CN105606890A - 一种光波元件频率响应特性参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光波元件频率响应特性参数测量装置，包括信号分离单元、信号处理单元、多通道幅相混频接收单元、射频测试单元和高频光载波信号产生单元，其中，所述信号源产生高频调制电微波信号后，信号分离单元将高频调制电微波信号分离成参考信号和输入信号，由多通道幅相混频接收单元接收。本装置集电-光测试功能、光-电测试功能、光-光测试功能、电-电测试功能于一体的，方便携带、高度集成化，能够快速、准确的对各类光波器件的频响特性进行测试。

Description

一种光波元件频率响应特性参数测量装置

技术领域

本发明涉及一种光波元件频率响应特性参数测量装置。

背景技术

随着互联网的飞速发展，云计算、大数据平台应运而生，全球对信息需求量急剧增加，促使光通信技术向高速、大容量的方向发展，40G高速光纤通信系统成为研究热点并进入实用化阶段，因此用于高速光电、电光器件的频率响应特性参数测量装置亟待研发。而在一个高速光传输系统中，激光器、电光调制器、光电探测器、光放大器等核心光波元件是影响信号通信质量的核心器件，其中激光器的偏置和带宽，调制器的偏置、驱动和带宽，光电探测器的输入功率和带宽，光放大器的带宽、平坦度和增益饱和度，以及各光波元件的不平衡和电路失配等因素都是影响整个系统传输速率的重要因素，只有保证各个光波元件的带宽、平坦度等指标才能保证整个系统的传输速率和信号保真。

因此在核心高速光波元件研制和生产，以及高速光传输系统研制中，急需用于高速光波元件频率响应特性参数的测试仪器。

然而，目前用于光器件频率响应特性参数的测试仪器多数只具有单一的功能，如近红外光电探测器参数测试仪只能对光电探测器进行测量；如激光器参数测试仪只能对激光器参数进行测量；如电光调制器分析仪只能对调制器进行测量，等等。

目前的测量方法存在单一仪器不能完成对多种类型光波器件的多功能测试，且由多种测试仪器组成的测试系统体积庞大、操作复杂、携带极其不方便等，不能满足现代光纤通信网络系统中光缆维护的需求。

目前用于高速光波器件频率响应测试的方法主要是利用各类专用测试仪器搭建的测试系统，如近红外光电探测器参数测试仪、半导体激光器参数测试仪、电光调制器分析仪等，这种测试方法操作复杂，不同类型的光波器件需要熟悉不同类型的测试仪器，且测试系统体积庞大、操作复杂、携带极其不方便。

另外还有一种测试方法是利用分立模块搭建基于微波扫描信号发生器、激光光源、高速电光调制器、光衰减器、高速电光调制器、微波光功率计及频谱分析仪等组成的分立仪器组合测试系统，如图1所示，能够实现对各类光电器件的调制特性测试，但存在系统集成度差，系统累积误差大，对整个测试系统的校准困难，且测试操作复杂，测试效率低等问题。

在高速光波元件频率响应参数测试中，随着高速、大容量光纤通信系统的发展，高速光波元件如激光器、电光调制器、光电探测器、光放大器等核心光波元件是影响信号通信质量的核心器件，因此用于高速光电、电光器件的频率响应特性参数测量装置亟待研发。现有测试技术主要利用多种专用测试仪器搭建的测试系统，该测试方法操作复杂，不同类型的光波器件需要熟悉不同类型的测试仪器，且测试系统体积庞大、操作复杂、携带极其不方便。

综上所述，目前的测量方法存在单一仪器不能完成对多种类型光波器件的多功能测试，且由多种测试仪器组成的测试系统体积庞大、操作复杂、携带极其不方便等，不能满足现代光纤通信网络系统中光缆维护的需求。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种光波元件频率响应特性参数测量装置，本装置集电-光测试功能、光-电测试功能、光-光测试功能、电-电测试功能于一体的，方便携带、高度集成化，能够快速、准确的对各类光波器件的频响特性进行测试。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光波元件频率响应特性参数测量装置，包括信号分离单元、信号处理单元、多通道幅相混频接收单元、射频测试单元和高频光载波信号产生单元，其中，所述信号源产生高频调制电微波信号后，信号分离单元将高频微波信号分离成参考信号和输入信号，由多通道幅相混频接收单元接收；

