CN104020334A - 一种电光相位调制器半波电压测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电光相位调制器半波电压测量系统及测量方法，该系统包括顺次连接的激光光源、3dB耦合器、第一偏振控制器、偏振合束器、第三偏振控制器、检偏器、光电探测器、测量电路控制模块以及电压源，第一偏振控制器通过3dB耦合器和偏振合束器还并联有待测相位调制器和第二偏振控制器，电压源连接在待测相位调制器上，该测量方法包括激光光源发出的光信号经检测系统转换为电信号，光电探测器输出的电信号通过测量控制电路控制模块调制完成半波电压的自动测量，并作相关处理，显示测量结果；该发明所设计的一种基于偏振波合成的方法测量电光调制器半波电压的系统和方法，可以快速、自动、准确测量调制器的半波电压。

Description

一种电光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测量方法，特别涉及一种基于偏振合波的方法测量电光相位调制器半波电压测量系统及测量方法。

背景技术

光相位调制器是将电信号加载到光载波相位上的发电器件，在光通信、微波光子学、光纤传感、光纤无线融合系统等领域有广泛的应用。电光相位调制器的基本原理是利用晶体或各向异性聚合物的光电效应，既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，从而改变光波的相位。相位调制器具有结构简单、插入损耗低、无需外加偏置等优点。铌酸锂电光相位调制器(LiNbO3PM)是目前最常用的电光相位调制器。它具有结构简单、插入损耗低、性能稳定、制作工艺成熟等优点。半波电压是相位调制器最重要的参数之一，它决定了相位调制器的调制效率、使用功耗。相位调制器的半波电压是指当通过它的光波相位发生π所需的调制电压。虽然调制器的半波电压是随之调制频率变化的，但变化范围不大，一般采用直流半波电压作为参考值。因此，准确测量相位调制器的直流半波电压是了解调制器特性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。

目前测量电光相位调制器的技术和方法主要有两种：其一为基于干涉仪的测量方法(Sagnac光纤或MZ干涉仪)，这种方法易受环境变化影响，对干涉光路光程变化敏感，实际使用时可靠性降低；其二，基于确定性量子密钥分发误码判据的测量方法，该方法过于复杂，系统成本较高，主要针对于量子通信系统，并不适用于一般光通信系统快速测量调制器半波电压，其实际适用范围受限。已经报道的电光相位调制器半波电压测量方案，具有对光路光程差敏感，成本高，系统复杂，测量速度慢等局限性，一定程度上限制了其实用价值。为了克服以上技术问题，一种快速、自动、准确电相位调制器半波电压测量系统及方法为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种电光相位调制器半波电压测量系统及方法，该电光相位调制器半波电压测量系统结构简单，成本低廉，能快速、自动、准确测量调制器的半波电压，同时还能有效消除传统干涉方案因为干涉支路长度不匹配或长度随环境因素的变化而引起干涉效率降低或导致测量产生较大误差等问题。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种电光相位调制器半波电压测量系统，包括顺次连接的激光光源、3dB耦合器、第一偏振控制器、偏振合束器、第三偏振控制器、检偏器、光电探测器、测量电路控制模块以及电压源，第一偏振控制器通过3dB耦合器和偏振合束器还并联有待测相位调制器和第二偏振控制器，待测相位调制器和第二偏振控制器串联，电压源连接在待测相位调制器上给待测相位调制器施加电压，其中：3dB耦合器将激光光源发出的光分成两路光信号并从3dB耦合器的输出端发出，其中一路光信号与所述待测相位调制器的输入端相连，待测相位调制器对光波进行相位调制并输出信号至连接在待测相位调制器输出端的第二偏振控制器中，第二偏振控制器将经待测相位调制器调制后的光信号传送至偏振合束器的输入端；另一路光信号直接经过第一偏振控制器后输入到所述偏振合束器的另一个输入端口中，偏振合束器将两路光信号进行偏振合波，合波后的信号经过第三偏振控制器进行偏振旋转后送入检偏器，检偏后的光信号经过光电探测器后完成光电转换得到电信号；测量电路控制模块将光电探测器与电压源连接起来，通过接收光电探测器输出的数据控制电压源的电压变动完成调制器半波电压的自动测量。

本发明还设计了一种电光相位调制器半波电压测量系统的测量方法，包括以下步骤：

㈠初始状态下，所有器件处于静止状态，打开激光光源，3dB耦合器将激光光源发出的光分成两路光信号；

㈡手动调整第一偏振控制器，改变一路的光信号的偏振方向，使其与偏振合束器的X支路的偏振态一致，同时，手动调整第二偏振控制器，使通过待测相位调制器调制后的另一路光信号的偏振方向与偏振合束器的Y支路的偏振态一致，此时两个正交方向的光波电场表达为：

