信號與輸入信號的相位差，它反映了輸出信號與輸入信號的時間延遲。因此測量可調(diào)諧FFP濾波器的相頻特性可以更好地計算可調(diào)諧FFP濾波器的中心波長測量誤差，以及為波長鎖定控制器中鎖定環(huán)路的時間常數(shù)設(shè)計提供重要參考依據(jù)。但是作為一種強度型光學器件，可調(diào)諧FFP濾波器會將輸出信號的相位變化轉(zhuǎn)換為光強變化，其準確的輸出、輸入相位并不容易通過光學儀器測得，因此較少有關(guān)于可調(diào)諧 FFP濾波器相頻特性的測量方法報道。最近有文獻報道了一種測量PZT驅(qū)動型可調(diào)諧濾波器自由譜電壓的幅頻特性方法，所謂自由譜電壓，是指掃描濾波器一個自由譜所需的最大電壓。由于PZT材料有自身的諧振頻率，在諧振頻率附近，只需要較小的電壓就可以掃描濾波器的一個自由譜，而在遠離諧振頻率時，則需要較大的電壓才能掃描濾波器的一個自由譜。該測量方法利用的原理是可調(diào)諧濾波器的中心波長與激光器波長對準時，在輸入信號的一個周期內(nèi)，輸出信號會出現(xiàn)驅(qū)動信號二階諧波信號，其峰值分別位于驅(qū)動信號的兩個最大斜率處，且以輸入信號的最大值對稱點，這一原理反映了在受正弦信號調(diào)制時，可調(diào)諧濾波器的輸出光信號與濾波器傳遞函數(shù)的對應關(guān)系。盡管該方法沒有討論濾波器的相頻特性及其測量方法，但是由于它具有測量速度高、測量誤差小及測量方便等優(yōu)點，其測量原理和方法都對可調(diào)諧濾波器的相頻特性測量方法具有一定的借鑒價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種測量可調(diào)諧光纖法布里-珀羅濾波器相頻特性的方法及應用，本發(fā)明通過計算不同驅(qū)動頻率時輸入信號的峰值與濾波器輸出光信號局部極小值之間的時間延遲得到濾波器的相頻特性。該相頻特性可以用來計算可調(diào)諧 FFP濾波器的中心波長測量誤差，以及為波長鎖定控制器中鎖定環(huán)路的時間常數(shù)設(shè)計提供重要參考依據(jù)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是測量可調(diào)諧FFP濾波器相頻特性的方法，包括首先在低頻時，調(diào)節(jié)可調(diào)諧FFP濾波器的直流偏置電壓，使濾波器的中心波長與單波長半導體激光器的波長對準，由下式(a)確定對準時濾波器輸出信號的時域波形圖，Hdq = l/[l+2 32_2 32cos2(coct)](a),其中Hdci為可調(diào)諧FFP濾波器的時域傳遞函數(shù)，β為輸入電壓的峰峰值與濾波器 3dB帶寬的比值，ω。為輸入信號的角頻率，t為時間參量；然后引入延遲因子θ (f)，按下式(b)計算濾波器輸出信號的時域波形變化，Hm= l/[l+2 32-2 32cos2(coct+θ (f))](b)；= l/[l+232(l+sin2coctsin2 θ (f))-2 β 2cos2 ω ctcos2 θ (f)]最后根據(jù)測得的輸入信號的峰值與濾波器輸出光信號局部極小值之間的時間延遲St，按下式(c)確定相位差θ (f)的大小，δ t :Τ = θ (f) 2 π(c)；其中T為輸入信號的周期，由此得到不同驅(qū)動信號頻率時可調(diào)諧FFP濾波器的相頻特性。利用測得的相頻特性，可以用來計算可調(diào)諧FFP濾波器的中心波長測量誤差，以及為波長鎖定控制器中鎖定環(huán)路的時間常數(shù)設(shè)計提供重要參考依據(jù)。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下突出的優(yōu)點(1)不需要光學儀器，測量成本低，非常方便。(2)損耗小。選用半導體激光器的線寬小于濾波器的3dB帶寬，沒有光的能量損耗，探測器與數(shù)字存儲示波器的頻帶寬帶相等，沒有電的能量損耗。(3)更能反映濾波器的真實性能。驅(qū)動信號的電壓幅度較小，避免了長時間測量濾波器發(fā)熱引起的性能改變。(4)通用性。對于所有利用壓電陶瓷驅(qū)動的光纖可調(diào)諧濾波器、傳感器，或者微電子機械驅(qū)動的可調(diào)諧濾波器以及可調(diào)諧二端口平面波導濾波器件，都可以采用該方法測量其相頻特性。(5)實用性強。應用所測結(jié)果可以計算可調(diào)諧FFP濾波器的中心波長測量誤差，以及為波長鎖定控制器中鎖定環(huán)路的時間常數(shù)設(shè)計提供重要參考依據(jù)。