输入信号通过端口传输到，根据被测元件的测试类型，利用射频开关选择是否经过高频光载波信号产生单元，如果不经过高频光载波信号产生单元，则射频测试单元对被测元件进行测试后，将获得的反射信号返回多通道幅相混频接收单元；

所述高频光载波信号产生单元将光源发出的光波信号进行高频调试，利用正交偏置点自动控制，实现对电光调制器线性工作点的自动跟踪保持，获得高频调制的光载波信号作为光波测试信号，光波测试信号进入多通道幅相混频接收单元；

所述多通道幅相混频接收单元，将含有被测光波元件幅度和相位信息的反射信号与参考信号进行基波混频，产生中频信号，对中频信号调理后传输给信号处理单元；

所述信号处理单元，接收调理后的中频信号，对电光S网络参数的运算和处理。

所述信号分离单元，包括对称设置的两组分离组件，所述分离组件包括射频开关、功率分配器和定向耦合器，其中，射频开关的公共端连接信号源，射频开关的切换端口I连接功率分配器，射频开关的切换端口II连接端口A，功率分配器一路连接多通道幅相混频接收单元的参考信号接收机，另一路连接定向耦合器的输入端口，定向耦合器的直通输出端连接端口B，耦合输出端连接多通道幅相混频接收单元的反射信号接收机。

所述多通道福相混频接收单元，包括两组对称设置的接收机，每组接收机包括一个反射信号接收机和参考信号接收机，分别接收反射信号和参考信号。

所述射频测试单元，包括两个对称设置的射频开关和射频端口，其中，射频开关的公共端连接端口A或端口B，射频开关的切换端口I连接射频端口，射频开关的切换端口II连接高频光载波信号产生单元。

所述高频光载波信号产生单元，包括第一隔直器、第二隔直器、电光调制器、激光器、正交偏置点自动控制单元和光接收机，其中，第一隔直器的一端连接射频测试单元中射频开关的切换端口II，另一端连接电光调制器，电光调制器一端连接激光器，电光调制器另一端连接光发射端口，正交偏置点自动控制单元控制电光调制器的偏置电压；第二隔直器的一端连接射频测试单元中另一个射频开关的切换端口II，第二隔直器的另一端连接光接收机，光接收机连接光接收端口。

所述信号处理单元包括DSP数字信号处理模块和显示模块，其中，DSP数字信号处理模块对电光S网络参数的运算和处理，运算结果通过数据总线传输至上位机，利用显示模块进行显示。

所述光波元件频率响应特性参数测量装置的两个射频端口、光发射端口和光接收端口为测量端口，进行电-光、光-电、光-光和电光四种测试。

本发明的有益效果为：

(1)采用一体化测量方式，不同于各类专用测试仪器集成的思路，通过电发射端口、光发射端口、电接收端口、光接收端口的组合可以实现对各类光波器件的测试，具有通用型和适用性；

(2)高频光载波信号的产生采用外调制的方式实现，可以有效减小波长啁啾、强度抖动，提高信号的强度和频率稳定性；

(3)利用自动偏置控制回路控制电光调制器的偏置电压，提高信号源的稳定性和可靠性；

(4)信号分离机构采用对称式结构，可以实现平衡光波元件测试。

附图说明

图1为现有的分立仪器组合测试系统结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的测试原理图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出的一种光波元件频率响应特性参数测量装置是利用整机光\机\电\微波高集成化的解决方案，测量装置包含高纯度微波激励信号、高速的电光调制、高速光电转换、高精度电光S网络参数测量、误差分析与校准等软硬件模块，高集成度、高效校准方法有效的提高了测量精度和测量速度，有效减小了接口误差。测量装置通过电发射端口、电接收端口、光发射端口和光接收端口的组合，可以实现电-光、光-电、光-光、电-电测试功能，能够对激光器、探测器、电光调制器、光无源器件等光波元件的调制特性进行测试。与传统测试方法相比，光波元件分析平台具有集成度高、可靠性高、校准简单、操作简单、测量精度高，测试效率高等优点。

