CN105675260B - 一种马赫‑曾德尔电光调制器频率响应的测量装置与方法 - Google Patents

一种马赫‑曾德尔电光调制器频率响应的测量装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种马赫‑曾德尔电光调制器频率响应的测量装置与方法，属于光电子技术领域。目的在于克服现有测量中频率分辨率低、校准困难、高带宽需求的问题。本发明将一束光载波直接送入待测马赫‑曾德尔电光调制器中，利用加载在待测马赫‑曾德尔电光调制器的驱动电极上的第一信号源和第二信号源与偏置电极上的第三信号源进行调制，第一信号源与第二信号源输出具有频率差的正弦信号，第三信号源输出低频信号；光调制信号直接进入光电探测器进行拍频，然后在拍频信号中提取出三个特定的混频信号的幅度，获得待测马赫‑曾德尔电光调制器在单个调制频率的调制系数和半波电压；扫描所述射频信号的频率，即可得到待测马赫‑曾德尔电光调制器频率响应。

Description

一种马赫-曾德尔电光调制器频率响应的测量装置与方法
技术领域
本发明属于光电子器件测试领域，具体涉及一种马赫-曾德尔电光调制器频率响应的测量装置与方法。
背景技术
马赫-曾德尔电光调制器是光通信系统和微波光子链路中的关键器件，随着工作速率和工作频率的不断提升或扩展，马赫-曾德尔电光调制器的频率响应往往影响整个系统或者链路的性能，因此对马赫-曾德尔电光调制器频率响应进行准确测量，以实现宽带电-光信号转换和优化通信系统的传输能力非常重要。
目前，测量马赫-曾德尔电光调制器频率响应方法主要有光谱分析法、扫频法和外差法。其中，光谱分析法作为电-光型器件测量的典型方法(Y.Q.Shi,L.S.Yan,A.E.Willner,"High-speed electrooptic modulator characterization using opticalspectrum analysis,"Journal of Lightwave Technology.2003,21(10):2358-2367；Y.Liao,H.J.Zhou,Z.Meng,"Modulation efficiency of a LiNbO3 waveguide electro-optic intensity modulator operating at high microwave frequency,"OpticsLetters.2009,34(12):1822-1824.)，该方法通过分析光调制信号光谱的边带幅度，获得调制器件的调制系数和半波电压，但是受限于目前商用光栅光谱分析仪，分辨率较低，并且易受到激光光源的线宽影响；扫频法(X.M.Wu,J.W.Man,L.Xie,Y.Liu,X.Q.Qi,L.X.Wang,J.G.Liu,N.H.Zhu,"Novel method for frequency response measurement ofoptoelectronic devices,"IEEE Photon.Technol.Lett.,2012,24(7),575-577.)，该方法利用矢量网络分析仪对电-光和光-电器件的组合体进行扫频测量，获得电-光器件的频率响应的同时引入了光-电型器件的不平坦响应，需进行额外的校准，增加测量的难度和误差；外差法(A.K.M.Lam,M.Fairburn,N.A.F.Jaeger,"Wide-band electro-opticintensity modulator frequency response measurement using an opticalheterodyne down-conversion technique,"IEEE Translation.Microwave.TheoryTech.,2006,54(1):240-246；A.A.Chtcherbakov,R.J.Kisch,J.D.Bull,N.A.F.Jaeger"Optical Heterodyne Method for Amplitude and Phase Response Measurements forUltra-wideband Electro-optic Modulators,"IEEE Photonics Technology Letters,2007,19(1):18-20)，该方法通过构造下变频系统，对待测电-光器件的频率响应进行测量，这一方法系统结构复杂，会引入其它器件的影响，测量精度不高。