CN103837188A - 一种光电探测器频率响应测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电探测器频率响应测量装置及其测量方法，属于光电子技术领域。本发明避免了现有技术中传统方法复杂的校准过程，测量装置包括半导体激光器、偏振控制器、电光调制器、微波信号源、波长可调谐激光器、光耦合器、待测光电探测器、频谱分析仪；所述半导体激光器、偏振控制器、电光调制器、光耦合器与待测光电探测器之间依次光路连接，所述波长可调谐激光器光路连接电光调制器；所述微波信号源与电光调制器之间为电路连接；所述待测光电探测器与频谱分析仪之间为电路连接。本发明具有测量准确度高、操作简单的优点。

Description

一种光电探测器频率响应测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及到光纤通信技术和光电信号处理技术，具体涉及一种光电探测器频率响应测量装置及其测量方法。

技术背景

随着数字光通信的发展，对快速光波的测量无论是在理论研究和实际应用上都变的十分重要。高速探测器是光传输和光信号处理系统中的基本元件，随着光纤通信系统的数据传输和处理速度越来越高，对于精确测量带宽光电探测器频率响应也变的很难。

当前，测量光电探测器频率响应的方法有：扫频法(见文献王松,黄永清,任晓敏,颜强,扫频法精确测量高速光调制器频率响应,红外与激光工程.2009(006):1020-1024.)、脉冲频谱分析法(Shao,Y.and R.L.Gallawa,Fiberbandwidth measurement using pulse spectrum analysis,Applied optics.1986,25(7):1069-1071.)、干涉频率调制边带谱分析法(Eichen,E.and A.Silletti,Bandwidthmeasurements of ultrahigh-frequency optical detectors using the interferometric FMsideband technique,IEEE J.Lightwave Technol.1987,5(10):1377-1381.)和光外差法(伞海生,温继敏,刘戬,谢亮,祝宁华,基于光外差技术的超宽带频率响应测量系统,光学学报.2005,25(11):1498-1500.)。前面三种方法都存在一定的局限性，将越来越难以满足频率响应测试带宽的要求。而利用光源的相干特性测量带宽的技术——光外差宽带频率响应测量法已经被证明是一种准确可靠和行之有效的方法。然而，在现有所提到的光外差法中对于参与拍频的两束光频率和输出功率的稳定性要求十分苛刻，对此也有很多的校准方法(王睿,苗昂,王松,黄永清,光外差法测量光探测器频率响应的系统校准,光电子激光.2008,19(9):1220-1222.)，但这样不仅增加了系统的复杂度，同样也使得数据处理变的更难。

在光外差法中，也有采用调制光波与另外一束光进行光外差的方法，但都只是单纯的将所拍频信号作为探测器频率响应(Tan,T.S.,R.L.Jungerman,and S.S.Elliott,Optical receiver and modulator frequency response measurement with a Nd:YAG ring laser heterodyne technique,IEEE Trans.Microwave Theory Tech..1989,37(8):1217-1222.；Yoshioka,M.,S.Sato,and T.Kikuchi,A method for measuringthe frequency response of photodetector modules using twice-modulated light,IEEEJ.Lightwave Technol.2005,23(6):2112-2117.；Lam,A.K.M.,M.Fairburn,and N.A.F.Jaeger,Wide-band electrooptic intensity modulator frequency response measurementusing an optical heterodyne down-conversion technique,IEEE Trans.MicrowaveTheory Tech..2006,54(1):240-246.)，往往将电光调制器频响忽略，或者进行复杂的校准，以便去除电光调制器的频率响应。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种能简化测量过程并能提高测量精度的光电探测器频率响应测量装置及其测量方法，旨在解决现有测量光电探测器频率响应的测量装置及其测量方法复杂的校准过程，以数据处理困难的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种光电探测器频率响应测量装置，其特征在于，包括半导体激光器1、偏振控制器2、电光调制器3、微波信号源4、波长可调谐激光器5、光耦合器6、待测光电探测器7、频谱分析仪8；

所述半导体激光器1、偏振控制器2、电光调制器3、光耦合器6与待测光电探测器7之间依次光路连接，所述波长可调谐激光器5光路连接电光调制器3；

所述微波信号源4与电光调制器3之间为电路连接；

所述待测光电探测器7与频谱分析仪8之间为电路连接。

上述方案中，所述波长可调谐激光器5为半导体波长可调谐激光器或为光纤波长可调谐激光器。

上述方案中，所述电光调制器3为电光强度调制器或为电光相位调制器。

本发明还提供了一种采用权利要求1的光电探测器频率响应测量装置的频率响应测量方法，其特征在于，包括以下步骤，

①半导体激光器1输出的光波经偏振控制器2输入到电光调制器3，由微波信号源4输出的微波信号经由电光调制器3调制到光载波上，调制后的光信号与波长可调谐激光器输出的光信号通过光耦合器入射到待测光电探测器，待测光电探测器的输出信号进入频谱分析仪中进行测量。