如图2所示，装置由信号源、射频开关、信号分离装置、光波源、电光调制器、光波接收模块、幅相接收机、信号处理模块等组成，其中信号源为整机提供具有频率、功率和相位扫描功能的高频调制微波信号，信号频率范围可达10MHz-40GHz；高频微波信号由射频开关、功率分配器、定向耦合器组成的信号分离装置实现对被测微波信号和参考微波信号的分离；利用高速电光调制器实现对光波源的高频调制，利用正交偏置点自动控制单元实现对电光调制器线性工作点的自动跟踪保持，高频微波信号作为调制源，从而获得高频调制的光载波信号；通过高速光接收模块将被测光波元件的高频光载波信号转换为高频微波信号，微波信号经过射频开关、定向耦合器等信号分离装置后，由幅相接收机实现对被测信号的测量，由信号处理模块实现各测量功能的信号处理。

大功率、高纯微波信号产生单元为整机提供高频电激励信号，通过射频开关和定向耦合器可以自由配置到端口1、端口2、端口3和端口4；电桥将激励信号分为参考信号和输入信号两部分，参考信号耦合到参考接收机，从而实现对被测光波元件相对频率响应的测试；程控步进衰减器用于调整输入信号幅度及功率扫描；定向耦合器将反射信号、传输信号耦合到幅相接收机；两个激励信号源可以实现平衡光波元件测试。

高频光载波信号产生单元由高速DFB激光器、Mach-Zehnder电光强度调制器、高速光电转换等模块组成，高频光载波信号的产生采用外调制的方式实现，可以有效减小波长啁啾、强度抖动，提高信号的强度和频率稳定性，其中激光器采用窄线宽分布式布喇格反馈(DFB)半导体激光器输出稳定的连续激光，采用Mach-Zehnder电光强度调制器实现对连续激光的强度调制，利用端口5的射频信号驱动电光调制器，从而实现高频光载波信号的产生。利用自动偏置控制回路控制电光调制器的偏置电压，提高信号源的稳定性和可靠性。光接收端口通过高速光电转换模块实现高频光信号到电信号的转换，并由端口6输出，通过同轴电缆连接配置给相应的接收端口。

被测信号与参考信号通过多通道幅相混频接收模块，将含有被测光波元件幅度和相位信息的入射、反射和传输信号与本振信号进行基波混频，产生的中频信号送入中频多路开关信号调理模块作进一步的处理，在中频信号调理模块中完成对中频信号的调理，以满足数字信号处理模块对中频信号的要求。利用高速DSP数字信号处理模块实现对电光S网络参数的运算和处理，运算结果通过PCIE数据总线传输至上位机嵌入式工控计算机，由嵌入式工控计算机控制显示、键控和外设接口通信，从而实现对光波元件电光S网络参数的测量。

图3所示为光波元件频率响应特性参数测量装置在电-光(E/O)、光-电(O/E)、光-光(O/O)、电-电(E/E)测量功能下的端口配置图，光波元件分析平台通过电发射端口、电接收端口、光发射端口、光接收端口的组合，实现电-光(E/O)、光-电(O/E)、光-光(O/O)测试功能。

实施例一：

光光测试：微波信号源发出微波信号经过功率分配器A，一路作为参考微波信号由参考接收机接收；另外一路经过定向耦合器A由端口1传输至端口5，然后微波信号经由射频开关A传输至电光调制器，对光波信号进行高频调制，经过微波调制的光波信号由光发射端口输出，光波调制信号经过被测件后，光波信号由光波接收端口接收，光波信号由高速光接收机将被测光波信号转换为微波信号，微波信号经射频开关B传输至端口6，然后经端口2及定向耦合器传输至微波接收机B。

实施例二：

电电测试：微波信号源发出微波信号经过功率分配器A，一路作为参考微波信号由参考接收机接收；另外一路经过定向耦合器A由端口1传输至端口5，然后微波信号经由射频开关A传输至射频端口A，然后经过被测件后微波信号由射频端口B接收，微波信号经射频开关B传输至端口6，然后经端口2及定向耦合器传输至微波接收机B。

实施例三：

电光测试：微波信号源发出微波信号经过功率分配器A，一路作为参考微波信号由参考接收机接收；另外一路经过定向耦合器A由端口1传输至端口5，然后微波信号经由射频开关A传输至射频端口A，然后经过被测件，被测件产生的光波信号由光波接收端口接收，光波信号由高速光接收机将被测光波信号转换为微波信号，微波信号经射频开关B传输至端口6，然后经端口2及定向耦合器传输至微波接收机B。