圖1為本發(fā)明涉及的測量可調(diào)諧FFP濾波器相頻特性原理圖。圖2為本發(fā)明涉及的測量可調(diào)諧FFP濾波器相頻特性裝置框圖。圖3. 1 3. 3為不同輸入信號頻率時測得的可調(diào)諧FFP濾波器輸出、輸入信號時域波形。圖4. 1為測量的可調(diào)諧FFP濾波器相頻特性；圖4. 2為測量的可調(diào)諧FFP濾波器幅頻特性。
圖5是測得的相頻特性在波長鎖定控制器中的應用。其中1是輸入信號，2是低頻時的輸出信號，3是頻率較高時的輸出信號，4是輸入信號的極大值，5是低頻時輸出信號的一個極小值，6是頻率較高時輸出信號的局部極小值，7是輸入信號的極小值，8是低頻時輸出信號的另一個極小值，9是單波長半導體激光器，10是待測的可調(diào)諧FFP濾波器，11是探測器，12是高性能函數(shù)信號發(fā)生器，13是數(shù)字存儲式示波器。
具體實施例方式本發(fā)明的工作原理當驅(qū)動信號頻率較低時，調(diào)節(jié)可調(diào)諧FFP濾波器的直流偏置電壓使濾波器的中心波長與單波長的激光器中心波長對準，輸出信號會出現(xiàn)驅(qū)動信號的二階諧波，而且在驅(qū)動信號的一個周期內(nèi)，輸出信號兩個最小值的時間分量分別與驅(qū)動信號的最大值和最小值的時間分量相對應。頻率增大后，由于調(diào)諧裝置PZT的延遲特性，引起可調(diào)諧FFP濾波器中多光束干涉的相位發(fā)生變化，可調(diào)諧FFP濾波器的中心波長發(fā)生改變，同時濾波器的中心波長與激光器波長失準。這種變化造成輸出信號中與驅(qū)動信號最大值對應的最小值時間分量變化，幅度也發(fā)生變化。利用數(shù)字存儲示波器記錄下不同頻率時驅(qū)動信號的最大值和該輸出光信號局部極小值的時間分量，根據(jù)三角函數(shù)中周期與相位的關(guān)系， 計算輸出光信號局部極小值與輸入信號的峰值之間的相位差，經(jīng)過簡單計算就可以得到不同頻率時可調(diào)諧FFP濾波器的相頻特性。具體而言，測量可調(diào)諧FFP濾波器相頻特性的方法，包括首先在低頻時，調(diào)節(jié)可調(diào)諧FFP濾波器(10)的直流偏置電壓，使濾波器的中心波長與單波長半導體激光器(9)的波長對準，由下式(a)確定對準時濾波器輸出信號的時域波形圖，Hdq = l/[l+2 32_2 32cos2(coct)](a),其中Hdci為可調(diào)諧FFP濾波器的時域傳遞函數(shù)，β為輸入電壓的峰峰值與濾波器 3dB帶寬的比值，ω。為輸入信號的角頻率，t為時間參量；然后引入延遲因子θ (f)，按下式(b)計算濾波器輸出信號的時域波形變化，Hdq = 1/ [1+2 β 2-2 β 2cos2 (ω ct+ θ (f)) ](b)；= 1/ [1+2 β 2 (l+sin2 ω ctsin2 θ (f)) -2 β 2cos2 ω ctcos2 θ (f)]最后根據(jù)測得的輸入信號的峰值與濾波器輸出光信號局部極小值之間的時間延遲St，按下式(c)確定相位差θ (f)的大小，δ t :Τ = θ (f) 2 Ji(c)；其中T為輸入信號的周期，由此得到不同驅(qū)動信號頻率時可調(diào)諧FFP濾波器的相頻特性。利用測得的相頻特性，可以計算不同掃描或抖動頻率時可調(diào)諧FFP濾波器的中心波長測量誤差，也可以為波長鎖定控制器中鎖定環(huán)路的時間常數(shù)設(shè)計提供重要參考依據(jù)。本方法對于所有利用壓電陶瓷驅(qū)動的光纖可調(diào)諧濾波器、傳感器，或者微電子機械驅(qū)動的可調(diào)諧濾波器以及可調(diào)諧二端口平面波導濾波器件，都可以采用該方法測量其相頻特性。本方法可在計算某一掃描或抖動頻率時可調(diào)諧FFP濾波器的中心波長測量誤差時得到應用。本方法可在為波長鎖定控制器中鎖定環(huán)路的時間常數(shù)的設(shè)計中得到應用。