②使半导体激光器输出光波的频率为ω₁，使波长可调谐激光器输出光波的频率为ω₂，ω₁>ω₂，使微波信号的调制频率为ω_m；在频谱分析仪上，将会观测到半导体激光器中心载波、-1阶微波调制边带、+1阶微波调制边带分别与波长可调谐激光器5中心载波的拍频信号，三个拍频信号的频率分别为ω₁-ω₂、ω₁-ω₂+ω_m和ω₁-ω₂-ω_m，并且ω₁-ω₂>ω_m，测量频率为ω₁-ω₂+ω_m和频率为ω₁-ω₂-ω_m的拍频信号的幅度之比，此即待测光电探测器在两个频点的频率响应之比，通过改变微波调制频率ω_m或者波长可调谐激光器输出光波的频率ω₂，重复测量频率为ω₁-ω₂+ω_m和ω₁-ω₂-ω_m的信号幅度之比，即可得到待测光电探测器在不同频率的响应特性。

本发明工作原理为：

半导体激光器1输出的光波经偏振控制器2输入到电光调制器3，由微波信号源4输出的微波信号经由电光调制器3调制到光载波上，与波长可调谐激光器5发出的光波通过光耦合器6混频。混频的光波通过待测光电探测器7进行拍频探测，最后进入频谱分析仪8中进行差频信号功率的检测，并记录对应差频信号功率值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明光电探测器频率响应的测量装置与方法，由于采用的是边带拍频信号对比测量，电光调制器频率响应和微波信号源功率起伏对测试结果没有影响，相对于传统测量方法，该测量装置和方法无需对电光调制器频率响应和微波源频率响应进行校准。

二、本发明光电探测器频率响应的测量装置与方法，频率为ω_m的微波信号驱动时，光电探测器产生的拍频信号分别为ω₁-ω₂+ω_m和ω₁-ω₂-ω_m，频率差异为2*ω_m，即所需要的微波调制信号频率范围仅为待测光电探测器频响测量的频率范围的一半，因此，本发明装置和方法具有二倍频率扩展能力。

附图说明

图1是本发明光电探测器频率响应测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中所列举的几组测量值图形；

图3是本发明实施例中所测待测光电探测器频率响应曲线；

其中，附图标记：1为半导体激光器、2为偏振控制器、3为电光调制器、4为微波信号源、5为波长可调谐激光器、6为光耦合器、7为待测光电探测器、8为频谱分析仪。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

一种光电探测器频率响应测量装置，包括半导体激光器1、偏振控制器2、电光调制器3、微波信号源4、波长可调谐激光器5、光耦合器6、待测光电探测器7、频谱分析仪8；所述半导体激光器1、偏振控制器2、电光调制器3、光耦合器6与待测光电探测器7之间依次光路连接，所述波长可调谐激光器5光路连接电光调制器3；所述微波信号源4与电光调制器3之间为电路连接；所述待测光电探测器7与频谱分析仪8之间为电路连接。电光调制器3为电光强度调制器或为电光相位调制器。

所述波长可调谐激光器5输出光波中电场矢量的复数表示为：

$E_T=A_2{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{2}t}---\left(1\right)$

当电光调制器3为电光强度调制器时，调节调制电压为半波电压的一半，半导体激光器1输出光波经过信号ω_m调制后，从电光强度调制器输出光波中电场矢量的复数表示为：

$E_D=A_1[e^{{\mathrm{j\ω}}_{1}t}+e^{j({\mathrm{\ω}}_{1}t+\frac{\mathrm{\π}}{2}+M\left({\mathrm{\ω}}_m\right){\cos \mathrm{\ω}}_{m}t)}]---\left(2\right)$

其中，M(ω_m)是电光强度调制器的调制系数，A₁和A₂分别是波长可调谐激光器5输出信号和半导体激光器1输出光波信号的幅值。

两束光通过光耦合器6混频后经待测光电探测器7检测为：

$I=R\left(\mathrm{\ω}\right)(E_D+E_T)(E_D^{*}+E_T^{*})---\left(3\right)$

其中R(ω)是光电探测器对不同频率的频率响应度，

分别是E_D、E_T的共轭复矢量。

$I/R\left(\mathrm{\ω}\right)=A_1^2(1+e^{\mathrm{jM}\left({\mathrm{\ω}}_m\right){\cos \mathrm{\ω}}_{m}t}+e^{-\mathrm{jM}\left({\mathrm{\ω}}_m\right){\cos \mathrm{\ω}}_{m}t})+A_2^2$

