CN103398736A - 光电探测器频率响应的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电探测器频率响应的测量系统，包括：一光脉冲发生器；一可编程光滤波器；一色散光纤；一待测光电探测器；一采样示波器；一计算机。该系统利用光脉冲发生器产生宽谱光脉冲信号，通过滤波整形及色散，实现波形从频域到时域的转换，形成线性啁啾光信号，该光信号包含一系列等幅但频率随时间线性变化的光脉冲，输入待测光电探测器响应后通过采样示波器即可显示出其频率响应。该系统不需要矢量网络分析仪进行频谱扫描，具有成本低、结构简单、测量速度快、测量带宽大等优点。

Description

光电探测器频率响应的测量系统

技术领域

本发明涉及光电仪器测量技术领域，尤其涉及一种光电探测器频率响应的测量系统。

背景技术

随着Internet技术的迅速普及，人们对信息量的需求呈现爆炸式的增长。在高速率、大容量的信息网络体系中，光纤通信技术以它在带宽和传输距离方面所具有独特的、无可比拟的优势，成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。光电探测器是光纤通信系统中的关键器件，提高光电探测器频率响应特性的测试水平对光纤通信系统的设计与应用非常重要。目前，光电探测器频率响应的测量方法主要有以下几种：

(1)网络分析仪频率扫描法。该方法原理简单、快速直观，但需要一个已知频响特性的光发射器或探测器作为参考，且整台测试设备价格不菲，测试带宽越高，价格越贵；

(2)光外差法。该方法通过两束光波拍频能产生较高频率的微波扫频信号，但不足在于要求两束光波具有一定的匹配性，所以激光器相位噪声、光谱宽度、中心频率的变化，都将影响微波信号的纯度和稳定性；

(3)自发辐射拍频法。即强度噪声技术，简便迅捷、测量范围宽，其主要问题是测试动态范围小，信噪比不高；

(4)时域法。该方法可以直接观察测量波形，简单直观，但需要带宽至少为被测光电探测器带宽3～5倍的标准光源，如需要测量带宽为40GHz的光电探测器，就要求激光器的带宽达到120GHz以上，这显然难以实现。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种光电探测器频率响应的测量系统，以能够快速直观地获取光电探测器的频率响应。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种光电探测器频率响应的测量系统，包括：一光脉冲发生器，用于产生宽谱的光脉冲信号；一可编程光滤波器，对输入光脉冲信号的光谱进行处理，其输入端与光脉冲发生器的输出端相连接；一色散光纤，使整形后的光脉冲信号在传输中产生色散，各频率成分在时间上分离，从而实现波形从频域到时域的转换，其一端与可编程光滤波器的输出端相连接；一待测光电探测器，其输入端与色散光纤的另一端相连接；一采样示波器，对探测器响应后的波形采样示波，其输入端与待测光电探测器的输出端相连接，其时钟端口与光脉冲发生器的时钟端口相连接；一计算机，与可编程光滤波器相连接，用于控制可编程光滤波器的滤波特性。其中所述的光脉冲发生器输出的光信号波长范围与可编程光滤波器的可操作波长范围相匹配。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明光电探测器频率响应的测量系统，成本低，测量速度快；可以产生频带很宽的微波扫描信号；直接用采样示波器就可以读出频率响应，直观明了。

附图说明

图1为本发明实施例光电探测器频率响应测量系统的结构示意图；

图2为图1所示可编程光滤波器输出光脉冲信号的光谱图；

图3为输入到图1所示待测光电探测器中的线性啁啾光信号示意图；

图4为图1所示采样示波器显示待测光电探测器频率响应波形示意图；

图5为测算待测光电探测器带宽示意图。

【本发明主要元件符号说明】

1-光脉冲发生器；    2-可编程光滤波器；

3-色散光纤；        4-待测光电探测器；

5-采样示波器；      6-控制单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明提供了一种光电探测器频率响应的测量系统。该系统是利用光脉冲发生器产生宽谱光脉冲信号，通过滤波整形及色散，实现波形从频域到时域的转换，形成线性啁啾光信号，该光信号包含一系列等幅但频率随时间线性变化的光脉冲，输入待测光电探测器响应后通过采样示波器即可显示出其频率响应，具有成本低、测量速度快的优势。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种测量光电探测器频率响应的系统。请参照图1，该系统包括：光脉冲发生器1，用于产生光脉冲信号；控制单元3，连接至可编程光滤波器2的控制端，用于调制其传输特性；可编程光滤波器2，其输入端与光脉冲发生器的输出端相连接，用于在控制单元3的控制下对输入的光脉冲信号进行滤波，输出其光谱图具有等幅啁啾特性的光信号；色散光纤3，其一端与可编程光滤波器2的输出端相连接，另一端与待测光电探测器4相连接，用于通过色散效应，将该光谱图具有等幅啁啾特性的光信号转换到时域，并将其输入至待测光电探测器4；以及采样示波器5，其输入端与待测光电探测器4的输出端相连接，其时钟端口与光脉冲发生器的时钟端口相连接，该采样示波器显示的波形峰值包络线即为待测光电探测器的频率响应曲线。

以下分别对本实施例测量光电探测器频率响应的系统的各个组成部分进行详细说明。

光脉冲发生器1输出光脉冲的光谱范围(λ₁～λ₂，对应角频率为ω₁～ω₂)应当处于可编程光滤波器2的可操作波长范围内。并且，输出光脉冲的重复周期大于光脉冲信号在色散光纤3中的最大传输时延τ_max，以保证上一个光脉冲信号经过色散光纤延时后不与下一个光脉冲信号发生重叠。光脉冲信号在色散光纤3中的最大传输时延：

