CN103645371A - 一种测量电光相位调制器半波电压的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量电光相位调制器半波电压的装置和方法，包括依次连接的可调谐激光器、第一光耦合器、偏振控制器、待测电光相位调制器、第二光耦合器、光电探测器、频谱分析仪，还包括微波信号源和声光移频器。本发明采用可调谐激光器输出光载波通过第一光耦合器分成两束，分别经过声光移频器和待测电光相位调制器处理，再经第二光耦合器合束，实现稳定的拍频，并通过载波拍频和边带拍频的幅度对比获得电光相位调制器的半波电压，具有分辨率高、精度高、准确性好、结构简单、操作方便的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及光纤通信技术和光电信号处理技术领域，具体是一种测量电光相位调制器半波电压的装置和方法。
背景技术
随着数字光通信的发展，电光调制器在光通信中对信号处理的理论研究和实际应用都有十分重要的地位。电光相位调制器是光传输和光信号处理系统中的基本器件之一，随着光纤通信系统的发展越来越成熟，对于精确测量各调制频率下的电光相位调制器的特性参数也越来越重要，半波电压是电光相位调制器特性参数之一。随着技术的发展，电光相位调制器半波电压的测量方法得到很大的发展和改进，但高精度和高分辨率的电光相位调制器半波电压测量方法仍需进一步的研究和改进。
目前测量电光相位调制器半波电压的方法有：光谱分析法(Y. Shi, L. Yan and A. E. Willner. High-speed electrooptic modulator characterization using optical spectrum analysis[J]. Journal of Lightwave Technology, 2003, 21(10): 2358-2367.)、FM-IM转换法(S. J. Zhang, X. X. Zhang, Y. Liu. Swept frequency measurement of electrooptic phase modulators using dispersive fibers[J]. Chinese Physics Letters, 2012, 29(8):84217-84219.)和光外差法 (R. E. Tench, J.-M. P. Delavaux, L. D. Tzeng, R. W. Smith, L. L. Buhl and R. C. Alferness. Performance evaluation of waveguide phase modulators for coherent systems at 1.3 and 1.5μm[J]. Journal of Lightwave Technology, 1987, 5(4):459-501.)，其中，光谱分析法的分辨率受到光谱分析仪的分辨率限制，目前商用的光谱仪的分辨率为0.01nm，对应频率分辨率为1.25GHz左右，这造成频率分辨率低、可测量的频点少、测量精度较低的困难，以及测量仪器成本高的缺陷；FM-IM转换法利用光纤色散效应将相位调制信号转换为强度调制信号，通过频谱分析仪测量电光相位调制器的半波电压，提高了测量精度，由于色散累计作用与调制频率的平方成正比，在低频段，色散效应导致的相位调制到强度调制转换作用不明显，使得低频段信号信噪比差，影响测量精度；结合光外差的频谱分析方法在测量电光相位调制器半波电压时，为了精确测量电光相位调制器半波电压和避免相位调制信号在光电探测器上无法检测,使用双激光器和复杂的拍频方法,使测量系统相对复杂与不稳定，达不到精确测量电光相位调制器半波电压的目的，仍存在许多技术难题。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种测量电光相位调制器半波电压的装置和方法，达到简化测量过程并提高测量精度的目的。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种测量电光相位调制器半波电压的装置，包括依次连接的可调谐激光器、第一光耦合器、偏振控制器、待测电光相位调制器、第二光耦合器、光电探测器、频谱分析仪，还包括微波信号源和声光移频器，所述微波信号源与待测电光相位调制器连接，所述声光移频器一端与偏振控制器共同连接到第一光耦合器，另一端与待测电光相位调制器共同连接到第二光耦合器。
对上述方案作进一步优选，所述可调谐激光器为波长可调谐的半导体激光器或光纤激光器。
本发明还提供一种采用了上述装置的测量电光相位调制器半波电压的方法，该方法包括以下步骤：
S1：所述可调谐激光器输出光载波通过第一光耦合器分成两束，一束光载波经偏振控制器输入到待测电光相位调制器中并被由微波信号源输出的正弦微波信号调制，另一束光载波经过声光移频器进行移频处理，这两束经过处理的光载波通过第二光耦合器耦合之后再进入光电探测器，光电探测器输出电信号给频谱分析仪进行分析、测量；
