CN103926059B

CN103926059B - 电光相位调制器调制系数的测量方法

Info

Publication number: CN103926059B
Application number: CN201410181001.0A
Authority: CN
Inventors: 张尚剑; 王恒; 邹新海; 尹欢欢; 张雅丽; 刘永
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-04-30
Also published as: CN103926059A

Abstract

本发明公开了电光相位调制器调制系数的测量方法，涉及光电子技术领域，本发明为了解决相位调制信号在光电探测器上无法直接检测以及无法避免PM‑IM和FM‑IM的转换中的非线性过程的问题，本发明采用光纤干涉仪作为测量装置，光纤干涉仪由分束器、待测电光相位调制器、声光移频器、辅助电光相位调制器和合束器构成，其中待测电光相位调制器置于光纤干涉仪的一干涉臂上，声光移频器和辅助电光相位调制器放置在另一干涉臂上；三个器件上分别加载不同频率的正弦信号；本发明通过设置所加载正弦信号的频率关系消除了光电探测器的频率响应，实现了自校准测量，提高了测量电光相位调制器调制系数的准确性，具有很好的应用价值。

Description

电光相位调制器调制系数的测量方法

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，更具体的设计一种解决了相位调制信号在光电探测器上无法直接检测，避免了PM-IM和FM-IM的转换中的非线性过程的电光相位调制器调制系数的测量方法。

背景技术

电光相位调制器是光纤通信系统中的关键器件之一，电光相位调制器具有无需偏置和线性调制的优点，在高速光纤通信和相干光通信系统，尤其是高频谱效率的先进调制格式的光信号产生中具有不可或缺的作用。电光相位调制器调制系数是电光相位调制器的重要特性参数之一，其反应出电光相位调制器的调制效率，而通过对电光相位调制器调制系数的测量还能达到对电光相位调制器半波电压测量的目的。

目前测量电光相位调制器调制系数的方法主要有两类，一类是光域测量方法，其典型代表为光谱分析法(Y.Shi,L.YanandA.E.Willner.High-speed electroopticmodulator characterization using optical spectrum analysis[J].Journal ofLightwave Technology,2003,21(10):2358-2367.)；另一类是电域测量方法，其包括有PM-IM转换(J.A.Campbell,A.Knoesen,andD.R.Yankelevich,“Measurement of themodulation efficiency of an optical phase modulator using a self-homodynereceiver,”IEEE Photon.Technol.Lett.14(9),1330-1332,(2002)；E.H.W.Chan,andR.A.Minasian,“A new optical phase modulator dynamic response measurementtechnique,”J.Lightwave Technol.26(16),2882-2888(2008).S.J.Zhang,X.X.Zhang,Y.Liu.Swept frequency measurement of electrooptic phase modulators usingdispersive fibers.Chinese Physics Letters,2012,29(8):84217-84219.)、FM-IM转换法(S.J.Zhang,X.X.Zhang,Y.Liu.Swept frequency measurement of electroopticphase 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 phasemodulators for coherent systems at1.3and1.5μm[J].Journal of LightwaveTechnology,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；PM-IM转换法利用Mach-Zehnder干涉仪或者Sagnac干涉仪将相位转换为强度；FM-IM转换法利用光滤波器实现频率到强度的转换；外差法则利用相位调制边带与另外激光器进行拍频获得相位调制系数；电域测量方法极大地提高了测量的频率分辨率，但是各种方法也有自身的一些缺点，比如PM-IM转换法中的干涉仪引入了非线性变换，使得这类方法只能工作于小信号调制下；FM-IM转换法中的滤波器斜率也是非线性的；光外差法中，由于双激光器各自的随机相位噪声的影响造成拍频信号线宽较宽，使得测量系统与不稳定、求解电光相位调制器调制系数的误差较大，达不到精确测量的目的；目前，电域测量方法的最大问题还在于测量结果需要额外校准扣除掉光电探测器的频率响应，尤其在调制频率较高或者调制器的带宽较小的情况下，校准不可避免，否则引入误差。

发明内容

针对目前电光相位调制器调制系数的电域测量方法存在的光电探测器频响需要单独校准的问题，本发明的目的在于提供电光相位调制器调制系数的测量方法，实现自校准的电光相位调制器调制系数的高分辨率、高精度电域测量方法。

