CN102706540B - 一种相位调制器半波电压测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于电光相位调制器半波电压测量系统及测量方法，测量系统包括激光发生器及偏振控制器，微波信号发生器，光干涉仪，功率计和处理器；其方法包括将待测相位调制器接入检测系统，系统工作参数的确定及工作状态的调整，不同幅度微波信号调制下光功率值的测量与数据综合处理，不同频率下半波电压的测量。该发明利用微波信号发生器产生的调制信号分辨率高的特点，将同一检测频率下测得的各参数进行综合处理、得该频率下的半波电压值，循环处理即得到各检测频率下的半波电压值；从而具有测量频率的分辨率高，相位调制器测量的频率点及所得半波电压的测量值多、精度高，可确保高速相位调制器使用性能的发挥，测量系统和测量成本低等特点。

Description

一种相位调制器半波电压测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于光电子技术和微波光子学领域中针对相位调制器半波电压的测量系统及其测量方法，特别是一种针对高速相位调制器半波电压的测量系统及其测量方法。

技术背景

相位调制器在光通信、微波光子滤波器、ROF等领域有广泛的应用。电光相位调制器调制的基本原理是利用晶体或各向异性聚合物的电光效应，即通过改变晶体或异性聚合物的外加电压来使其折射率改变，从而改变通过光波的相位。相位调制器具有结构简单、插入损耗较低、无需外加偏置等优点。半波电压是相位调制器最重要的参数之一，其表征了相位调制器的调制效率等，然而半波电压是随相位调制器的调制频率变化的，因此、准确测量调制器各频率的半波电压、特别是准确测量高速调制器各频率的半波电压是了解其特性以及正确使用调制器的基础。相位调制器各个频率下半波电压的值一般是经实验测定，测定方法通常采用光谱分析法、即利用正弦信号对通过待测相位调制器的光波进行调制，并将相位调制器输出的光信号输入光谱分析仪进行分析，得到光波的边带和副载波相对强度，并且由此计算出相位调制器的半波电压。

光谱分析法中的carriernulling（载波抑制）法只适用于对较大幅度信号的调制，FSB/carrierintensity ratio（边带载波比）方法可应用于小幅度信号的调制(见文献Yongqiang Shi,LianshanYan,and Alan Eli Willner.High-Speed Electrooptic Modulator Characterization Using OpticalSpectrum Analysis.Journal of Lightwave Technology，Vol.21,No.10,October 2003.)。上述FSB/carrier intensity ratio法是通过待测相位调制器对由激光发生器输入的光波信号进行调制，然后将调制后的光波信号输入光谱分析仪、得到光波边带和副载波强度比I(ω₀+ω_m)/I(ω₀)，并且记录此时正弦调制信号的幅度值V_m；在小幅度信号近似的情况下可由下式得到半波电压：

$V_{\mathrm{\π}}\left(f\right)\≈\frac{\mathrm{\π}{V}_m}{2\sqrt{\frac{I({\mathrm{\ω}}_0\±{\mathrm{\ω}}_m)}{I\left({\mathrm{\ω}}_0\right)}}}$

式中V_π为所得半波电压，f为正弦波信号的频率,V_m为正弦波信号幅度值，ω₀及ω_m分别为基带和第一边带的频率，I(ω₀+ω_m)及I(ω₀)分别为第一边带和基带的强度值。

然而光谱分析法受制于现有光谱分析仪的分辨率，光谱分析法中光谱频率的分辨率为一般为1.25GHz（0.01nm）左右，因而上述光谱分析法存在测量频率的分辨率低、造成可测量的频率点少，可测频点之间的间隔大、所得半波电压的测量值少，造成某些需要测量的频率点的半波电压无法直接通过实验测得、只能用与其相邻可测频率点的半波电压或相邻两频率点半波电压的平均值代替，因而此类方法存在可测频率的分辨率低、适应性及测量的精度差，难以确保高速相位调制器使用性能的发挥并难以满足实际应用的要求，以及所用测量仪器的成本高等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，改进设计一种相位调制器半波电压测量系统及测量方法，以大幅度提高相同频段范围内测量的频率点数、且测量系统不需昂贵光谱分析仪，达到在有效提高测量频率的分辨率及测量精度的前提下，降低测量系统及测量成本等目的。