E_x＝A_xE₀cos(ω₀t+φ_x)

其中，A_x，A_y分别为两个偏振态上的损耗，φ_x和φ_y是X，Y两臂经历的相移，为待测相位调制器引入的调制相位；

再利用偏振合束器合波，将两个正交方向的光波电场E_x、E_y通过下列公式得到合波后的光场为：

其中A_x,A_y,δ₀分别为偏振合束器引入的两个偏振的损耗和相位差；

㈢手动调节第三偏振控制器，使步骤㈡中经合波后的两路正交偏振态的光信号的偏振方向与检偏器的透振方向一致，经检偏后，将两个相互垂直的偏振态转化到其透振方向上相干合成，偏振合波后的光场经过与X轴成θ角的检偏器后，沿其透光轴方向的叠加电场为：

E_out＝E_xcosθ+E_ysinθ

㈣开启光电探测器，利用光电探测器将检偏后的光信号转换成电信号将相位调制信息转化为强度变化信息，将步骤㈢中得到的经检偏后沿检偏器透光轴方向的叠加电场E_out代入下列公式得到经光电探测器进行光电转换后光电流为：

I_out＝R|E_out|²

忽略直流项，取其中的交流项：

其中，A＝A'_xA_xA'_yA_y，Δφ＝φ_y-φ_x+δ₀，P₀＝|E₀|²

令θ＝45°，则上述式中sin2θ＝1；

㈤步骤㈣中的光电流是待测相位调制器相角的余弦函数，通过调节待测相位调制器上所施加的电压，测量输出光电流相邻的最大值和最小值并得出所对应的电压差值即为半波电压；

电压为V₁时，光电流最小，此时对应的

电压为V₂时，光电流最大，此时对应的

两者相减即可以得到待测相位调制器的半波电压：V_π＝|V₁-V₂|。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述电光相位调制器半波电压测量系统中，激光光源、3dB耦合器、第一偏振控制器、偏振合束器、第三偏振控制器、检偏器、光电探测器、待测相位调制器以及第二偏振控制器之间均通过保偏光纤连接。

本发明中采用保偏光纤来连接各光器件，这样能省去偏振控制的麻烦，使偏振态在整个测量系统和测量过程保持不变，简化测量系统的调整并增强稳定性。

前述电光相位调制器半波电压测量系统的测量方法中，步骤㈤中待测相位调制器上电压的调节和输出光电流最大值、最小值的记录，由测量电路控制模块控制电压源、读取光电探测器输出电流来实现并进行自动测量，同时计算半波电压实时显示。

本发明电光相位调制器半波电压测量系统中的器件均为常见商用器件，为市面上能买到的器件。

本发明的有益效果是：

本发明提出一种基于偏振合波的方法测量光电调制器半波电压的系统和方法，结构简单，成本低，能快速、自动、准确测量调制器的半波电压，同时还能有效消除传统干涉方案因为干涉支路长度不匹配或长度随环境因素的变化而引起干涉效率降低或导致测量产生较大误差等问题。

本发明采用基于偏振合波后干涉的方法，比传统的MZ干涉仪或Sagnac干涉仪结构的方法来获取相位信息更精确，灵敏度更高，在本发明中进偏振合束器中的X，Y两支路中的光信号由于偏振态垂直正交，不满足偏振光干涉条件，不会产生干涉，干涉过程只能在检偏器中完成，只有通过检偏器将两束光的振动引导到同一方向上才能满足相干光干涉条件，从而产生干涉。

本发明还能避免传统方法中因两干涉支路光程不匹配和光程差变化而使干涉效率降低的问题，去除因两干涉支路光程不一致所带来的影响，实现半波电压与系统固有光程差无关的测量，使得测量精度和稳定性更高。

本发明采用光电一体化的测量系统，使得相位调制器半波电压的测量变得更简单、方便，能够实现自动化测量，更具实用化价值。

附图说明

图1为本发明实施例电光相位调制器半波电压测量系统的结构框图；

图2为本发明中测量电路控制模块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图1-2对本发明作进一步的详细说明：

本实施例中所用器件均为常用器件，其关键参数如下：

激光光源：ID photonics公司生产，型号为CoBriteDx4，4路窄线宽可调谐激光器，工作波长C波段，线宽<100KHz，输出功率范围：6-16dBm；

3dB耦合器：1x2端口耦合器，分光比为50：50，型号WBC-P-1550,光讯科技生产；

偏振控制器：三浆控制器，型号FPC560，生产厂家Thorlabs；

偏振合束器：型号PBC-1550-P-04-1，光讯科技生产，消光比18dB；

检偏器：型号PCB-2.5-1550，工作波长1500-1600nm，消光比40dB，Thorlabs公司生产；

光电探测器：PICOMETERIX公司生产，型号为AD-200ir-FC，3dB带宽1.8GHz，工作波长950-1650nm，灵敏度-24dBm，增益800V/W；

