CN105445575B - 一种光器件s参数测量中的光路去嵌入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光器件S参数测量中的光路去嵌入方法，包括以下步骤：步骤一：当光夹具S参数未知时，根据光夹具的特征参数构建光夹具的等效模型，转入步骤二，若当光夹具S参数已知时，则直接转入步骤三；步骤二：利用光夹具的等效模型的长度、折射率和损耗值这三个特征参数求解光夹具S参数；步骤三：利用光夹具S参数得出光夹具去嵌入公式，将光夹具S参数与光夹具和被测件总的S参数进行直接运算，即可获得被测件的S参数。该方法光夹具S参数获取容易；光夹具去嵌入方法仅需将光夹具S参数与光夹具和被测件总的S参数进行直接运算，无需进行繁琐的参数变化，计算简便；消除了光夹具的影响，提高了测量精度。

Description

一种光器件S参数测量中的光路去嵌入方法

技术领域

本发明涉及光电测试技术领域，具体涉及一种光器件S参数测量中的光路去嵌入方法。

背景技术

在微波射频\光波测试领域，电\光测试夹具的引入对电器件\光器件S参数测量精度带来一定影响，如何消除夹具效应是重要的研究方向之一。对于微波射频测试，目前消除电夹具效应的技术有端口延伸补偿法、时域分析法、SOLT校准法、去嵌入法等。端口延伸补偿法利用同轴校准件对测试端口进行校准，将校准面补偿延伸至测试面，该方法易于实现，但对对补偿的部分阻抗特性要求严格；时域分析法利用时域转换和时间门消除夹具影响，但该方法受限于网络分析仪的测试频率范围，且不能消除损耗影响；SOLT校准法需使用校准件，过程复杂；去嵌入法需已知夹具的S参数，采用软件处理来消除夹具影响。对于光波测试，也可以基于上述的原理消除光夹具的效应，目前公开发表的文章中基本没有涉及相关技术。

电夹具去嵌入法需要已知夹具的S参数，对于一些非标夹具，S参数获取困难，限制了算法的实用性；运算中，需要先将夹具的S参数转换成T参数，经过运算后得到被测件的T参数，再转换得到被测件的S参数，运算过程复杂。

在基于光波元件分析仪的光器件S参数测量中，光测试夹具的引入对测量精度带来一定影响。S参数测量结果包含光夹具的响应，如不消除光夹具带来的影响，就无法得到被测光器件的精确特性。本发明阐述了一种去嵌入方法，达到消除光夹具响应，获得被测光器件真实响应的目的，以满足高精度测试需求。

电路去嵌入技术在许多S参数测量仪器中应用广泛，而光路去嵌入技术基本没有在公开发表的文章中涉及。本发明阐述的光路去嵌入技术是电路去嵌入技术的扩展。电路去嵌入的实现过程为：获取夹具S参数、夹具和被测件级联的S参数，将这两项S参数均转换成T参数，运算获得被测件的T参数后再将被测件T参数转换获得被测件的S参数。此方法存在夹具S参数获取困难、运算复杂问题，限制的工程应用，不能很好的满足光器件S参数快速、精准的测量需求。

电路去嵌入算法需要已知电夹具的S参数，并且需要进行多次参数转换算法复杂，测试成本高。且电路去嵌入是针对电夹具，电夹具与光夹具的影响因素不同。本发明提出了可有效消除光夹具影响的光路去嵌入方法，该方法的算法实现过程精简，效率高，操作性和实用性强。

其中，S参数称为散射参数，S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。

光波元器件分析仪适用于测试所有相关的光电S参数，S11：端口2匹配时，端口1的反射系数；S22：端口1匹配时，端口2的反射系数；S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提出了一种应用在光器件S参数测量中的光路去嵌入方法，用于消除使用光波元件分析仪进行光器件S参数测量时光夹具的影响。本发明通过夹具的特征参数建立等效模型获取S参数，获取方法简易；在消除光夹具影响的运算中，直接将夹具的S参数和经光电校准后的测量S参数进行简单运算，即可获得被测件的S参数，算法简单可行。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种光器件S参数测量中的光路去嵌入方法，包括以下步骤：

步骤一：当光夹具S参数未知时，根据光夹具的特征参数构建光夹具的等效模型，转入步骤二，若当光夹具S参数已知时，则直接转入步骤三；

步骤二：利用光夹具的等效模型的长度、折射率和损耗值这三个特征参数求解光夹具S参数；

步骤三：根据光路的数据流图得出光夹具去嵌入公式，将光夹具S参数与光夹具和被测件总的S参数进行直接运算，即可获得被测件的S参数。

进一步的，在步骤一中，光夹具的等效模型是通过分析光夹具对光路的影响得到的；对光路的影响分别为幅度衰减和相位延迟两部分，造成此两种影响的光夹具参数为：衰减D、长度L和折射率n，通过此三项参数计算得出光夹具的S21参数，用于进行光夹具的去嵌入计算。