本发明的解决方案是采用微波信号发生器、光干涉仪、功率计、处理器、激光发生器及其偏振控制器组成测量系统；相位调制器半波电压测量方法是首先将待测的相位调制器输入端口及输出端口分别与测量系统中的微波信号发生器、偏振控制器及光干涉仪接通（连接）；再将激光发生器产生的激光信号经偏振控制器输入待测相位调制器、并调节偏振控制器以使待测相位调制器的输出功率为最大；然后经待测相位调制器输出端输入光干涉仪、调节其光程差，即先通过调节光干涉仪的臂长使光干涉仪输出的激光功率值达到最大值并存入处理器；再调节光干涉仪的臂长至光干涉仪输出的激光功率值达到最小值、以使光干涉仪处于滤除光波载波的工作状态，得到最小状态下干涉仪的光程差并将该光程差直接存入处理器待用；然后再通过微波信号发生器在相同频率下向待测相位调制器相继加载一组不同幅度值的微波调制信号、并将所加载的各幅度值直接输入处理器待用，同时将与所加载各幅度值时所得对应的功率值输入处理器，与存储待用的最大光功率值、光程差、幅度值一并进行综合处理，即得到待测相位调制器在该频率点的半波电压值；从而实现其发明目的。因而，本发明测量系统包括激光发生器和偏振控制器，微波信号发生器，以及待测相位调制器输出信号处理装置，关键在于待测相位调制器输出信号处理装置包括光干涉仪，功率计和处理器；微波信号发生器通过数据线与处理器的GPIB接口连接，光干涉仪的输出端口与功率计的输入端口通过光纤连接，功率计的输出端口则通过数据线与处理器的GPIB接口连接；使用时待测相位调制器的光信号输入端口与偏振控制器通过光纤连接、其射频接口通过电缆与微波信号发生器的输出端口连接，待测相位调制器的激光信号输出端口通过光纤与光干涉仪的输入端口连接。

所述光干涉仪为M-Z干涉仪或延时干涉仪。处理器包括单片机或计算机。

本发明相位调制器半波电压测量系统的测量方法包括：

步骤A.将待测相位调制器接入检测系统：待测相位调制器通过光输入端口与偏振控制器的输出端口连接、通过光输出端口与光干涉仪的输入端口连接、通过射频端口与微波信号发生器的射频输出端口连接，以备测量；

步骤B.检测系统工作参数的确定及工作状态的调整：

B₁.设定工作参数：设定待测相位调制器的检测频率、检测波长，并根据待测相位调制器技术参数（守册）中给出的半波电压的典型值设定微波调制信号的一组幅度值，然后将设定的检测频率和该组微波调制信号的幅度值输入处理器、待用；

B₂.利用偏振控制器调整激光信号的偏振态，至待测相位调制器输出端的激光功率为最大，以使激光发生器的偏振态与待测相位调制器的偏振态匹配；

B₃.获取光干涉仪的最大输出功率：调节光干涉仪的臂长使光干涉仪输出的激光功率值达到最大值，并将该最大值存入处理器、待用；

B₄.调整干涉仪的工作状态并获取其光程差：调节光干涉仪的臂长至光干涉仪输出的激光功率值达到最小值、以使光干涉仪处于滤除光波载波的工作状态，得到该状态下干涉仪的光程差并将该光程差直接存入处理器、待用；

步骤C.不同幅度微波信号调制下光功率值的测量与数据综合处理：

C₁.获取光干涉仪输出的光功率值：将步骤B₁设定的一组幅度值中各幅度值对应的微波信号依次加载到相位调制器上，分别得到各微波信号调制下光干涉仪输出的不同激光功率值，并将所得各激光功率值输入处理器、待用；