S2：调节可调谐激光器输出的光载波频率为ω 0，声光移频器的移频频率为ω f ，微波信号源的调制频率为ω m ，在频谱分析仪上，观测由可调谐激光器1的中心载波以及其k(k=±1, ±2, ±3,…)阶调制边带来分别与声光移频器输出频率为ω 0±ω f 移频光载波进行拍频的拍频信号，拍频信号的频率为ω f 、kω m ±ω f ；
S3：设定一个k值，记录频谱分析仪中频率为kω m +ω f 的信号幅度A k 和频率为ω f 的信号幅度A f ，引入频率为kω m +ω f 的响应度R k 和频率为ω f 的响应度R f ，通过求解方程：
得出待测电光相位调制器的调制系数m；
S4：将微波信号源与频谱分析仪电路连接，在频谱分析仪上观测并记录微波信号源输出的频率为ω m 的调制信号的信号幅度V m ,并利用公式：
求出待测电光相位调制器的半波电压V π (ω m )；
S5：改变可调谐激光器的光载波频率ω 0或微波信号源的调制频率ω m ，依次重复执行步骤S2、S3、S4，得到待测电光相位调制器对应于光载波频率ω 0或调制频率ω m 的半波电压。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1. 本发明采用了一个激光器发出的一束稳定激光束通过一个光耦合器分成两光束，分别经过声光移频器和电光相位调制器的处理后再经过另一个光耦合器合束，从而实现稳定的拍频，解决了相位调制信号在光电探测器上无法直接检测的问题，同时避免了FM-IM的复杂转换过程。
2. 本发明通过载波拍频和边带拍频的幅度对比，获得电光相位调制器的半波电压，使微波信号源功率起伏对半波电压的测试结果没有影响。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明一种测量电光相位调制器半波电压的装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例中在频谱分析仪上测量得到的一组幅度值示意图；
图3为本发明一实施列中测量得到的电光相位调制器调制系数m(ω m )与调制频率ω m 的关系曲线图；
图4为本发明一实施列中测量得到的电光相位调制器半波电压V π (ω m )与调制频率ω m 的关系曲线图。
其中，图1中：1为可调谐激光器；2为第一光耦合器；3为偏振控制器；4为待测电光相位调制器；5为微波信号源；6为声光移频器；7为第二光耦合器；8为光电探测器；9为频谱分析仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示为本发明一种测量电光相位调制器半波电压的装置的结构示意图，该装置包括依次连接的可调谐激光器1、第一光耦合器2、偏振控制器3、待测电光相位调制器4、第二光耦合器7、光电探测器8、频谱分析仪9，还包括微波信号源5和声光移频器6，所述微波信号源5与待测电光相位调制器4连接，所述声光移频器6一端与偏振控制器3共同连接到第一光耦合器2，另一端与待测电光相位调制器4共同连接到第二光耦合器7。
对上述具体实施方式作进一步优选，所述的可调谐激光器1为波长可调谐的半导体激光器或光纤激光器。
一种采用了上述装置的测量电光相位调制器半波电压的方法，该方法的步骤如下：
可调谐激光器1输出的光载波经过第一光耦合器2分成两束光，一束光载波在待测电光相位调制器4中被由微波信号源5输出的调制频率为ω m 的正弦微波信号调制后输出光信号。
其中，上述可调谐激光器1输出的光载波为：
式中E 0是光载波的振幅，ω 0是光载波的角频率。
上述经过调制频率为ω m 的正弦微波信号调制后输出的光信号为：
其中，调制系数m=πV m /V π ，V m 为微波信号源5输出正弦微波信号的信号幅度值。
第一光耦合器2输出的另一束光载波经过声光移频器6移频ω f 后得到的光信号为：
上述得到的两束光信号通过第二光耦合器7耦合后在光电探测器8上拍频形成的光电流为：
其中R是光电探测器8对应不同频率的响应度。
把(2)式和(3)式代入(4)式整理得到：
将(5)式由贝塞尔函数展开：
(6)
将(6)式化简、整理得到：
其中J n (m)为n阶第一类贝塞尔函数。
在(7)式中，拍频信号nω m ±ω f 所对应的电信号幅度为：
因此频率为nω m ±ω f 的电信号幅度与对应频率的光电探测器响应度R和J n (m)有关，
采用边带对比测量的方法，设定一个k (k=±1, ±2, ±3,…)值，记录频谱分析仪9中的频率为kω m +ω f 的电信号幅度A k 和频率为ω f 的电信号幅度A f ，从光电探测器数据手册中，查找频率为kω m +ω f 的响应度R k 和频率为ω f 的响应度R f ，通过求解以下方程：
得到待测电光相位调制器4的调制系数m。
将微波信号源5与频谱分析仪9直接电路相连，观测并记录频率为ω m 的调制信号的信号幅度V m ，再通过式子V π = πV m /m，求出待测电光相位调制器4的半波电压V π (ω m )。