$+A_1{A}_2[e^{j[({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t+\frac{\mathrm{\π}}{2}+M\left({\mathrm{\ω}}_m\right){\cos \mathrm{\ω}}_{m}t]}+e^{j({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t}]---\left(4\right)$

$+A_1{A}_2[e^{-j[({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t+\frac{\mathrm{\π}}{2}+M\left({\mathrm{\ω}}_m\right){\cos \mathrm{\ω}}_{m}t]}+e^{-j({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t}]$

设定Δω=ω₁-ω₂。化简上式可得：

$I/R\left(\mathrm{\ω}\right)=A_1^2+A_2^2+{2A}_1^2\cos \left(M\left({\mathrm{\ω}}_m\right){\cos \mathrm{\ω}}_{m}t\right)$

$+{2A}_1{A}_2[\cos (\mathrm{\Δ\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2}+M\left({\mathrm{\ω}}_m\right)\cos {\mathrm{\ω}}_{m}t)+\cos \mathrm{\Δ\ωt}]---\left(5\right)$

对(5)进行贝塞尔函数展开得：

$I=A_1^2+A_2^2+{2A}_1{A}_{2}R\left(\mathrm{\Δ\ω}\right)\cos \mathrm{\Δ\ωt}$

$+{2A}_1^2\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n\left(M\left({\mathrm{\ω}}_m\right)\right)R\left({\mathrm{n\ω}}_m\right){\cos \mathrm{\ω}}_{m}t---\left(6\right)$

$-{2A}_1{A}_2\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n\left(M\left({\mathrm{\ω}}_m\right)\right)R({\mathrm{n\ω}}_m+\mathrm{\Δ\ω})\sin (({\mathrm{n\ω}}_m+\mathrm{\Δ\ω})t+\mathrm{n\π}/2)$

其中Jn(M(ω_m))(n＝0,1,2,…)表示第一类n阶贝塞尔函数。

在(6)式中，差频信号Δω-ω_m所对应光强为：

I_-1＝2A₁A₂J_-1(M(ω_m))R(Δω-ω_m)   (7)

差频信号Δω+ω_m所对应光强为：

I₊₁＝-2A₁A₂J₊₁(M(ω_m))R(Δω+ω_m)    (8)

由J₁(M(ω_m))=-J_-1(M(ω_m))可知，(7)式与(8)式相比得到差频信号Δω-ω_m和Δω+ω_m在频谱分析仪8上的幅度差异为：

$\frac{I_{-1}}{I_{+1}}=\frac{R(\mathrm{\Δ\ω}-{\mathrm{\ω}}_m)}{R(\mathrm{\Δ\ω}+{\mathrm{\ω}}_m)}---\left(9\right)$

由(9)式中可知，两个边带在频谱分析仪上的幅度差异只与探测器对应频率响应度有关，不受电光强度调制器的调制系数M(ω_m)的影响。

同理，当电光调制器3为电光相位调制器时，半导体激光器1输出光波经过小信号ω_m调制后，从电光相位调制器输出光波中电场矢量的复数表示为：

$E_T=A_1{e}^{l[M\left({\mathrm{\ω}}_m\right)\cos {\mathrm{\ω}}_{m}t+{\mathrm{\ω}}_{1}t]}---\left(10\right)$

与波长可调谐激光器5输出光通过光耦合器6混频后为：

$I/R\left({\mathrm{\ω}}_m\right)=A_1^2+A_2^2+2A_1{A}_2\cos (M\left({\mathrm{\ω}}_m\right){\cos \mathrm{\ω}}_{m}t+({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t)---\left(11\right)$

对(11)式进行贝塞尔函数展开得：

$I=A_1^2+A_2^2+{2A}_1{A}_2\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n\left(M\left({\mathrm{\ω}}_m\right)\right)R({\mathrm{n\ω}}_m+\mathrm{\Δ\ω})\cos (({\mathrm{n\ω}}_m+\mathrm{\Δ\ω})t+\mathrm{n\π}/2)---\left(12\right)$

在(12)式中，差频信号Δω-ω_m所对应光强为：

I_-1＝2A₁A₂J_-1(M(ω_m))R(Δω-ω_m)    (13)

差频信号Δω+ω_m所对应光强为：

I₊₁＝-2A₁A₂J₁(M(ω_m))R(Δω+ω_m)     (14)

同理，(13)式与(14)式相比得到差频信号Δω-ω_m和Δω+ω_m在频谱分析仪8上的幅度差异为：

$\frac{I_{-1}}{I_{+1}}=\frac{R(\mathrm{\Δ\ω}-{\mathrm{\ω}}_m)}{R(\mathrm{\Δ\ω}+{\mathrm{\ω}}_m)}---\left(15\right)$