C₂.数据综合处理：通过处理器将输入待用的检测频率，光干涉仪输出的最大功率值，光干涉仪在滤除光波载波工作状态下的光程差，以及由步骤C₁所得不同幅度微波信号调制下各激光功率值进行综合处理，即得到待测相位调制器在所设检测频率下的半波电压；

步骤D.不同频率下半波电压的测量：调整检测频率重复步骤B和C即可对待测相位调制器在不同频率下的半波电压进行测量。

在步骤B₁中所述根据待测相位调制器技术参数（守册）中给出的半波电压的典型值设定微波调制信号的一组幅度值，该组幅度值的设定范围是以给出的半波电压的典型值为准、在小于或等于半波电压典型值的三分之一范围内设定；所述一组幅度值的个数为2-10个。在步骤C₂中数据综合处理的方式通过下式进行：

$V\left(f\right)=\frac{\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\α}}}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}\·f\·\mathrm{\Δ}}{c}\right),$

其中： $\mathrm{\α}=\frac{P/P_{\max }}{V^2}$

上述两式中：V(f)表示检测频率为f时的半波电压、α为斜率值、π为圆周率、Δ表示工作状态下延时干涉仪4的光程差、c为光速，V为设定的微波调制信号的一组幅度值，P为各微波调制信号调制下、光延时干涉仪对应输出的光功率值。

本发明由于采用微波信号发生器、光干涉仪、功率计、处理器、激光发生器及其偏振控制器组成测量系统；当待测的相位调制器接入该测量系统后、按本发明测量方法将先后测得各参数进行数据综合处理，从而得到待测相位调制器在各检测频率下的半波电压值。由于本发明方法测量频率的分辨率取决于微波信号发生器产生调制信号的分辨率，在频率分辨率上所受限制非常小，例如当采用HP8648微波信号发生器是、其可视频率分辨率可以达到10Hz(3×10^-9nm)，远较频率分辨率一般为1.25GHz(0.01nm)光谱分析法高出数百倍，且测量系统不需其它高速器件及光谱分析仪。因而，本发明测量频率的分辨率高，对同一相位调制器可测量的频率点及所得半波电压的测量值多、精度高，可确保高速相位调制器使用性能的发挥，以及测量系统及测量成本低等特点。

附图说明

图1为本发明相位调制器半波电压测量系统示意图。

图中：1.激光发生器，2.偏振控制器，3.微波信号发生器，4光干涉仪，5.功率计，6.处理器，7.待测相位调制器。

具体实施方式

本实施方式的测量系统中：激光发生器1采用HP8168F可调谐激光器，其波长可调谐范围为1480－1590nm，输出功率为-7dBm至7dBm（（0.1995mw—5.0119mW））；偏振控制器2型号为FPc030；微波信号发生器3型号为HP8648A，其信号频率为100KHz-1000MHz，最小显示频率分辨率为10Hz，输出功率范围为-136dBm至10dBm（2.5119×10^-14—10mW）；本实施方式光干涉仪采用Kylia公司生产的Mint-1×2延时干涉仪；光功率计4型号为AQ2140，波长探测范围为700－1700nm，功率范围为-73dBm—27dBm（5.0119×10^-8—199.53mW）；处理器6本实施方式采用常规台式计算机;整个测量系统中：激光发生器1的输出端口与偏振控制器2的输入端口之间、光干涉仪4的输出端口与光功率计5输入端口之间均通过光纤连接，微波信号发生器3的GPIB接口与处理器6的GPIB接口之间、光功率计5的GPIB接口与处理器6的GPIB接口之间均通过数据线连接；从而组成本实施方式相位调制器半波电压测量系统。

本实施方式所用待测相位调制器7为Photline的10GHz带宽的相位调制器，其工作波段范围为1530nm-1580nm、中心波长为1550nm、半波电压的典型值为5v、输入光功率小于20dBm。

本实施方式的测量方法为：

步骤A.首先将待测相位调制器7接于测量系统中，即：将待测相位调制器7的激光信号输入端口通过光纤与偏振控制器接通、以输入激光信号，待测相位调制器7的射频接口通过电缆与微波信号发生器3的输出端口连接、以接收调制信号，待测相位调制器7的激光信号输出端口通过光纤与光干涉仪4的输入端口连接、以输出调制后的光信号；