本发明提供一种测量电光相位调制器调制系数的方法，该方法包括以下步骤：

(1)构建光纤干涉仪，该光纤干涉仪包括分束器、待测电光相位调制器、声光移频器、辅助电光相位调制器、合束器，其中待测电光相位调制器放置于光纤干涉仪的一个干涉臂上，声光移频器和辅助电光相位调制器串行连接放置在光纤干涉仪的另一个干涉臂上；

(2)设置激光器的工作波长为λ₀(对应频率为f₀)，在待测电光相位调制器的电极上加载频率为f₁的正弦信号，在辅助电光相位调制器的电极上加载频率为f₂的正弦信号，声光移频器的电极上加载频率为f_s的正弦信号，所加载正弦信号的频率f₁和f₂满足1.9f₂≤f₁≤2.1f₂。

(3)通过光电探测器和采样电路记录光纤干涉仪在(2)步骤中三种正弦信号作用下的输出信号，记录频率为f₁-f₂+f_s、f₁-f₂-f_s、f₂+f_s、f₂-f_s的幅度，分别记为i(f₁-f₂+f_s)、i(f₁-f₂-f_s)、i(f₂+f_s)、i(f₂-f_s)；

(4)按照如下公式中的任意一个计算得到待测电光相位调制器的调制系数值，

\frac{J_{1} (m)}{J_{0} (m)} = \frac{i (f_{1} - f_{2} + f_{s})}{i (f_{2} + f_{s})}

或

\frac{J_{1} (m)}{J_{0} (m)} = \frac{i (f_{1} - f_{2} - f_{s})}{i (f_{2} - f_{s})}

或

\frac{J_{1} (m)}{J_{0} (m)} = \frac{i (f_{1} - f_{2} + f_{s})}{i (f_{2} - f_{s})}

或

\frac{J_{1} (m)}{J_{0} (m)} = \frac{i (f_{1} - f_{2} - f_{s})}{i (f_{2} + f_{s})},

其中J₁为一阶一类贝塞尔函数，J₀为零阶一类贝塞尔函数，公式选择依据为公式的分子和分母中频率差别最小者；

(5)改变加载频率f₁与f₂的大小，重复步骤(2)、(3)、(4)、从而得到待测电光相位调制器在工作波长λ₀时不同调制频率f₁下的调制系数。

(6)改变激光器的工作波长λ₀(对应频率为f₀)的大小，重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)，从而得到待测电光相位调制器在不同工作波长时，不同调制频率f₁下的调制系数。

作为优选，在待测电光相位调制器的电极上加载频率为f₁的正弦信号，在辅助电光相位调制器电极上加载频率为f₂的正弦信号，所加载正弦信号的频率f₁和f₂满足1.9f₂≤f₁≤2.1f₂。

作为优选，步骤(4)选择待测电光相位调制器的调制系数的计算公式的依据为公式分子和分母对应频率间隔最小者。

本发明具有以下的益效果：

1.本发明采用上述的光纤干涉仪结构，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PM-IM和FM-IM的转换中的非线性过程。

2.本发明采用声光移频实现相位调制信号拍频，避免了传统双光源外差的线宽和相位噪声问题，测试系统的稳定性大为改善。

3.本发明通过设置所加载的两正弦信号f₁和f₂的频率关系，避免了电域测量中光电探测器响应的影响，实现了自校准测量，提高了在电域中测量电光相位调制器调制系数的精确度。

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为测试系统的原理框图；

图2为本发明实施例1中通过采样电路记录的一组幅度值示意图；

图3为本发明实施例1中测量得到的待测电光相位调制器调制系数与频率的关系曲线图；

图4为本发明实施例2中通过采样电路记录的一组幅度值示意图；

图5为本发明实施例2中测量得到的待测电光相位调制器调制系数与频率的关系曲线图；

图6为本发明实施例3中通过采样电路记录的一组幅度值示意图；

图7为本发明实施例3中测量得到的待测电光相位调制器调制系数与频率的关系曲线图；

其中，图中标号为：1-激光器；2-分束器；3-待测电光相位调制器；4-声光移频器；5-辅助电光相位调制器；6-合束器；7-光电探测器；8-第一信号源；9-第二信号源；10-采样电路；11-第三信号源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明一种测量电光相位调制器调制系数的方法，该方法包括以下步骤：

(2)设置激光器的工作波长为λ₀(对应频率为f₀)，在待测电光相位调制器的电极上加载频率为f₁的正弦信号，在辅助电光相位调制器的电极上加载频率为f₂的正弦信号，声光移频器的电极上加载频率为f_s的正弦信号，所加载正弦信号的频率f₁和f₂满足1.9f₂≤f₁≤2.1f₂；