(9)式与(15)式完全吻合，由此可知，两个边带在频谱分析仪上的幅度差异只与探测器对应频率响应度有关，不受电光强度调制器的调制系数M(ω_m)的影响。通过改变调制信号，可以得到很多组两个边带在待测光电探测器响应功率的差值，以此可以得到待测光电探测器7的频率响应。

实施例

图1是本发明的光电探测器频率响应的测量装置结构示意图。半导体激光器1输出的光波经偏振控制器2输入到电光调制器3，由微波信号源4输出的微波信号经由电光调制器3调制到光载波上，调制后的光信号与波长可调谐激光器5输出的光信号通过光耦合器6入射到待测光电探测器7，待测光电探测器的输出信号进入频谱分析仪8中进行测量。设半导体激光器1输出光波的频率为ω₁，波长可调谐激光器5输出光波的频率为ω₂，微波信号的调制频率为ω_m，在频谱分析仪8上，将会观测到半导体激光器1中心载波、其-1阶微波调制边带、+1阶微波调制边带分别与波长可调谐激光器5中心载波的拍频信号，三个拍频信号的频率分别为ω₁-ω₂、ω₁-ω₂+ω_m和ω₁-ω₂-ω_m(其中ω₁-ω₂>ω_m)，测量频率为ω₁-ω₂+ω_m和频率为ω₁-ω₂-ω_m的拍频信号的幅度之比，此即待测光电探测器7在两个频点的频率响应之比，通过改变微波调制频率ω_m或者波长可调谐激光器5输出光波的频率ω₂，重复测量频率为ω₁-ω₂+ω_m和ω₁-ω₂-ω_m的信号幅度之比，即可得到待测光电探测器7在不同频率的响应特性。

波长可调谐激光器5采用半导体波长可调谐激光器，半导体激光器1采用的是DFB半导体激光器，电光调制器3采用的是电光相位调制器，DFB激光器输出中心波长为1550.45nm，调谐半导体波长可调谐激光器的波长，使得其输出波长与DFB激光器输出波长产生的拍频为ω_m=10GHz，微波信号源4输出微波信号频率从0.5GHz开始，每次测试增加0.5GHz，直到微波信号为9.5GHz为止。图2为利用本发明光电探测器频率响应测量方法得到的几组测量值。通过重复测量频率为ω₁-ω₂+ω_m和ω₁-ω₂-ω_m的信号幅度之比，即可得到待测光电探测器7在不同频率的响应特性。图3为利用本发明光电探测器频率响应测量方法得到待测探测器频响响应曲线图。

Claims (4)

1.一种光电探测器频率响应测量装置，其特征在于，包括半导体激光器（1）、偏振控制器（2）、电光调制器（3）、微波信号源（4）、波长可调谐激光器（5）、光耦合器（6）、待测光电探测器（7）、频谱分析仪（8）；所述半导体激光器（1）、偏振控制器、电光调制器、光耦合器与待测光电探测器之间依次光路连接，所述波长可调谐激光器光路连接电光调制器；所述微波信号源与电光调制器之间为电路连接；所述待测光电探测器与频谱分析仪之间为电路连接。

2.根据权利要求1所述的光电探测器频率响应测量装置，其特征在于，所述波长可调谐激光器(5)为半导体波长可调谐激光器或为光纤波长可调谐激光器。

3.根据权利要求1或2所述的光电探测器频率响应测量装置，其特征在于，所述电光调制器(3)为电光强度调制器或为电光相位调制器。

4.一种采用权利要求1的光电探测器频率响应测量装置的频率响应测量方法，其特征在于，包括以下步骤，

①半导体激光器（1）输出的光波经偏振控制器（2）输入到电光调制器（3），由微波信号源（4）输出的微波信号经由电光调制器（3）调制到光载波上，调制后的光信号与波长可调谐激光器输出的光信号通过光耦合器入射到待测光电探测器，待测光电探测器的输出信号进入频谱分析仪中进行测量。

②使半导体激光器输出光波的频率为ω₁，使波长可调谐激光器输出光波的频率为ω₂，ω₁>ω₂，使微波信号的调制频率为ω_m；在频谱分析仪上，将会观测到半导体激光器中心载波、-1阶微波调制边带、+1阶微波调制边带分别与波长可调谐激光器(5)中心载波的拍频信号，三个拍频信号的频率分别为ω₁-ω₂、ω₁-ω₂+ω_m和ω₁-ω₂-ω_m，并且ω₁-ω₂>ω_m，测量频率为ω₁-ω₂+ω_m和频率为ω₁-ω₂-ω_m的拍频信号的幅度之比，此即待测光电探测器在两个频点的频率响应之比，通过改变微波调制频率ω_m或者波长可调谐激光器输出光波的频率ω₂，重复测量频率为ω₁-ω₂+ω_m和ω₁-ω₂-ω_m的信号幅度之比，即可得到待测光电探测器在不同频率的响应特性。

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