进一步的，在步骤三中，运算指的是下面介绍的三种光器件对应的公式运算。“直接”体现在与传统的去嵌入方法的比较。传统方法需要先对S参数进行T参数转换再进行运算之后再将T参数转换成为S参数。

进一步的，光夹具S参数求解时，在光夹具的四项S参数中，在光夹具去嵌入时只需用到S₂₁参数，设：

S₂₁＝A+i*B

式中，A为实部，B为虚部。

根据光传播原理，可推导得到A、B与等效模型中参数的关系为：

其中：Δφ为相位延迟量，计算公式为：

由上述式子可得：

这样即可求出光夹具的S₂₁参数，其中，L为夹具长度(单位m)，n为夹具折射率，D为夹具的衰减(单位dB)，λ为光波长(单位m)。

进一步的，光器件包括电光器件、光电器件和光光器件，不同的光器件的光路连接方式不同，每种光器件对应相应的光夹具去嵌入公式。

进一步的，对电光器件，光波元件分析仪对测量得到的S参数经光电校准后得出校准后的S参数S_总，校准后的平面称之为光波元件分析仪校准平面，根据电光被测件和光夹具组成部分的信号流图和mason公式，可以得出：

S₁₁＝S_11总

其中S_11总、S_21总为经过光电校准后的S参数，为被测件和夹具组合而成的总S参数；两端口器件包含四项S参数，S11、S12、S21、S22,此四项统称为S参数，此处说S_总即代表四项S参数。

电光被测件的光端口反射和光夹具端口反射均比较微弱，故认为S₂₂J₁₁为0，可得：

S₁₁＝S_11总

通过上式即可得出去嵌入后的待测件S参数，光夹具的S参数用J₂₁、J₂₂、J₁₂、J₁₁表示。

在利用光波元件分析仪对光电器件的S参数测量时，通常仅关注正向传输系数S21和电端口的反射系数(电光器件的S11、光电器件的S22)，故本发明中针对电光器件的计算公式中只有S11和S21，光电器件的计算公式中只有S22和S21，光光器件的计算公式中只有S21。

进一步的，对光电器件，光波元件分析仪对测量得到的S参数经光电校准后得出校准后的S参数S_总，校准后的平面称之为光波元件分析仪校准平面。根据光夹具和光电被测件组成部分的信号流图和mason公式，可以得出：

S₂₂＝S_22总

其中S_21总、S_22总为经过光电校准后的S参数，为被测件和夹具组合而成的总S参数；

光夹具端口反射和光电被测件的光端口反射均比较微弱，故认为J₂₂S₁₁为0，可得：

S₂₂＝S_22总

通过上式即可得出去嵌入后的待测件S参数，光夹具的S参数用J₂₁、J₂₂、J₁₂、J₁₁表示。

进一步的，对光器件，光波元件分析仪对测量得到的S参数经光电校准后得出校准后的S参数S_总，校准后的平面称之为光波元件分析仪校准平面。根据光夹具一、光电被测件和光夹具二组成部分的信号流图和mason公式，可以得出：

其中S_21总为经过光电校准后的S参数，为光夹具一、被测件和光夹具二组合而成的总S参数；

光夹具一的光端口反射、待测光器件的光端口反射和光夹具二的光端口反射均比较微弱，故认为S₁₁L₂₂、J₁₁S₂₂为0，可得：

通过上式即可得出去嵌入后的待测件S参数，光夹具一的S参数用L₂₁、L₂₂、L₁₂、L₁₁表示，光夹具二的S参数用J₂₁、J₂₂、J₁₂、J₁₁表示。

本发明的有益效果：

本发明提出的光路去嵌入方法，构建了光夹具的等效模型，利用光夹具的长度、折射率和损耗值三个参数推导出光夹具S参数计算公式；利用光夹具S参数得出光夹具去嵌入公式。该方法光夹具S参数获取容易；光夹具去嵌入方法仅需将光夹具S参数与光夹具和被测件总的S参数进行直接运算，无需进行繁琐的参数变化，计算简便；消除了光夹具的影响，提高了测量精度。总之，本申请达到算法精简、实时性高、实用性强、精度高的优点。实时性高体现在“无需进行繁琐的参数变化”，传统方法需要先对S参数进行T参数转换再进行运算之后再将T参数转换成为S参数。