待测相位调制器：photoline公司生产，标称半波电压为7V，插入损耗2.5dB，电光带宽32GHz，型号MPZ-LN-40。

实施例1

本实施例提供一种电光相位调制器半波电压测量系统，结构如图1所示，包括顺次连接的激光光源、3dB耦合器、第一偏振控制器、偏振合束器、第三偏振控制器、检偏器、光电探测器、测量电路控制模块以及电压源，第一偏振控制器通过3dB耦合器和偏振合束器还并联有待测相位调制器和第二偏振控制器，待测相位调制器和第二偏振控制器串联，电压源连接在待测相位调制器上给待测相位调制器施加电压，使用时，3dB耦合器将激光光源发出的光分成两路光信号并从3dB耦合器的输出端发出，其中一路光信号与所述待测相位调制器的输入端相连，待测相位调制器对光波进行相位调制并输出信号至连接在待测相位调制器输出端的第二偏振控制器中，第二偏振控制器将经待测相位调制器调制后的光信号传送至偏振合束器的输入端；另一路光信号直接经过第一偏振控制器后输入到所述偏振合束器的另一个输入端口中，偏振合束器将两路光信号进行偏振合波，合波后的信号经过第三偏振控制器进行偏振旋转后送入检偏器，检偏后的光信号经过光电探测器后完成光电转换得到电信号；测量电路控制模块将光电探测器与电压源连接起来，通过接收光电探测器输出的数据控制电压源的电压变动完成调制器半波电压的自动测量。

在本实施例中，激光光源、3dB耦合器、第一偏振控制器、偏振合束器、第三偏振控制器、检偏器、光电探测器、待测相位调制器以及第二偏振控制器之间均通过保偏光纤连接。

实施例2

本实施例提供实施例1中电光相位调制器半波电压测量系统的测量方法，具体包括以下步骤：

㈠初始状态下，所有器件处于静止状态，打开激光光源，3dB耦合器将激光光源发出的光分成两路光信号；

㈡手动调整第一偏振控制器，改变一路的光信号的偏振方向，使其与偏振合束器的X支路的偏振态一致，同时，手动调整第二偏振控制器，使通过待测相位调制器调制后的另一路光信号的偏振方向与偏振合束器的Y支路的偏振态一致，此时两个正交方向的光波电场表达为：

E_x＝A_xE₀cos(ω₀t+φ_x)

其中，A_x，A_y分别为两个偏振态上的损耗，φ_x和φ_y是X，Y两臂经历的相移，为待测相位调制器引入的调制相位；

再利用偏振合束器合波，将两个正交方向的光波电场E_x、E_y通过下列公式得到合波后的光场为：

其中A_x,A_y,δ₀分别为偏振合束器引入的两个偏振的损耗和相位差；

㈢手动调节第三偏振控制器，使步骤㈡中经合波后的两路正交偏振态的光信号的偏振方向与检偏器的透振方向一致，经检偏后，将两个相互垂直的偏振态转化到其透振方向上相干合成，偏振合波后的光场经过与X轴成θ角的检偏器后，沿其透光轴方向的叠加电场为：

E_out＝E_xcosθ+E_ysinθ

㈣开启光电探测器，利用光电探测器将检偏后的光信号转换成电信号将相位调制信息转化为强度变化信息，将步骤㈢中得到的经检偏后沿检偏器透光轴方向的叠加电场E_out代入下列公式得到经光电探测器进行光电转换后光电流为：

I_out＝R|E_out|²

忽略直流项，取其中的交流项：

其中，A＝A'_xA_xA'_yA_y，Δφ＝φ_y-φ_x+δ₀，P₀＝|E₀|²

令θ＝45°，则上述式中sin2θ＝1；

㈤步骤㈣中的光电流是待测相位调制器相角的余弦函数，通过调节待测相位调制器上所施加的电压，测量输出光电流相邻的最大值和最小值并得出所对应的电压差值即为半波电压；

电压为V₁时，光电流最小，此时对应的

电压为V₂时，光电流最大，此时对应的

两者相减即可以得到待测相位调制器的半波电压：V_π＝|V₁-V₂|。

在本实施例中：步骤㈤中待测相位调制器上电压的调节和输出光电流最大值、最小值的记录，由测量电路控制模块控制电压源、读取光电探测器输出电流来实现自动测量，同时计算半波电压并实时显示。