τ_max＝DLω₂                (1)

其中，D，L分别为色散光纤的色散系数和长度。

可编程光滤波器2的输入端与光脉冲发生器1的输出端通过光纤相连接，其输出端与色散光纤相连接。

本实施例中，控制单元为计算机，其通过USB数据线与可编程滤波器2相连接。通过计算机编程使得可编程滤波器2的传输特性为：

H(ω)＝r(ω)cos(D₁ω²/2)              (2)

其中r(ω)表示可编程光滤波器2的光强度响应，D₁为由控制单元决定的常数，ω为角频率。光谱为G(ω)的光脉冲信号经过可编程光滤波器2滤波整形后的光谱为：

S(ω)＝G(ω)r(ω)cos(D₁ω²/2)           (3)

其中，通过控制r(ω)使得G(ω)r(ω)乘积近似为一常数C₀，从而使得光脉冲信号光谱图具有如图2所示的等幅啁啾特性。

色散光纤3通过色散效应，将滤波整形后的信号光谱转换到时域上。由色散光纤输出的等幅啁啾光信号为：

S[t/(DL)]＝C₀cos[D₁t²/(2D²L²)]       (t＝ωDL)        (4)

该光信号为一系列等幅且频率随时间由低频到高频线性变化的光脉冲，其相位φ＝D₁t²/(2D²L²)，因此该光信号频率为：

f_RF＝1/(2π)dφ/dt＝D₁t/(2πD²L²)            (5)

可知频率与时间成线性关系，继而得到了如图3所示的线性啁啾光信号。在输入信号光波长范围内，色散光纤3的色散系数D为一确定值。本领域技术人员应当可以根据需要对该色散光纤3的长度L和色散系数D以及控制单元常数D₁进行选择。例如，需要测量小于40G带宽的光电探测器，则需要设计频率在0～40GHz(或更大)范围内线性变化的啁啾光信号，所选择的色散光纤3的长度L、色散系数D以及D₁满足：D₁/(DL)≤1/20，即可得到在时间≥100ps内频率在0～40GHz范围内线性变化的啁啾光信号。

采样示波器的带宽大于待测光电探测器的带宽。采样示波器与待测光电探测器之间的连接、与光脉冲发生器之间的连接，均是采用标准的射频连接线。

该线性啁啾光信号经过待测光电探测器响应后转换为线性啁啾微波信号，并输入到采样示波器中，显示得到的波形如图4所示，波形峰值包络线即为待测光电探测器4的频率响应曲线。

如图5所示，记录包络线波形幅值下降到初始幅值0.707倍时对应的时间点t₀，根据微波信号频率与时间的线性关系，得到待测光电探测器的带宽为：

B₀＝D₁t₀/(2πD²L²)            (6)

至此，已经结合附图对本实施例光电探测器频率响应测量系统进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明光电探测器频率响应测量系统有了清楚的认识。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光电探测器频率响应的测量系统，包括：

光脉冲发生器，用于产生光脉冲信号；

控制单元，连接至可编程光滤波器的控制端，用于调制其传输特性；

所述可编程光滤波器，其输入端与所述光脉冲发生器的输出端相连接，用于在所述控制单元的控制下对输入的光脉冲信号进行滤波，输出其光谱图具有等幅啁啾特性的光信号；

色散光纤，其一端与所述可编程光滤波器的输出端相连接，另一端与待测光电探测器相连接，用于通过色散效应，将该光谱图具有等幅啁啾特性的光信号转换到时域，并将其输入至所述待测光电探测器；

采样示波器，其输入端与所述待测光电探测器的输出端相连接，其时钟端口与所述光脉冲发生器的时钟端口相连接，该采样示波器显示的波形峰值包络线即为所述待测光电探测器的频率响应曲线。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述可编程滤波器输出的具有等幅啁啾特性的光信号为：

S(ω)＝G(ω)r(ω)cos(D₁ω²/2)

其中，G(ω)为光脉冲发生器产生的光脉冲信号的光谱；D₁为由控制单元决定的一常数，ω为角频率；r(ω)为可编程光滤波器的光强度响应；

所述控制单元通过控制所述可编程滤波器的光强度响应r(ω)，使G(ω)r(ω)乘积近似为一常数C₀。

3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述待测光电探测器的带宽为：

B₀＝D₁t₀/(2πD²L²)

其中，D，L分别为色散光纤的色散系数和长度，t₀为采样示波器显示的波形峰值包络线波形幅值下降到初始幅值0.707倍时对应的时间点。

4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光脉冲发生器输出光脉冲信号满足：

其光谱范围处于所述可编程光滤波器的可操作波长范围内；

其重复周期大于光脉冲信号在色散光纤中的最大传输时延τ_max＝DLω₂，其中，D，L分别为色散光纤的色散系数和长度。

5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述色散光纤在输入的具有等幅啁啾特性的光信号的频谱范围内，其色散系数为定值。

6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述采样示波器的带宽大于待测光电探测器的带宽。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的测量系统，其特征在于，所述控制单元为计算机；该计算机与所述可编程光滤波器采用USB连接线连接。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的测量系统，其特征在于：

所述光脉冲发生器与可编程光滤波器之间采用单模光纤连接；

所述采样示波器与待测光电探测器与之间、与光脉冲发生器之间均采用射频连接线连接。

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