改变可调谐激光器1的光载波频率ω 0或微波信号源5的调制频率ω m ，重复测试，得到待测电光相位调制器4对应于光载波频率ω 0或调制频率ω m 的半波电压。
实施例
调节可调谐激光器1输出的光载波频率ω 0=193.1THz，声光移频器6移频的频率ω f =70MHz，设置微波信号源5的调制频率ω m =500MHz，观测由可调谐激光器1中心载波以及其k(k=±1, ±2, ±3,…)阶调制边带分别与声光移频器6输出频率为193.1THz±70MHz移频光载波的拍频信号，拍频信号的频率为70MHz、k×500MHz±70MHz。
图2为本实施例中利用本发明测量电光相位调制器半波电压的方法得到的调制频率ω m =500MHz时，频谱分析仪9上测量得到的一组频率70MHz、500MHz-70MHz、500MHz+70MHz、2×500MHz-70MHz 、2×500MHz+70MHz的幅度值。
设k=1，记录频谱分析仪9中的频率为500MHz+70MHz的信号幅度A 1 =0.07和频率为70MHz的信号幅度A f =0.25，从光电探测器数据手册中，查找频率为500MHz+70MHz的响应度R 1 =0.9和频率为70MHz的响应度R f =1，从通过求解以下方程求得电光相位调制器的调制系数m=0.59，
将微波信号源5与频谱分析仪8直接相连，观测并记录频率500MHz的调制信号的信号幅度V m =0.98V, 再通过V π = πV m /m，求出待测电光相位调制器4的半波电压V π (ω m )=5.2V。
改变微波信号源5输出信号的调制频率ω m ，对于每一个频率重复以上测量，获得一系列调制频率下待测电光相位调制器4的调制系数和半波电压。
图3为本实施例中利用本发明测量电光相位调制器半波电压的方法得到的待测电光相位调制器4的调制系数m(ω m )与调制频率ω m 的关系曲线图。
图4为本实施例中利用本发明测量电光相位调制器半波电压的方法得到待测电光相位调制器4的半波电压V π (ω m )与调制频率ω m 的关系曲线图。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明可扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (3)
1.一种测量电光相位调制器半波电压的装置，其特征在于：包括依次连接的可调谐激光器（1）、第一光耦合器（2）、偏振控制器（3）、待测电光相位调制器（4）、第二光耦合器（7）、光电探测器（8）、频谱分析仪（9），还包括微波信号源（5）和声光移频器（6），所述微波信号源（5）与待测电光相位调制器（4）连接，所述声光移频器（6）一端与偏振控制器（3）共同连接到第一光耦合器（2），另一端与待测电光相位调制器（4）共同连接到第二光耦合器（7）。
2.根据权利要求1所述的一种测量电光相位调制器半波电压的装置，其特征在于：所述可调谐激光器（1）为波长可调谐的半导体激光器或光纤激光器。
3.一种采用了上述装置的测量电光相位调制器半波电压的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：所述可调谐激光器（1）输出光载波通过第一光耦合器（2）分成两束，一束光载波经偏振控制器（3）输入到待测电光相位调制器（4）中并被由微波信号源（5）输出的正弦微波信号调制，另一束光载波经过声光移频器（6）进行移频处理，这两束经过处理的光载波通过第二光耦合器（7）耦合之后再进入光电探测器（8），光电探测器（8）输出电信号给频谱分析仪（9）进行分析、测量；
S2：调节可调谐激光器（1）输出的光载波频率为ω 0，声光移频器（6）的移频频率为ω f ，微波信号源（5）的调制频率为ω m ，在频谱分析仪（9）上，观测由可调谐激光器（1）的中心载波以及其k(k=±1, ±2, ±3,…)阶调制边带来分别与声光移频器（6）输出频率为ω 0±ω f 移频光载波进行拍频的拍频信号，拍频信号的频率为ω f 、kω m ±ω f ；
S3：设定一个k值，记录频谱分析仪（9）中频率为kω m +ω f 的信号幅度A k 和频率为ω f 的信号幅度A f ，引入频率为kω m +ω f 的响应度R k 和频率为ω f 的响应度R f ，通过求解方程：
得出待测电光相位调制器（4）的调制系数m；
S4：将微波信号源（5）与频谱分析仪（9）电路连接，在频谱分析仪（9）上观测并记录微波信号源（5）输出的频率为ω m 的调制信号的信号幅度V m ,并利用公式：
求出待测电光相位调制器（4）的半波电压V π (ω m )；
S5：改变可调谐激光器（1）的光载波频率ω 0或微波信号源（5）的调制频率ω m ，依次重复执行步骤S2、S3、S4，得到待测电光相位调制器（4）对应于光载波频率ω 0或调制频率ω m 的半波电压。
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