目前对马赫-曾德尔电光调制器频率响应的测量，特别是不同调制频率下的半波电压的测量仍缺乏简单、准确、有效的测量方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有马赫-曾德尔电光调制器测量中频率分辨率低、校准困难、高带宽需求的问题，提出一种马赫-曾德尔电光调制器频率响应的测量装置与方法，实现具有高分辨、无校准、低带宽需求的电光调制器频率响应的准确测量。
一种马赫-曾德尔电光调制器频率响应的测量装置，其包括：激光器、待测马赫-曾德尔电光调制器、第一信号源、第二信号源、第三信号源、合路器、光电探测器、频谱分析模块、以及控制及数据处理模块；所述的第一信号源与第二信号源经过合路器加载在待测马赫-曾德尔电光调制器的驱动电极上，所述的第三信号源加载在待测马赫-曾德尔电光调制器的偏置电极上；光电探测器用于将电光调制器输出的光信号转换为电信号，然后利用频谱分析模块进行记录与分析，控制及数据处理模块对第一信号源、第二信号源的频率进行扫频控制，并同步提取与处理频谱分析模块中所需频率成分的幅度信息，求出不同调制频率下的半波电压，即获得待测马赫-曾德尔电光调制器的频率响应。
一种马赫-曾德尔电光调制器频率响应的测量，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、设定第一信号源输出频率为f1的正弦信号，第二信号源输出频率为f2的正弦信号，两束信号经过合路器同时加载在待测马赫-曾德尔电光调制器的驱动电极上，第三信号源输出频率为fb的正弦或者三角波信号加载在待测马赫-曾德尔电光调制器的偏置电极上；
步骤B、待测马赫-曾德尔电光调制器输出的光信号经过光电探测器转换为电信号后，利用频谱分析模块记录光电探测器输出电信号中频率为f1-f2+fb，f1-f2-fb，fb的幅度，分别记为i(f1-f2+fb)，i(f1-f2-fb)，i(fb)；
步骤C、使用频谱分析模块直接测量第一信号源和第二信号源经过合路器后输出正弦信号的驱动幅度V1、V2；
步骤D、按照如下公式中的一个计算待测马赫-曾德尔电光调制器的在调制频率为f1的调制系数m1：
或公式选择依据为公式的分子和分母中频率差别最小者，J1(·)，J0(·)为分别为1，0阶第一类贝塞尔函数；同理计算f2的调制系数m2,m1/m2＝V1/V2；步骤E、通过关系式Vπ＝πV1/m1，求得调制频率为f1时的马赫-曾德尔电光调制器半波电压Vπ；
步骤F、保持fb不变且固定f1与f2的差值，控制及数据处理模块控制f1与f2扫频变化，重复B、C、D、E步骤得到待测马赫-曾德尔电光调制器在不同调制频率f1的半波电压，即该电光调制器的频率响应。
为了减少测量误差，第一信号源和第二信号源的信号频率f1和f2满足1.8fb≤|f1-f2|≤2.2fb或者0<|f1-f2|≤0.2fb。
激光器输出的光载波经过待测马赫-曾德尔电光调制器形成的光调制信号为
其中t是时间，j表示复数，A0和f0分别为光载波的幅度和频率，γ是待测马赫-曾德尔电光调制器两臂的分光比，m1和m2分别对应于第一信号源输出的正弦信号V1sin(2πf1t+θ1)和第二信号源输出正弦信号V2sin(2πf2t+θ2)所引起的调制系数，θ1、θ2为初始相位，为第三信号源输出的低频正弦信号Vbsin(2πfbt+θb)，θb为初始相位，加载在待测马赫-曾德尔电光调制器的偏置电极上所引起的相位偏移，可表示为：