附图说明

图1本发明的光夹具等效模型；

图2电光器件测试方案图；

图3由电光被测件和光夹具组成部分的信号流图；

图4光电器件测试方案图；

图5由光夹具和光电被测件组成部分的信号流图；

图6光光器件测试方案图；

图7由光夹具一、光电被测件和光夹具二组成部分的信号流图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种光器件S参数测量中的光路去嵌入方法，包括光夹具等效模型的构建和光夹具影响的消除两个部分。

在用光波元件分析仪进行光器件S参数测量时，若仪器的光输入/输出接口与待测光器件的光输入/输出接口不匹配，不能直接相连，则需要借助光夹具作为测试仪器与被测光器件的连接中介，光夹具的引入给待测件S参数测量带来一定影响，必须进行消除。

常用的光夹具有光纤、光衰减器、光连接器、光探针等无源光器件，根据工程实践分析光夹具对光路的影响，构建如图1所示的光夹具等效模型。图1中，L为夹具长度(单位为m)，n为夹具折射率，D为夹具的衰减(单位为dB)。

光夹具S参数求解，在光夹具的四项S参数中，本发明在光夹具去嵌入时只需用到S₂₁参数，四项S参数为S11、S21、S12、S22,“只需用到S21参数”，是依据后续针对三种光器件去嵌入公式得出的结论，公式中仅仅用到了光夹具的S21参数，设：

S₂₁＝A+i*B

式中，A为实部，B为虚部

根据光传播原理，可推导得到A、B与等效模型中参数的关系为：

其中：Δφ为相位延迟量，计算公式为：

由上述式子可得：

这样即可求出光夹具的S₂₁参数。

光器件包括电光器件(电光调制器、调制激光器等)、光电器件(PIN光电探测器、APD光电探测器等)和光光器件(光纤、滤波器等)。不同的器件的光路连接方式不同，下面分别进行介绍。

电光器件：测试方案图如图2所示，光波元件分析仪对测量得到的S参数经光电校准后得出校准后的S参数S_总，校准后的平面称之为光波元件分析仪校准平面。由电光被测件(左侧)和光夹具(右侧，S参数用J表示)组成部分的信号流图如图3所示。

由mason公式，可以得出：

S₁₁＝S_11总

其中S_11总、S_21总为经过光电校准后的S参数，为被测件和夹具组合而成的总S参数。

实际上，电光被测件的光端口反射和光夹具端口反射均比较微弱，故认为S₂₂J₁₁为0，可得：

S₁₁＝S_11总

通过上式即可得出去嵌入后的待测件S参数，光夹具的S参数用J₂₁、J₂₂、J₁₂、J₁₁表示。

光电器件：测试方案图如图4所示，光波元件分析仪对测量得到的S参数经光电校准后得出校准后的S参数S_总，校准后的平面称之为光波元件分析仪校准平面。由光夹具和光电被测件组成部分的信号流图如图5所示。

由mason公式，可以得出：

S₂₂＝S_22总

其中S_21总、S_22总为经过光电校准后的S参数，为被测件和夹具组合而成的总S参数。

实际上，光夹具端口反射和光电被测件的光端口反射均比较微弱，故认为J₂₂S₁₁为0，可得：

S₂₂＝S_22总

通过上式即可得出去嵌入后的待测件S参数，光夹具的S参数用J₂₁、J₂₂、J₁₂、J₁₁表示。

光光器件：测试方案图如图6所示：光波元件分析仪对测量得到的S参数经光电校准后得出校准后的S参数S_总，校准后的平面称之为光波元件分析仪校准平面。由光夹具一、光电被测件和光夹具二组成部分的信号流图如图7所示：

由mason公式，可以得出：

其中S_21总为经过光电校准后的S参数，为光夹具1、被测件和光夹具2组合而成的总S参数。

实际上，光夹具一的光端口反射、待测光光器件的光端口反射和光夹具二的光端口反射均比较微弱，故认为S₁₁L₂₂、J₁₁S₂₂为0，可得：

通过上式即可得出去嵌入后的待测件S参数，光夹具一的S参数用L₂₁、L₂₂、L₁₂、L₁₁表示，光夹具二的S参数用J₂₁、J₂₂、J₁₂、J₁₁表示。

上述发明中讲述了一种利用光夹具长度、折射率和衰减进行求解S₂₁，并将此S₂₁参数用于去嵌入运算的方法。在实际应用中，某些光夹具的S₂₁参数已知，则可以直接用于去嵌入运算，无需本发明第一部分(利用光夹具长度、折射率和衰减进行求解S₂₁的部分)。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种光器件S参数测量中的光路去嵌入方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：当光夹具S参数未知时，根据光夹具的特征参数构建光夹具的等效模型，转入步骤二，若当光夹具S参数已知时，则直接转入步骤三；