下面結(jié)合附圖和實例詳細說明。本發(fā)明涉及的測量可調(diào)諧FFP濾波器相頻特性原理圖如圖1所示，其中在輸入信號1的一個周期內(nèi)，調(diào)節(jié)可調(diào)諧FFP濾波器的直流偏置電壓使濾波器的中心波長與激光器波長對準，輸出信號2會出現(xiàn)的驅(qū)動信號二階諧波，輸出信號中兩個極小值5，8的時間分量分別與輸入信號的最大值4和最小值7的時間分量相對應。考慮調(diào)諧裝置PZT產(chǎn)生的延遲特性后，輸出信號3中與輸入信號最大值4對應的極小值6幅度分量和時間分量均發(fā)生變化，而與輸入信號最小值7對應的輸出信號極小值幅度分量不變，時間分量發(fā)生變化。利用極小值6變化的時間分量與輸入信號最大值4對應的時間分量即可測得可調(diào)諧FFP濾波器的時間延遲，再根據(jù)三角函數(shù)中周期與相位的關(guān)系，經(jīng)過簡單計算就可以得到可調(diào)諧FFP 濾波器的相頻特性。圖2是可調(diào)諧FFP濾波器相頻特性測量的裝置框圖。該裝置包括單波長半導體激光器9、可調(diào)諧FFP濾波器10、探測器11、函數(shù)信號發(fā)生器12和數(shù)字存儲式示波器13。單波長半導體激光器9和函數(shù)信號發(fā)生器12的輸出端接至可調(diào)諧FFP濾波器10，函數(shù)信號發(fā)生器12的輸出端還接至數(shù)字存儲式示波器13，可調(diào)諧FFP濾波器10和數(shù)字存儲式示波器 13之間還接有探測器11。單波長半導體激光器9的線寬小于待測的可調(diào)諧FFP濾波器10 的3dB帶寬，避免光能損耗；探測器11與數(shù)字存儲式示波器13的頻率帶寬相同，避免電能損耗，并選用頻率和幅度都具有高精度和穩(wěn)定度的函數(shù)信號發(fā)生器12提供輸入信號，其中選用的驅(qū)動信號電壓幅度較小，避免了長時間測量使濾波器發(fā)熱引起的性能改變。在測量輸入信號的最大值和輸出光信號局部極小值對應的時間分量時，應取測量結(jié)果的平均值。圖3. 1 3. 3是采用本發(fā)明涉及的不同驅(qū)動頻率時，輸出、輸入信號測量結(jié)果。涉及器件的參數(shù)為采用溫度和電流控制的DFB (分布式反饋)激光器8的線寬為0. 03nm，可調(diào)諧FFP濾波器9的3dB帶寬為0. 08nm,探測器10和數(shù)字存儲式示波器12的頻帶寬度均為100MHz，函數(shù)信號發(fā)生器11提供的驅(qū)動電壓峰-峰值幅度小于1VP_P。其中圖3. 1為驅(qū)動頻率為180Hz時輸出、輸入信號的測量結(jié)果。輸出信號中兩個極小值幾乎相等，說明此時可調(diào)諧FFP濾波器的中心波長基本上與激光器波長對準，時間延遲很小，相應的相位差很小。圖3. 2為驅(qū)動頻率為14. 2KHz時輸出、輸入信號的測量結(jié)果。輸出信號中兩個極小值大小明顯不相等，說明此時可調(diào)諧FFP濾波器的中心波長基本上與激光器波長失準， 在激光器波長不變的情況下，這種失準顯然是由于可調(diào)諧FFP濾波器的中心波長變化造成的。通過測量與輸入信號最大值4對應輸出信號中極小值6的時間分量，并計算它們之間的時間差得到輸出、輸入信號間的相位差。圖3. 3為驅(qū)動頻率為25KHz時輸出、輸入信號的測量結(jié)果。輸出信號中的極小值6 對應輸入信號最大值4的時間分量移動超過了輸入信號半個周期對應的相位。說明輸出、 輸入信號間的相位差很大。圖4. 1是在驅(qū)動頻率從40Hz到30KHz變化時，按照本發(fā)明涉及的方法測得的可調(diào)諧FFP濾波器的相頻特性。由圖可見，相頻特性在驅(qū)動信號頻率IlKHz附近時出現(xiàn)急劇變化，低于該頻率時相頻特性在-0.4° -10°范圍內(nèi)變化，變化幅度不大；高于該頻率時相頻特性迅速衰減到30KHz的-220°。圖4. 2是在驅(qū)動頻率從40Hz到30KHz變化時，根據(jù)輸出信號與輸入信號的幅度比值測得的可調(diào)諧FFP濾波器的幅頻特性，可見幅頻特性在低于2. 5KHz時基本保持平穩(wěn)。頻率繼續(xù)增大時出現(xiàn)較為復雜的變化。