其中为待测马赫-曾德尔电光调制器的静态偏置相位，mb为低频正弦信号引起的调制系数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、本发明在电域中准确地测量了马赫-曾德尔电光调制器的频率响应，提高了光电子器件测量的分辨率和频率范围。
二、本发明通过三个信号源在电光强度调制中的混频，将所需测量边带的频率降到低频的KHz，减少光电探测器和频谱分析模块的带宽需求，有效的避免了光电探测器的不平坦响应，实现了自校准测量，同时降低了测量成本。
附图说明
图1为本发明一种马赫-曾德尔电光调制器频率响应的装置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，由激光器发出的光载波经过待测马赫-曾德尔电光调制器进行调制，其中第一信号源和第二信号源经过合路器联合加载在待测马赫-曾德尔电光调制器上的驱动电极上，第三信号源加载在待测马赫-曾德尔电光调制器上的偏置电极上，电光调制器输出的光调制信号经过光电探测器转换为电信号，在频谱分析模块上进行记录和分析，通过控制及数据控制模块对所需拍频信号的幅度信息进行读取和计算，获得待测马赫-曾德尔电光调制器的调制系数和半波电压，最后控制及数据处理模块对第一信号源和第二信号源的输出频率进行扫频控制，并同步读取和计算频谱分析模块中所需频率信号的幅度信息，获得扫频频率范围内，待测马赫-曾德尔电光调制器的半波电压随调制频率的变化曲线，即得待测马赫-曾德尔电光调制器的频率响应。
为了更好地了解本技术发明方案，下面对本发明的测量原理进行简要介绍：
激光器输出的光载波经过待测马赫-曾德尔电光调制器形成的光调制信号为
其中A0和f0分别为光载波的幅度和频率，γ是待测马赫-曾德尔电光调制器两臂的分光比，m1和m2分别对应于第一信号源输出的正弦信号V1sin(2πf1t+θ1)和第二信号源输出正弦信号V2sin(2πf2t+θ2)所引起的调制系数，为第三信号源输出的低频正弦信号Vbsin(2πfbt+θb)加载在待测马赫-曾德尔电光调制器的偏置电极上所引起的相位偏移，可表示为：
其中为待测马赫-曾德尔电光调制器的静态偏置相位，mb为低频正弦信号引起的调制系数。
待测马赫-曾德尔电光调制器输出的光调制信号，经过光电探测器光电转换后形成的拍频光电流输出为：
其中R为光电探测器频响值，(3)式经过贝塞尔函数展开得到：
其中Jp(·)、Jq(·)和Jk(·)分别为p,q,k阶第一类贝塞尔函数。在(4)式中，拍频信号的pf1+qf2+kfb所对应的电信号幅度为：
本发明利用频谱分析模块记录拍频信号中低频成分f1-f2-fb、f1-f2+fb、fb的幅度分别为i(f1-f2-fb)、i(f1-f2+fb)、i(fb)，利用频谱分析模块对合路器的输出信号进行直接测量，分别获得所述频率f1与f2的调制幅度V1和V2，则待测马赫-曾德尔电光调制器在调制频率为f1时的调制系数m1可通过下式得到：
其中(6)式选择依据为公式的分子和分母中频率差别最小者。
通过关系式Vπ＝πV1/m1，求得调制频率为f1时的马赫-曾德尔电光调制器半波电压Vπ。测试过程中保持fb不变且固定f1与f2的差值，并为了减少测量误差，f1与f2频率差值满足1.8fb≤|f1-f2|≤2.2fb或者0<|f1-f2|≤0.2fb，通过控制及数据处理模块对第一信号源和第二信号源进行扫频控制，重复以上步骤，获得扫频范围内待测马赫-曾德尔电光调制器的半波电压随频率变化曲线，即获得待测马赫-曾德尔电光调制器在扫频范围的频率响应。
实施例
待测马赫-曾德尔电光调制器为AVANEX公司的LiNbO3电光调制器，激光器输出光载波的频率为f0＝193.1THz，光载波送入到待测马赫-曾德尔电光调制器进行调制，第一信号源和第二信号源分别输出频率为f1＝24.06GHz和f2＝24.0589GHz的正弦信号经过合路器加载到待测马赫-曾德尔电光调制器的驱动电极上，第三信号源输出频率fb＝500kHz的低频正弦信号加载在待测马赫-曾德尔电光调制器的偏置电极上，经过待测马赫-曾德尔电光调制器调制后形成的光调制信号，通过光电探测器进行光电检测，产生的拍频信号送入频谱分析模块进行分析与记录，并利用控制及数据处理模块提取出低频信号成分500kHz(fb)、600kHz(f1-f2-fb)和1600kHz(f1-f2+fb)的幅度信息值分别为i(fb)＝0.1522V、i(f1-f2-fb)＝0.00038V、i(f1-f2+fb)＝0.00039V。