步骤二：利用光夹具的等效模型的长度、折射率和损耗值这三个特征参数求解光夹具S参数；

步骤三：根据光路的数据流图得出光夹具去嵌入公式，将光夹具S参数与光夹具和被测件总的S参数进行直接运算，即可获得被测件的S参数。

2.如权利要求1所述的一种光器件S参数测量中的光路去嵌入方法，其特征是，在步骤一中，光夹具的等效模型是通过分析光夹具对光路的影响得到的；对光路的影响分别为幅度衰减和相位延迟两部分，造成此两种影响的光夹具参数为：衰减D、长度L和折射率n，通过此三项参数计算得出光夹具的S21参数，用于进行光夹具的去嵌入计算。

3.如权利要求1所述的一种光器件S参数测量中的光路去嵌入方法，其特征是，光夹具S参数求解时，在光夹具的四项S参数中，在光夹具去嵌入时只需用到S₂₁参数，设：

S₂₁＝A+i*B

式中，A为实部，B为虚部。

4.如权利要求3所述的一种光器件S参数测量中的光路去嵌入方法，其特征是，根据光传播原理，可推导得到A、B与等效模型中参数的关系为：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mn>10</mn> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>g</mi> <mo>(</mo> <msup> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>B</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mi>D</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mfrac> <mi>B</mi> <mi>A</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中：Δφ为相位延迟量，计算公式为：

<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mfrac> <mrow> <mi>n</mi> <mi>L</mi> </mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> </mrow>

由上述式子可得：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>A</mi> <mo>=</mo> <msup> <mn>10</mn> <mfrac> <mi>D</mi> <mn>20</mn> </mfrac> </msup> <mo>*</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mfrac> <mrow> <mi>n</mi> <mi>L</mi> </mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>B</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msup> <mn>10</mn> <mfrac> <mi>D</mi> <mn>20</mn> </mfrac> </msup> <mo>*</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mfrac> <mrow> <mi>n</mi> <mi>L</mi> </mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

这样即可求出光夹具的S₂₁参数，其中，L为夹具长度，单位为m，n为夹具折射率，D为夹具的衰减，单位为dB，λ为光波长，单位为m。

5.如权利要求1所述的一种光器件S参数测量中的光路去嵌入方法，其特征是，光器件包括电光器件、光电器件和光光器件，不同的光器件的光路连接方式不同，每种光器件对应相应的光夹具去嵌入公式。

6.如权利要求5所述的一种光器件S参数测量中的光路去嵌入方法，其特征是，对电光器件，光波元件分析仪对测量得到的S参数经光电校准后得出校准后的S参数S_总，校准后的平面称之为光波元件分析仪校准平面，根据电光被测件和光夹具组成部分的信号流图和mason公式，可以得出：

S₁₁＝S_11总

其中S_11总为经过光电校准后的S参数，S_21总为被测件和夹具组合而成的总S参数；

电光被测件的光端口反射和光夹具端口反射均比较微弱，故认为S₂₂J₁₁为0，可得：

S₁₁＝S_11总

通过上式即可得出去嵌入后的待测件S参数，光夹具的S参数用J₂₁、J₂₂、J₁₂、J₁₁表示。

7.如权利要求5所述的一种光器件S参数测量中的光路去嵌入方法，其特征是，对光电器件，光波元件分析仪对测量得到的S参数经光电校准后得出校准后的S参数S_总，校准后的平面称之为光波元件分析仪校准平面，根据光夹具和光电被测件组成部分的信号流图和mason公式，可以得出：

S₂₂＝S_22总

其中S_21总、S_22总为经过光电校准后的S参数，为被测件和夹具组合而成的总S参数；

光夹具端口反射和光电被测件的光端口反射均比较微弱，故认为J₂₂S₁₁为0，可得：

S₂₂＝S_22总

通过上式即可得出去嵌入后的待测件S参数，光夹具的S参数用J₂₁、J₂₂、J₁₂、J₁₁表示。

8.如权利要求5所述的一种光器件S参数测量中的光路去嵌入方法，其特征是，对光器件，光波元件分析仪对测量得到的S参数经光电校准后得出校准后的S参数S_总，校准后的平面称之为光波元件分析仪校准平面，根据光夹具一、光电被测件和光夹具二组成部分的信号流图和mason公式，可以得出：

其中S_21总为经过光电校准后的S参数，为光夹具一、被测件和光夹具二组合而成的总S参数；

光夹具一的光端口反射、待测光器件的光端口反射和光夹具二的光端口反射均比较微弱，故认为S₁₁L₂₂、J₁₁S₂₂为0，可得：

通过上式即可得出去嵌入后的待测件S参数，光夹具一的S参数用L₂₁、L₂₂、L₁₂、L₁₁表示，光夹具二的S参数用J₂₁、J₂₂、J₁₂、J₁₁表示。