实施例四：

光电测试：微波信号源发出微波信号经过功率分配器A，一路作为参考微波信号由参考接收机接收；另外一路经过定向耦合器A由端口1传输至端口5，然后微波信号经由射频开关A传输至电光调制器，对光波信号进行高频调制，经过微波调制的光波信号由光发射端口输出，光波调制信号经过被测件后产生的微波信号经射频开关B传输至端口6，然后经端口2及定向耦合器传输至微波接收机B。

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 (7)

1.一种光波元件频率响应特性参数测量装置，其特征是：包括信号分离单元、信号处理单元、多通道幅相混频接收单元、射频测试单元和高频光载波信号产生单元，其中，所述信号源产生高频调制电微波信号后，信号分离单元将高频微波信号分离成参考信号和输入信号，由多通道幅相混频接收单元接收；

输入信号通过端口传输到，根据被测元件的测试类型，利用射频开关选择是否经过高频光载波信号产生单元，如果不经过高频光载波信号产生单元，则射频测试单元对被测元件进行测试后，将获得的反射信号返回多通道幅相混频接收单元；

所述高频光载波信号产生单元将光源发出的光波信号进行高频调试，利用正交偏置点自动控制，实现对电光调制器线性工作点的自动跟踪保持，获得高频调制的光载波信号作为光波测试信号，光波测试信号进入多通道幅相混频接收单元；

所述多通道幅相混频接收单元，将含有被测光波元件幅度和相位信息的反射信号与参考信号进行基波混频，产生中频信号，对中频信号调理后传输给信号处理单元；

所述信号处理单元，接收调理后的中频信号，对电光S网络参数的运算和处理。

2.如权利要求1所述的一种光波元件频率响应特性参数测量装置，其特征是：所述信号分离单元，包括对称设置的两组分离组件，所述分离组件包括射频开关、功率分配器和定向耦合器，其中，射频开关的公共端连接信号源，射频开关的切换端口I连接功率分配器，射频开关的切换端口II连接端口A，功率分配器一路连接多通道幅相混频接收单元的参考信号接收机，另一路连接定向耦合器的输入端口，定向耦合器的直通输出端连接端口B，耦合输出端连接多通道幅相混频接收单元的反射信号接收机。

3.如权利要求1所述的一种光波元件频率响应特性参数测量装置，其特征是：所述多通道福相混频接收单元，包括两组对称设置的接收机，每组接收机包括一个反射信号接收机和参考信号接收机，分别接收反射信号和参考信号。

4.如权利要求1所述的一种光波元件频率响应特性参数测量装置，其特征是：所述射频测试单元，包括两个对称设置的射频开关和射频端口，其中，射频开关的公共端连接端口A或端口B，射频开关的切换端口I连接射频端口，射频开关的切换端口II连接高频光载波信号产生单元。

5.如权利要求1所述的一种光波元件频率响应特性参数测量装置，其特征是：所述高频光载波信号产生单元，包括第一隔直器、第二隔直器、电光调制器、激光器、正交偏置点自动控制单元和光接收机，其中，第一隔直器的一端连接射频测试单元中射频开关的切换端口II，另一端连接电光调制器，电光调制器一端连接激光器，电光调制器另一端连接光发射端口，正交偏置点自动控制单元控制电光调制器的偏置电压；第二隔直器的一端连接射频测试单元中另一个射频开关的切换端口II，第二隔直器的另一端连接光接收机，光接收机连接光接收端口。

6.如权利要求1所述的一种光波元件频率响应特性参数测量装置，其特征是：所述信号处理单元包括DSP数字信号处理模块和显示模块，其中，DSP数字信号处理模块对电光S网络参数的运算和处理，运算结果通过数据总线传输至上位机，利用显示模块进行显示。

7.如权利要求1所述的一种光波元件频率响应特性参数测量装置，其特征是：所述光波元件频率响应特性参数测量装置的两个射频端口、光发射端口和光接收端口为测量端口，进行电-光、光-电、光-光和电光四种测试。