\frac{J_{1} (m)}{J_{0} (m)} = \frac{i (f_{1} - f_{2} + f_{s})}{i (f_{2} + f_{s})}

或

\frac{J_{1} (m)}{J_{0} (m)} = \frac{i (f_{1} - f_{2} - f_{s})}{i (f_{2} - f_{s})}

或

\frac{J_{1} (m)}{J_{0} (m)} = \frac{i (f_{1} - f_{2} + f_{s})}{i (f_{2} - f_{s})}

或

\frac{J_{1} (m)}{J_{0} (m)} = \frac{i (f_{1} - f_{2} - f_{s})}{i (f_{2} + f_{s})},

(5)改变加载频率f₁与f₂的大小，重复步骤(2)、(3)、(4)、从而得到待测电光相位调制器在工作波长λ₀下不同f₁下的调制系数。

附图1为测试系统的原理框图：激光器1、分束器2、待测电光相位调制器3、声光移频器4、辅助电光相位调制器5、合束器6、光电探测器7构成了光纤干涉仪；激光器1发出频率为f₀的光经过分束器2分成两束光，其中一束光经过待测电光相位调制器3调制，调制的正弦信号由第一信号源8提供、调制频率为f₁，另一束光经过声光移频器4移频处理，移频的正弦信号由第三信号源11提供、频率为f_s，移频后的光再经过辅助电光相位调制器5调制，调制的正弦信号由第二信号源9提供、调制频率为f₂，经过调制后的两束光通过合束器6合束并由光电探测器7转化为电信号，最后由采样电路10处理、记录。

本发明的电光相位调制器调制系数的测量方法的原理如下：

激光器1发出波长为λ₀(对应频率为f₀)的光经过分束器2分成两束光，一束光经过加载了第一信号源8输出的频率为f₁的正弦信号的待测电光相位调制器3调制后，输出光信号E₁表示为：

E₁＝A₁exp(jm₁sin(2πf₁t)+j2πf₀t)

(1)

其中，调制系数m₁＝πV₁/V_π1，V₁为第一信号源8输出正弦信号的幅度值，A₁是待测电光相位调制器3的输出光信号幅度值，V_π1是待测电光相位调制器3的半波电压。

另一束光经过声光移频器4移频f_s后，再经过加载了第二信号源9输出的频率为f₂的正弦信号的辅助电光相位调制器5调制后，输出的光信号E₂为：

E₂＝A₂exp(jm₂sin(2πf₁t)+j2π(f₀-f_s)t)

(2)

其中，调制系数m₂＝πV₂/V_π2，V₂为第二信号源9输出正弦信号的幅度值，A₂是辅助电光相位调制器5的输出光信号幅度值，V_π2是辅助电光相位调制器5的半波电压。

上述得到的两束光通过合束器6合束后，在光电探测器7上拍频形成的光电流为：

i = R (f) (E_{1} + E_{2}) (E_{1}^{*} + E_{2}^{*}) - - - (3)

其中R(f)是光电探测器7对应不同频率的响应度，E₁ ^*和E₁ ^*分别是光信号E₁和E₂的共轭复数。

把(1)式和(2)式代入(3)式，并由贝塞尔函数展开、化简得到：

i / R (f) = A_{1}^{2} + A_{2}^{2} + 2 A_{1} A_{2} Σ_{l = - \infty}^{\infty} J_{k} (m_{1}) Σ_{l = - \infty}^{\infty} J_{l} (m_{2}) \cos 2 π (k f_{1} + l f_{2} + f_{s}) t - - - (4)

其中J_k(m₁)，J_l(m₂)分别为第k,l阶的一类贝塞尔函数。在(4)式中，拍频信号kf₁+lf₂+f_s所对应的电信号幅度为：

i(kf₁+lf₂+f_s)＝2A₁A₂R(kf₁+lf₂+f)J_k(m₁)J_l(m₂)cos2π(kf₁+lf₂+f_s)t

(5)

因此频率为kf₁+lf₂+f_s的电信号幅度与对应频率的光电探测器7响应度R(f)和J_k(m₁)J_l(m₂)有关，

i∝R(f)·|J_k(m₁)J_l(m₂)| (6)