結(jié)合幅頻特性與相頻特性，在設(shè)計掃描或跟蹤光源波長的控制器時，驅(qū)動信號的頻率應低于2. 5KHz，此時輸出信號與輸入信號的時間延遲較小，幅度變化也較小，可調(diào)諧FFP濾波器基本能保持線性輸出。 圖5是測得的相頻特性在波長鎖定控制器中的應用。控制器主要由提供偏置電壓的直流偏置電路；提供正弦抖動信號的交流信號產(chǎn)生電路；驅(qū)動可調(diào)諧濾波器中PZT工作的功率放大電路；及提供誤差信號的鎖相環(huán)電路等幾部分組成，其中鎖相環(huán)的兩個輸入信號分別為加載在可調(diào)諧FFP濾波器上的直流信號和正弦抖動信號，鎖相環(huán)路產(chǎn)生的直流誤差信號驅(qū)動濾波器的腔長改變。時間延遲2主要由鎖相環(huán)路運算的時間常數(shù)決定，時間延遲1主要由可調(diào)諧FFP濾波器的相頻特性決定。在鎖相環(huán)的輸入端如果時間延遲2與時間延遲1不匹配，特別是時間延遲2小于延遲時間1時，會造成控制器始終處于無法“鎖死”的狀態(tài)。因此應通過測試的相頻特性值來設(shè)計相應鎖定環(huán)路的時間延遲2與濾波器相應的時間延遲1相匹配。
權(quán)利要求
1.可調(diào)諧FFP濾波器的相頻特性的測量方法，其特征在于，包括首先在低頻時，調(diào)節(jié)可調(diào)諧FFP濾波器(10)的直流偏置電壓，使濾波器的中心波長與單波長半導體激光器(9)的波長對準，由下式(a)確定對準時濾波器輸出信號的時域波形圖，Hdo = l/[l+2 32-2 32cos2(coct)](a),其中Hdci為可調(diào)諧FFP濾波器的時域傳遞函數(shù)，β為輸入電壓的峰峰值與濾波器3dB 帶寬的比值，ω。為輸入信號的角頻率，t為時間參量；然后引入延遲因子θ (f)，按下式(b)計算濾波器輸出信號的時域波形變化， Hdo = 1/ [1+2 β 2-2 β 2cos2 (ω ct+ θ (f)) ](b)；=l/[l+2 32(l+sin2coctsin2 θ (f))-2 β 2cos2 ω ctcos2 θ (f)]最后根據(jù)測得的輸入信號的峰值與濾波器輸出光信號局部極小值之間的時間延遲 St，按下式(c)確定相位差θ (f)的大小，δ t T = θ (f) 2 π(c)；其中T為輸入信號的周期，由此得到不同驅(qū)動信號頻率時可調(diào)諧FFP濾波器的相頻特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其在所有利用壓電陶瓷驅(qū)動的光纖可調(diào)諧濾波器、傳感器，或者微電子機械驅(qū)動的可調(diào)諧濾波器以及可調(diào)諧二端口平面波導濾波器件中的應用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其在計算某一掃描或抖動頻率時可調(diào)諧 FFP濾波器的中心波長測量誤差時的應用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其在為波長鎖定控制器中鎖定環(huán)路的時間常數(shù)的設(shè)計中的應用。
全文摘要
本發(fā)明提供了可調(diào)諧光纖法布里-珀羅濾波器相頻特性的測量方法及應用，包括在輸入信號頻率較低時，調(diào)節(jié)可調(diào)諧光纖法布里-珀羅濾波器的直流偏置電壓使濾波器的中心波長與激光器波長對準；輸入信號頻率增加時，通過數(shù)字存儲示波器記錄下輸入信號的峰值和輸出光信號局部極小值的時間分量；利用三角函數(shù)中周期與相位的關(guān)系，計算輸出光信號局部極小值與輸入信號的峰值之間的相位差，得到不同頻率時可調(diào)諧光纖法布里-珀羅濾波器的相頻特性。應用該測量結(jié)果可以計算可調(diào)諧光纖法布里-珀羅濾波器的中心波長測量誤差，以及為波長鎖定控制器中鎖定環(huán)路的時間常數(shù)設(shè)計提供重要參考依據(jù)。
文檔編號G01R25/00GK102183692SQ20111003474
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者余永林, 齊海兵 申請人:華中科技大學