步骤B.检测系统工作参数的确定及工作状态的调整：

B₁.设定工作参数：设定对待测相位调制器7检测的频率f为1GHz、检测波长为1550nm，根据待测相位调制器7给出的半波电压典型值为5V、由此设定的微波调制信号的一组幅度值V的个数为4个、分别为V₁=0.5V、V₂=0.71V、V₃=1V和V₄=1.5V，然后将设定的检测频率f＝1GHz和该组微波调制信号的幅度值V₁-V₄输入计算机6、待用；

B₂.利用偏振控制器2调整激光信号的偏振态、至待测相位调制器7输出端的激光功率最大，以使激光发生器1的偏振态与待测相位调制器7的偏振态匹配；

B₃.调节光延时干涉仪4的臂长使光延时干涉仪输出的激光功率值达到最大值，此时光延时干涉仪4输出激光的最大功率值P_max为1.8810mW，将该最大值P_max＝1.8810mW存入计算机6、待用；

B₄.调整光延时干涉仪4的工作状态并获取其光程差：调节光延时干涉仪4的臂长至光延时干涉仪4输出的激光功率值达到最小值、以使光延时干涉仪4处于滤除光波载波的工作状态，得到该状态下光延时干涉仪4的光程差Δ为15mm，并将该光程差Δ=15mm直接存入计算机6、待用；

步骤C.不同幅度微波信号调制下光功率值的测量与数据综合处理：

C₁.获取光延时干涉仪4输出的光功率值：将步骤B₁设定的各幅度值V₁-V₄所对应的微波调制信号经微波信号发生器3依次加载到待测相位调制器7上，得到各微波调制信号调制下、光延时干涉仪4输出的光功率值P分别为P₁=0.0023mW，P₂=0.0046mW，P₃=0.0089mW，P₄=0.0187mW，并将该组光功率值P₁-P₄输入计算机6、待用；

C₂.数据综合处理：通过计算机6将输入待用的检测频率f、光延时干涉仪4输出最大功率值P_max，光延时干涉仪4在滤除光波载波工作状态下的光程差Δ、4个幅度值V₁-V₄及其对应的光功率值P₁-P₄进行综合处理，得到待测相位调制器7在检测频率为1GHz时的半波电压值为5.3V；

本实施方式数据综合处理方法为：首先获得到P₁/P_max、P₂/P_max、P₃/P_max、P₄/P_max和V₁ ²、V₂ ²、V₃ ²、V₄ ²的值，然后以幅度值的平方为横坐标，以与各对应幅度值的延时干涉仪输出功率值与最大输出功率值比值为纵坐标，通过最小二乘法拟合得到P₁/P_max、P₂/P_max、P₃/P_max、P₄/P_max和V₁ ²、V₂ ²、V₃ ²、V₄ ²的线性关系的斜率值（一次关系直线的斜率）α为0.0043，最后通过下式处理：

$V\left(f\right)=\frac{\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\α}}}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}\·f\·\mathrm{\Δ}}{c}\right),$

其中： $\mathrm{\α}=\frac{P/P_{\max }}{V^2}$

得到待测Photline相位调制器在1GHz检测频率下得半波电压值为5.3V；在上述两式中：V(f)表示检测频率为f时的半波电压、α表示斜率值、π表示圆周率、Δ表示工作状态下延时干涉仪4的光程差、c表示光速，V为设定的微波调制信号的一组幅度值（本实施方式中的V₁、V₂、V₃、V₄），P为各微波调制信号调制下、光延时干涉仪对应输出的光功率值（本实施方式中的P₁、P₂、P₃、P₄）；

步骤D.本实施方式按每5MHz为间隔、向下调整下一半波电压的检测频率，重复步骤B和C以测量相位调制器在相应频率下的半波电压，即可得到待测Photline相位调制器其余198个半波电压值。

Claims (6)