本发明采用的方法：通过采样电路10分别记录频率为f₁-f₂+f_s、f₁-f₂-f_s、f₂+f_s、f₂-f_s的幅度为i(f₁-f₂+f_s)、i(f₁-f₂-f_s)、i(f₂+f_s)、i(f₂-f_s)，光电探测器在各个频率的响应度分别为R(f₁-f₂+f_s)、R(f₁-f₂-f_s)、R(f₂+f_s)和R(f₂-f_s)，以f₁-f₂+f_s、f₂+f_s频率为例，其f₁-f₂+f_s、f₂+f_s的信号幅度之比为

\frac{J_{1} (m_{1}) J_{1} (m_{2}) \cdot R (f_{1} - f_{2} + f_{s})}{J_{0} (m_{1}) J_{1} (m_{2}) \cdot R (f_{2} + f_{s})} = \frac{i (f_{1} - f_{2} + f_{s})}{i (f_{2} + f_{s})} - - - (7)

由于f₁约为f₂的两倍，即有f₁-f₂+f_s≈f₂+f_s，化简(7)式得：

\frac{J_{1} (m_{1})}{J_{0} (m_{1})} = \frac{i (f_{1} - f_{2} + f_{s})}{i (f_{2} + f_{s})} - - - (8)

求解(8)式，得到待测电光相位调制器3在调制频率f₁下的调制系数m₁；改变f₁与f₂的大小，重复以上测量可得到待测电光相位调制器3对应于不同调制频率f₁下的调制系数。

具体执行时，公式(8)可以换成以下四个中的任意一个：

\frac{J_{1} (m_{1})}{J_{0} (m_{1})} = \frac{i (f_{1} - f_{2} + f_{s})}{i (f_{2} + f_{s})}

或

\frac{J_{1} (m_{1})}{J_{0} (m_{1})} = \frac{i (f_{1} - f_{2} - f_{s})}{i (f_{2} - f_{s})}

或

\frac{J_{1} (m_{1})}{J_{0} (m_{1})} = \frac{i (f_{1} - f_{2} + f_{s})}{i (f_{2} - f_{s})}

或

\frac{J_{1} (m_{1})}{J_{0} (m_{1})} = \frac{i (f_{1} - f_{2} - f_{s})}{i (f_{2} + f_{s})},

其中J₁为一阶一类贝塞尔函数，J₀为零阶一类贝塞尔函数，公式选择依据为公式的分子和分母中频率间隔最小者。

实施例1

设置激光器1输出光波长为λ₀＝1553.60nm(对应频率f₀＝193.1THz)，以其中一测量频点为例，第一信号源8输出的正弦信号频率f₁＝10GHz，第二微波信号源9输出的正弦信号频率f₂＝4.97GHz，第三信号源11输出的正弦信号频率f_s＝0.07GHz，通过采样电路10记录光纤干涉仪在以上三种正弦信号作用下的输出信号的信号中频率为4.96GHz(f₁-f₂-f_s)、5.1GHz(f₁-f₂+f_s)、4.9GHz(f₂-f_s)、5.04GHz(f₂+f_s)的幅度，分别记为i(f₁-f₂+f_s)、i(f₁-f₂-f_s)、i(f₂+f_s)、i(f₂-f_s)；图2为本实施例中利用本发明测量电光相位调制器调制系数的方法得到采样电路10上记录的上述四个频率的幅度值。

采样电路10上，f₁-f₂+f_s与f₂+f_s之间的频率间隔为0.06GHz，为四个频率差别之间最小的，因此选取之。频率为5.1GHz的信号幅度i(f₁-f₂+f_s)＝0.095，频率为5.04GHz的信号幅度i(f₂+f_s)＝0.0822，从通过求解以下方程求得待测电光相位调制器3在加载频率f₁＝10GHz时的调制系数m₁＝1.5423，

\frac{J_{1} (m_{1})}{J_{0} (m_{1})} = \frac{i (f_{1} - f_{2} + f_{s})}{i (f_{2} + f_{s})} = 1.1545

改变待测电光相位调制器3上的加载频率f₁与辅助电光相位调制器5上的加载频率f₂的大小，重复以上步骤、得到待测电光相位调制器3对应于不同的加载频率f₁下的调制系数。

图3为本实施例中利用本发明电光相位调制器调制系数的测量方法得到的待测电光相位调制器3在工作波长为1553.60nm的调制系数m(f₁)在调制频率f₁为1-20GHz范围内的曲线图。

