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专利名称：可调谐ffp滤波器的相频特性测量方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及可调谐光纤法布里-珀罗(Fiber Fabry-Perot, FFP)滤波器，特别是涉及一种可调谐光纤法布里-珀罗(Fiber Fabry-Perot,FFP)滤波器相频特性测量的新方法与应用。
背景技术：
在光通信、传感信号解调和高精度光谱分析时，需要设计可调谐FFP滤波器的控制器来扫描或跟踪光源波长。由于可调谐FFP滤波器中调谐装置PZT(压电陶瓷)的电特性与电容相似，不同输入信号频率会使其时间常数会发生变化，从而使可调谐FFP滤波器的输出信号与输入信号产生不同的时间延迟。这种时间延迟会引起FFP滤波器中多光束干涉的相位发生变化，造成可调谐FFP滤波器的中心波长发生改变。在通过观察输出信号出现的驱动信号二阶谐波来判断滤波器中心波长与激光波长是否对准时，会带来较大的中心波长测量误差。尤其值得注意的是，当波长锁定控制器中锁定环路的时间延迟小于可调谐 FFP滤波器输出信号的时间延迟时，导致锁定环路无法锁定跟踪激光波长。相频特性是指加载在滤波器的驱动信号幅度一定时，输出信号与输入信号的相位差，它反映了输出信号与输入信号的时间延迟。因此测量可调谐FFP滤波器的相频特性可以更好地计算可调谐FFP滤波器的中心波长测量误差，以及为波长锁定控制器中锁定环路的时间常数设计提供重要参考依据。但是作为一种强度型光学器件，可调谐FFP滤波器会将输出信号的相位变化转换为光强变化，其准确的输出、输入相位并不容易通过光学仪器测得，因此较少有关于可调谐 FFP滤波器相频特性的测量方法报道。最近有文献报道了一种测量PZT驱动型可调谐滤波器自由谱电压的幅频特性方法，所谓自由谱电压，是指扫描滤波器一个自由谱所需的最大电压。由于PZT材料有自身的谐振频率，在谐振频率附近，只需要较小的电压就可以扫描滤波器的一个自由谱，而在远离谐振频率时，则需要较大的电压才能扫描滤波器的一个自由谱。该测量方法利用的原理是可调谐滤波器的中心波长与激光器波长对准时，在输入信号的一个周期内，输出信号会出现驱动信号二阶谐波信号，其峰值分别位于驱动信号的两个最大斜率处，且以输入信号的最大值对称点，这一原理反映了在受正弦信号调制时，可调谐滤波器的输出光信号与滤波器传递函数的对应关系。尽管该方法没有讨论滤波器的相频特性及其测量方法，但是由于它具有测量速度高、测量误差小及测量方便等优点，其测量原理和方法都对可调谐滤波器的相频特性测量方法具有一定的借鉴价值。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种测量可调谐光纤法布里-珀罗滤波器相频特性的方法及应用，本发明通过计算不同驱动频率时输入信号的峰值与滤波器输出光信号局部极小值之间的时间延迟得到滤波器的相频特性。该相频特性可以用来计算可调谐 FFP滤波器的中心波长测量误差，以及为波长锁定控制器中锁定环路的时间常数设计提供重要参考依据。本发明所采用的技术方案是测量可调谐FFP滤波器相频特性的方法，包括首先在低频时，调节可调谐FFP滤波器的直流偏置电压，使滤波器的中心波长与单波长半导体激光器的波长对准，由下式(a)确定对准时滤波器输出信号的时域波形图，Hdq = l/[l+2 32_2 32cos2(coct)](a),其中Hdci为可调谐FFP滤波器的时域传递函数，β为输入电压的峰峰值与滤波器 3dB带宽的比值，ω。为输入信号的角频率，t为时间参量；然后引入延迟因子θ (f)，按下式(b)计算滤波器输出信号的时域波形变化，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)]最后根据测得的输入信号的峰值与滤波器输出光信号局部极小值之间的时间延迟St，按下式(c)确定相位差θ (f)的大�。