1.一种相位调制器半波电压测量系统，包括激光发生器和偏振控制器，微波信号发生器，以及待测相位调制器输出信号处理装置，其特征在于待测相位调制器输出信号处理装置包括光干涉仪，功率计和处理器；微波信号发生器通过数据线与处理器的GPIB接口连接，光干涉仪的输出端口与功率计的输入端口通过光纤连接，功率计的输出端口则通过数据线与处理器的GPIB接口连接；使用时待测相位调制器的光信号输入端口与偏振控制器通过光纤连接、其射频接口通过电缆与微波信号发生器的输出端口连接，待测相位调制器的激光信号输出端口通过光纤与光干涉仪的输入端口连接。

2.按权利要求1所述相位调制器半波电压测量系统，其特征在于所述光干涉仪为M-Z干涉仪或延时干涉仪。

3.按权利要求1所述相位调制器半波电压测量系统，其特征在于所述处理器包括单片机或计算机。

4.按权利要求1所述相位调制器半波电压测量系统的测量方法包括：

步骤A.将待测相位调制器接入检测系统：待测相位调制器通过光输入端口与偏振控制器的输出端口连接、通过光输出端口与光干涉仪的输入端口连接、通过射频端口与微波信号发生器的射频输出端口连接，以备测量；

步骤B.检测系统工作参数的确定及工作状态的调整：

B₁.设定工作参数：设定待测相位调制器的检测频率、检测波长，并根据待测相位调制器技术参数中给出的半波电压的典型值设定微波信号的一组幅度值，然后将设定的检测频率和一组微波信号的幅度值输入处理器、待用；

B₂.利用偏振控制器调整激光信号的偏振态，至待测相位调制器输出端的激光功率为最大，以使激光发生器的偏振态与待测相位调制器的偏振态匹配；

B₃.获取光干涉仪的最大输出功率：调节光干涉仪的臂长使光干涉仪输出的激光功率值达到最大值，并将该最大值存入处理器、待用；

B₄.调整干涉仪的工作状态并获取其光程差：调节光干涉仪的臂长至光干涉仪输出的激光功率值达到最小值、以使光干涉仪处于滤除光波载波的工作状态，得到该状态下干涉仪的光程差并将该光程差直接存入处理器、待用；

步骤C.不同幅度微波信号调制下光功率值的测量与数据综合处理：

C₁.获取光干涉仪输出的光功率值：将步骤B₁设定的一组幅度值中各幅度值对应的微波信号依次加载到相位调制器上，分别得到各微波信号调制下光干涉仪输出的不同激光功率值，并将所得各激光功率值输入处理器、待用；

C₂.数据综合处理：通过处理器将输入待用的检测频率，光干涉仪输出的最大功率值，光干涉仪在滤除光波载波工作状态下的光程差，以及由步骤C₁所得不同幅度微波信号调制下各激光功率值进行综合处理，即得到待测相位调制器在所设检测频率下的半波电压；

步骤D.不同频率下半波电压的测量：调整检测频率重复步骤B和C即可对待测相位调制器在不同频率下的半波电压进行测量。

5.按权利要求4所述测量方法，其特征在于在步骤B₁中所述根据待测相位调制器半波电压的典型值设定微波调制信号的一组幅度值，该组幅度值的设定范围是以给出的半波电压的典型值为准、在小于或等于半波电压典型值的三分之一范围内设定；所述一组幅度值的个数为2-10个。

6.按权利要求4所述测量方法，其特征在于在步骤C₂中所述数据综合处理的方式通过下式进行，其中光干涉仪采用延时干涉仪：

$V\left(f\right)=\frac{\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\α}}}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}\·f\·\mathrm{\Δ}}{c}\right),$

其中： $\mathrm{\α}=\frac{P/P_{\max }}{V^2}$

上述两式中：V(f)表示检测频率为f时的半波电压、α为斜率值、π为圆周率、Δ表示工作状态下延时干涉仪(4)的光程差、c为光速，V为设定的微波调制信号的一组幅度值，P为各微波调制信号调制下、光延时干涉仪对应输出的光功率值。