实施例2

设置激光器1输出光波长为λ₀＝1551.19nm(对应频率f₀＝193.4THz)，以其中一测量频点为例，第一信号源8输出的正弦信号频率f₁＝20GHz，第二微波信号源9输出的正弦信号频率f₂＝9.9GHz，第三信号源11输出的正弦信号频率f_s＝0.08GHz，通过采样电路10记录光纤干涉仪在以上三种正弦信号作用下的输出信号的信号中频率为9.82GHz(f₂-f_s)、9.98GHz(f₂+f_s)、10.02GHz(f₁-f₂-f_s)、10.18GHz(f₁-f₂+f_s)的幅度，分别记为i(f₂-f_s)、i(f₂+f_s)、i(f₁-f₂-f_s)、i(f₁-f₂+f_s)；图4为本实施例中利用本发明测量电光相位调制器调制系数的方法得到采样电路10上记录的上述四个频率的幅度值。

采样电路10上，f₁-f₂-f_s与f₂+f_s之间的频率间隔为0.04GHz，为四个频率差别之间最小的，因此选取之。频率为10.02GHz的信号幅度i(f₁-f₂-f_s)＝0.0613，频率为9.98GHz的信号幅度i(f₂+f_s)＝0.0512，从通过求解以下方程求得待测电光相位调制器3在加载频率f₁＝20GHz时的调制系数m₁＝1.5686，

\frac{J_{1} (m_{1})}{J_{0} (m_{1})} = \frac{i (f_{1} - f_{2} - f_{s})}{i (f_{2} + f_{s})} = 1.1973

图5为本实施例中利用本发明电光相位调制器调制系数的测量方法得到的待测电光相位调制器3在工作波长为15531.19nm的调制系数m(f₁)与调制频率f₁为1-30GHz范围内的曲线图。

实施例3

设置激光器1输出光波长为λ₀＝1550.55nm(对应频率f₀＝193.48THz)，以其中一测量频点为例，设置第一信号源8输出的正弦信号频率f₁＝15GHz，第二微波信号源9输出的正弦信号频率f₂＝7.46GHz，第三信号源11输出的正弦信号频率f_s＝0.1GHz，通过采样电路10记录光纤干涉仪在以上三种正弦信号作用下的输出信号的信号中频率为7.44GHz(f₁-f₂-f_s)、7.64GHz(f₁-f₂+f_s)、7.36GHz(f₂-f_s)、7.56GHz(f₂+f_s)的幅度，分别记为i(f₁-f₂+f_s)、i(f₁-f₂-f_s)、i(f₂+f_s)、i(f₂-f_s)；图6为本实施例中利用本发明测量电光相位调制器调制系数的方法得到采样电路10上记录的上述四个频率的幅度值。

采样电路10上，f₁-f₂-f_s与f₂-f_s之间的频率间隔为0.08GHz，为四个频率差别之间最小的，因此选取之。频率为7.44GHz的信号幅度i(f₁-f₂-f_s)＝0.0790，频率为7.36GHz的信号幅度i(f₂-f_s)＝0.0680，从通过求解以下方程求得待测电光相位调制器3在加载频率f₁＝15GHz时的调制系数m₁＝1.5469，

\frac{J_{1} (m_{1})}{J_{0} (m_{1})} = \frac{i (f_{1} - f_{2} - f_{s})}{i (f_{2} - f_{s})} = 1.1617

图7为本实施例中利用本发明电光相位调制器调制系数的测量方法得到的待测电光相位调制器3在工作波长为1550.55nm的调制系数m(f₁)与调制频率f₁为1-20GHz范围内的曲线图。

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

1.电光相位调制器调制系数的测量方法，其特征在于该调制系数的测量方法步骤如下：

(2)设置激光器的工作波长为λ₀，其对应频率为f₀，在待测电光相位调制器的电极上加载频率为f₁的正弦信号，在辅助电光相位调制器的电极上加载频率为f₂的正弦信号，声光移频器的电极上加载频率为f_s的正弦信号，所加载正弦信号的频率f₁和f₂满足1.9f₂≤f₁≤2.1f₂；

(4)按照如下公式中的任意一个计算得到待测电光相位调制器的调制系数值，或或或其中J₁为一阶一类贝塞尔函数，J₀为零阶一类贝塞尔函数，公式选择依据为公式的分子和分母对应频率间隔最小者；

(5)改变加载频率f₁与f₂的大小，重复步骤(2)、(3)、(4)、从而得到待测电光相位调制器在不同f₁下的调制系数；

(6)改变激光器的工作波长λ₀，对应频率为f₀的大小，重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)，从而得到待测电光相位调制器在不同工作波长λ₀时，不同调制频率f₁下的调制系数。