� t :Τ = θ (f) 2 π(c)；其中T为输入信号的周期，由此得到不同驱动信号频率时可调谐FFP滤波器的相频特性。利用测得的相频特性，可以用来计算可调谐FFP滤波器的中心波长测量误差，以及为波长锁定控制器中锁定环路的时间常数设计提供重要参考依据。本发明相对于现有技术具有以下突出的优点(1)不需要光学仪器，测量成本低，非常方便。(2)损耗小。选用半导体激光器的线宽小于滤波器的3dB带宽，没有光的能量损耗，探测器与数字存储示波器的频带宽带相等，没有电的能量损耗。(3)更能反映滤波器的真实性能。驱动信号的电压幅度较�。苊饬顺な奔洳饬柯瞬ㄆ鞣⑷纫鸬男阅芨谋�。(4)通用性。对于所有利用压电陶瓷驱动的光纤可调谐滤波器、传感器，或者微电子机械驱动的可调谐滤波器以及可调谐二端口平面波导滤波器件，都可以采用该方法测量其相频特性。(5)实用性强。应用所测结果可以计算可调谐FFP滤波器的中心波长测量误差，以及为波长锁定控制器中锁定环路的时间常数设计提供重要参考依据。


图1为本发明涉及的测量可调谐FFP滤波器相频特性原理图。图2为本发明涉及的测量可调谐FFP滤波器相频特性装置框图。图3. 1 3. 3为不同输入信号频率时测得的可调谐FFP滤波器输出、输入信号时域波形。图4. 1为测量的可调谐FFP滤波器相频特性；图4. 2为测量的可调谐FFP滤波器幅频特性。
图5是测得的相频特性在波长锁定控制器中的应用。其中1是输入信号，2是低频时的输出信号，3是频率较高时的输出信号，4是输入信号的极大值，5是低频时输出信号的一个极小值，6是频率较高时输出信号的局部极小值，7是输入信号的极小值，8是低频时输出信号的另一个极小值，9是单波长半导体激光器，10是待测的可调谐FFP滤波器，11是探测器，12是高性能函数信号发生器，13是数字存储式示波器。
具体实施例方式本发明的工作原理当驱动信号频率较低时，调节可调谐FFP滤波器的直流偏置电压使滤波器的中心波长与单波长的激光器中心波长对准，输出信号会出现驱动信号的二阶谐波，而且在驱动信号的一个周期内，输出信号两个最小值的时间分量分别与驱动信号的最大值和最小值的时间分量相对应。频率增大后，由于调谐装置PZT的延迟特性，引起可调谐FFP滤波器中多光束干涉的相位发生变化，可调谐FFP滤波器的中心波长发生改变，同时滤波器的中心波长与激光器波长失准。这种变化造成输出信号中与驱动信号最大值对应的最小值时间分量变化，幅度也发生变化。利用数字存储示波器记录下不同频率时驱动信号的最大值和该输出光信号局部极小值的时间分量，根据三角函数中周期与相位的关系， 计算输出光信号局部极小值与输入信号的峰值之间的相位差，经过简单计算就可以得到不同频率时可调谐FFP滤波器的相频特性。具体而言，测量可调谐FFP滤波器相频特性的方法，包括首先在低频时，调节可调谐FFP滤波器(10)的直流偏置电压，使滤波器的中心波长与单波长半导体激光器(9)的波长对准，由下式(a)确定对准时滤波器输出信号的时域波形图，Hdq = l/[l+2 32_2 32cos2(coct)](a),其中Hdci为可调谐FFP滤波器的时域传递函数，β为输入电压的峰峰值与滤波器 3dB带宽的比值，ω。为输入信号的角频率，t为时间参量；然后引入延迟因子θ (f)，按下式(b)计算滤波器输出信号的时域波形变化，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)]最后根据测得的输入信号的峰值与滤波器输出光信号局部极小值之间的时间延迟St，按下式(c)确定相位差θ (f)的大�。� t :Τ = θ (f) 2 Ji(c)；其中T为输入信号的周期，由此得到不同驱动信号频率时可调谐FFP滤波器的相频特性。