在测量电路控制模块在使用时，先设定电压初始值以及扫描步长，同时给定电压的上限，开始初始化，当光电探测器测量到的光电流对应的电压小于给定的电压上限时，记录该电压并按扫描步长逐渐加大电压循环测光电探测器中的电压，直至光电探测器中的电压大于给定的上限电压，此时，即能找到输出光电流最大值及其相邻的最小值，对应的最大、最小输入电压的差值即为半波电压，测量电路控制模块的工作流程如图2所示。

使用本发明中的电光相位调制器半波电压测量系统以及测量方法测量半波电压，能快速、自动、准确的测量出调制器的半波电压，测量精度和稳定性更高。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种电光相位调制器半波电压测量系统，其特征在于：包括顺次连接的激光光源、3dB耦合器、第一偏振控制器、偏振合束器、第三偏振控制器、检偏器、光电探测器、测量电路控制模块以及电压源，所述的第一偏振控制器通过3dB耦合器和偏振合束器还并联有待测相位调制器和第二偏振控制器，所述的待测相位调制器和第二偏振控制器串联，所述的电压源连接在待测相位调制器上给待测相位调制器施加电压，其中：

所述3dB耦合器将激光光源发出的光分成两路光信号并从3dB耦合器的输出端发出，其中一路光信号与所述待测相位调制器的输入端相连，所述待测相位调制器对光波进行相位调制并输出信号至连接在待测相位调制器输出端的第二偏振控制器中，所述的第二偏振控制器将经待测相位调制器调制后的光信号传送至偏振合束器的输入端；另一路光信号直接经过第一偏振控制器后输入到所述偏振合束器的另一个输入端口中，所述偏振合束器将两路光信号进行偏振合波，合波后的信号经过第三偏振控制器进行偏振旋转后送入检偏器，检偏后的光信号经过光电探测器后完成光电转换得到电信号；所述的测量电路控制模块将光电探测器与电压源连接起来，通过接收光电探测器输出的数据控制电压源的电压变动完成调制器半波电压的自动测量。

2.根据权利要求1所述的电光相位调制器半波电压测量系统，其特征在于：所述激光光源、3dB耦合器、第一偏振控制器、偏振合束器、第三偏振控制器、检偏器、光电探测器、待测相位调制器以及第二偏振控制器之间均通过保偏光纤连接。

3.如权利要求1所述的电光相位调制器半波电压测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

㈠初始状态下，所有器件均处于静止状态，打开激光光源，3dB耦合器将激光光源发出的光分成两路光信号；

㈡手动调整第一偏振控制器，改变一路的光信号的偏振方向，使其与偏振合束器的X支路的偏振态一致，同时，手动调整第二偏振控制器，使通过待测相位调制器调制后的另一路光信号的偏振方向与偏振合束器的Y支路的偏振态一致，此时两个正交方向的光波电场表达为：

E_x＝A_xE₀cos(ω₀t+φ_x)

其中，A_x，A_y分别为两个偏振态上的损耗，φ_x和φ_y是X，Y两臂经历的相移，为待测相位调制器引入的调制相位；

再利用偏振合束器合波，将两个正交方向的光波电场E_x、E_y通过下列公式得到合波后的光场为：

其中A_x,A_y,δ₀分别为偏振合束器引入的两个偏振的损耗和相位差；

㈢手动调节第三偏振控制器，使步骤㈡中经合波后的两路正交偏振态的光信号的偏振方向与检偏器的透振方向一致，经检偏后，将两个相互垂直的偏振态转化到其透振方向上相干合成，偏振合波后的光场经过与X轴成θ角的检偏器后，沿其透光轴方向的叠加电场为：

E_out＝E_xcosθ+E_ysinθ

㈣开启光电探测器，利用光电探测器将检偏后的光信号转换成电信号，将步骤㈢中得到的经检偏后沿检偏器透光轴方向的叠加电场E_out代入下列公式得到经光电探测器进行光电转换后光电流为：

I_out＝R|E_out|²

忽略直流项，取其中的交流项：

其中，A＝A'_xA_xA'_yA_y，Δφ＝φ_y-φ_x+δ₀，P₀＝|E₀|²

令θ＝45°，则上述式中sin2θ＝1；

㈤步骤㈣中的光电流是待测相位调制器相角的余弦函数，通过调节待测相位调制器上所施加的电压，测量输出光电流相邻的最大值和最小值并得出所对应的电压差值即为半波电压；

电压为V₁时，光电流最小，此时对应的

电压为V₂时，光电流最大，此时对应的

两者相减即可以得到待测相位调制器的半波电压：V_π＝|V₁-V₂|。

4.如权利要求3所述的电光相位调制器半波电压测量系统的测量方法，其特征在于，步骤㈤中待测相位调制器上电压的调节和输出光电流最大值、最小值的记录，由测量电路控制模块控制电压源、读取光电探测器输出电流来实现并进行自动测量，同时计算半波电压实时显示。