利用测得的相频特性，可以计算不同扫描或抖动频率时可调谐FFP滤波器的中心波长测量误差，也可以为波长锁定控制器中锁定环路的时间常数设计提供重要参考依据。本方法对于所有利用压电陶瓷驱动的光纤可调谐滤波器、传感器，或者微电子机械驱动的可调谐滤波器以及可调谐二端口平面波导滤波器件，都可以采用该方法测量其相频特性。本方法可在计算某一扫描或抖动频率时可调谐FFP滤波器的中心波长测量误差时得到应用。本方法可在为波长锁定控制器中锁定环路的时间常数的设计中得到应用。下面结合附图和实例详细说明。本发明涉及的测量可调谐FFP滤波器相频特性原理图如图1所示，其中在输入信号1的一个周期内，调节可调谐FFP滤波器的直流偏置电压使滤波器的中心波长与激光器波长对准，输出信号2会出现的驱动信号二阶谐波，输出信号中两个极小值5，8的时间分量分别与输入信号的最大值4和最小值7的时间分量相对应。考虑调谐装置PZT产生的延迟特性后，输出信号3中与输入信号最大值4对应的极小值6幅度分量和时间分量均发生变化，而与输入信号最小值7对应的输出信号极小值幅度分量不变，时间分量发生变化。利用极小值6变化的时间分量与输入信号最大值4对应的时间分量即可测得可调谐FFP滤波器的时间延迟，再根据三角函数中周期与相位的关系，经过简单计算就可以得到可调谐FFP 滤波器的相频特性。图2是可调谐FFP滤波器相频特性测量的装置框图。该装置包括单波长半导体激光器9、可调谐FFP滤波器10、探测器11、函数信号发生器12和数字存储式示波器13。单波长半导体激光器9和函数信号发生器12的输出端接至可调谐FFP滤波器10，函数信号发生器12的输出端还接至数字存储式示波器13，可调谐FFP滤波器10和数字存储式示波器 13之间还接有探测器11。单波长半导体激光器9的线宽小于待测的可调谐FFP滤波器10 的3dB带宽，避免光能损耗；探测器11与数字存储式示波器13的频率带宽相同，避免电能损耗，并选用频率和幅度都具有高精度和稳定度的函数信号发生器12提供输入信号，其中选用的驱动信号电压幅度较�。苊饬顺な奔洳饬渴孤瞬ㄆ鞣⑷纫鸬男阅芨谋�。在测量输入信号的最大值和输出光信号局部极小值对应的时间分量时，应取测量结果的平均值。图3. 1 3. 3是采用本发明涉及的不同驱动频率时，输出、输入信号测量结果。涉及器件的参数为采用温度和电流控制的DFB (分布式反馈)激光器8的线宽为0. 03nm，可调谐FFP滤波器9的3dB带宽为0. 08nm,探测器10和数字存储式示波器12的频带宽度均为100MHz，函数信号发生器11提供的驱动电压峰-峰值幅度小于1VP_P。其中图3. 1为驱动频率为180Hz时输出、输入信号的测量结果。输出信号中两个极小值几乎相等，说明此时可调谐FFP滤波器的中心波长基本上与激光器波长对准，时间延迟很�。嘤Φ南辔徊詈苄�。图3. 2为驱动频率为14. 2KHz时输出、输入信号的测量结果。输出信号中两个极小值大小明显不相等，说明此时可调谐FFP滤波器的中心波长基本上与激光器波长失准， 在激光器波长不变的情况下，这种失准显然是由于可调谐FFP滤波器的中心波长变化造成的。通过测量与输入信号最大值4对应输出信号中极小值6的时间分量，并计算它们之间的时间差得到输出、输入信号间的相位差。图3. 3为驱动频率为25KHz时输出、输入信号的测量结果。输出信号中的极小值6 对应输入信号最大值4的时间分量移动超过了输入信号半个周期对应的相位。说明输出、 输入信号间的相位差很大。图4. 1是在驱动频率从40Hz到30KHz变化时，按照本发明涉及的方法测得的可调谐FFP滤波器的相频特性。由图可见，相频特性在驱动信号频率IlKHz附近时出现急剧变化，低于该频率时相频特性在-0.4° -10°范围内变化，变化幅度不大；高于该频率时相频特性迅速衰减到30KHz的-220°。图4. 2是在驱动频率从40Hz到30KHz变化时，根据输出信号与输入信号的幅度比值测得的可调谐FFP滤波器的幅频特性，可见幅频特性在低于2. 5KHz时基本保持平稳。频率继续增大时出现较为复杂的变化。结合幅频特性与相频特性，在设计扫描或跟踪光源波长的控制器时，驱动信号的频率应低于2. 5KHz，此时输出信号与输入信号的时间延迟较�。缺浠步闲。傻餍矲FP滤波器基本能保持线性输出。 图5是测得的相频特性在波长锁定控制器中的应用。控制器主要由提供偏置电压的直流偏置电路；提供正弦抖动信号的交流信号产生电路；驱动可调谐滤波器中PZT工作的功率放大电路；及提供误差信号的锁相环电路等几部分组成，其中锁相环的两个输入信号分别为加载在可调谐FFP滤波器上的直流信号和正弦抖动信号，锁相环路产生的直流误差信号驱动滤波器的腔长改变。时间延迟2主要由锁相环路运算的时间常数决定，时间延迟1主要由可调谐FFP滤波器的相频特性决定。在锁相环的输入端如果时间延迟2与时间延迟1不匹配，特别是时间延迟2小于延迟时间1时，会造成控制器始终处于无法“锁死”的状态。因此应通过测试的相频特性值来设计相应锁定环路的时间延迟2与滤波器相应的时间延迟1相匹配。
权利要求
1.可调谐FFP滤波器的相频特性的测量方法，其特征在于，包括首先在低频时，调节可调谐FFP滤波器(10)的直流偏置电压，使滤波器的中心波长与单波长半导体激光器(9)的波长对准，由下式(a)确定对准时滤波器输出信号的时域波形图，Hdo = l/[l+2 32-2 32cos2(coct)](a),其中Hdci为可调谐FFP滤波器的时域传递函数，β为输入电压的峰峰值与滤波器3dB 带宽的比值，ω。为输入信号的角频率，t为时间参量；然后引入延迟因子θ (f)，按下式(b)计算滤波器输出信号的时域波形变化， 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)]最后根据测得的输入信号的峰值与滤波器输出光信号局部极小值之间的时间延迟 St，按下式(c)确定相位差θ (f)的大�。� t T = θ (f) 2 π(c)；其中T为输入信号的周期，由此得到不同驱动信号频率时可调谐FFP滤波器的相频特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其在所有利用压电陶瓷驱动的光纤可调谐滤波器、传感器，或者微电子机械驱动的可调谐滤波器以及可调谐二端口平面波导滤波器件中的应用。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其在计算某一扫描或抖动频率时可调谐 FFP滤波器的中心波长测量误差时的应用。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其在为波长锁定控制器中锁定环路的时间常数的设计中的应用。
全文摘要
本发明提供了可调谐光纤法布里-珀罗滤波器相频特性的测量方法及应用，包括在输入信号频率较低时，调节可调谐光纤法布里-珀罗滤波器的直流偏置电压使滤波器的中心波长与激光器波长对准；输入信号频率增加时，通过数字存储示波器记录下输入信号的峰值和输出光信号局部极小值的时间分量；利用三角函数中周期与相位的关系，计算输出光信号局部极小值与输入信号的峰值之间的相位差，得到不同频率时可调谐光纤法布里-珀罗滤波器的相频特性。应用该测量结果可以计算可调谐光纤法布里-珀罗滤波器的中心波长测量误差，以及为波长锁定控制器中锁定环路的时间常数设计提供重要参考依据。
文档编号G01R25/00GK102183692SQ20111003474
公开日2011年9月14日 申请日期2011年1月31日 优先权日2011年1月31日
发明者余永林, 齐海兵 申请人:华中科技大学