通过频谱分析模块对合路器输出的调制信号进行直接测量，获得加载在待测马赫-曾德尔电光调制器驱动电极上调制频率为f1和f2的驱动幅度分别为V1＝0.252V,V2＝0.233V，通过公式(6)的选择依据为分子和分母中频率差别最小者，则选择下式对待测马赫-曾德尔电光调制器的调制系数进行求解：
通过上式的求解，获得待测马赫-曾德尔电光调制器分别在调制频率f1＝24.06GHz和f2＝24.0589GHz时的调制系数m1＝0.1038。
通过关系式Vπ＝πV1/m1得到调制频率f1对应的调制系数之间的关系Vπ＝7.609V。
保持第三信号源输出的正弦信号频率fb不变，固定第一信号源与第二信号源输出正弦信号的频率差值，利用控制及数据处理模块对第一信号源和第二信号源输出频率f1和f2进行扫频，并同步提取频谱分析模块中对应的低频成分的幅度信息，重复以上步骤，获得待测马赫-曾德尔电光调制器的半波电压随调制频率变化的曲线，即可获得待测马赫-曾德尔电光调制器的频率响应。

Claims (4)

1.一种马赫-曾德尔电光调制器频率响应的测量装置，包括激光器，第一信号源、第二信号源、合路器、光电探测器，频谱分析模块、以及控制及数据处理模块，其特征在于：激光器连接有待测马赫-曾德尔电光调制器，第一信号源与第二信号源经过合路器加载在待测马赫-曾德尔电光调制器的驱动电极上，待测马赫-曾德尔电光调制器的偏置电极上还加载有第三信号源；
光电探测器用于将待测马赫-曾德尔电光调制器输出的光信号转换为电信号，然后利用频谱分析模块进行记录与分析，控制及数据处理模块对第一信号源、第二信号源的频率进行扫频控制，并同步提取与处理频谱分析模块中所需频率成分的幅度信息，求出不同调制频率下的半波电压，即获得待测马赫-曾德尔电光调制器的频率响应。
2.一种马赫-曾德尔电光调制器频率响应的测量方法，包括以下步骤：
步骤A、设定第一信号源输出频率为f1的正弦信号，第二信号源输出频率为f2的正弦信号，两束信号经过合路器同时加载在待测马赫-曾德尔电光调制器的驱动电极上，第三信号源输出频率为fb的正弦或者三角波信号加载在待测马赫-曾德尔电光调制器的偏置电极上；
步骤B、待测马赫-曾德尔电光调制器输出的光信号经过光电探测器转换为电信号后，利用频谱分析模块记录光电探测器输出电信号中频率为f1-f2+fb，f1-f2-fb，fb的幅度，分别记为i(f1-f2+fb)，i(f1-f2-fb)，i(fb)；
步骤C、使用频谱分析模块直接测量第一信号源和第二信号源经过合路器后输出正弦信号的驱动幅度V1、V2；
步骤D、按照如下公式中的一个计算待测马赫-曾德尔电光调制器的在调制频率为f1的调制系数m1：
或公式选择依据为公式的分子和分母中频率差别最小者，J1(·)，J0(·)为分别为1，0阶第一类贝塞尔函数；
步骤E、通过关系式Vπ＝πV1/m1，求得调制频率为f1时的马赫-曾德尔电光调制器半波电压Vπ；
步骤F、保持fb不变且固定f1与f2的差值，控制f1与f2扫频变化，重复步骤B、C、D、E得到待测马赫-曾德尔电光调制器在不同调制频率f1的半波电压，即该电光调制器的频率响应。
3.根据权利要求2所述的一种马赫-曾德尔电光调制器频率响应的测量方法，其特征在于，第一信号源和第二信号源的信号频率f1和f2满足1.8fb≤|f1-f2|≤2.2fb或者0<|f1-f2|≤0.2fb。
4.根据权利要求2所述的一种马赫-曾德尔电光调制器频率响应的测量方法，其特征在于，激光器输出的光载波经过待测马赫-曾德尔电光调制器形成的光调制信号为
A0和f0分别为光载波的幅度和频率，γ是待测马赫-曾德尔电光调制器两臂的分光比，m1和m2分别对应于第一信号源输出的正弦信号V1sin(2πf1t+θ1)和第二信号源输出正弦信号V2sin(2πf2t+θ2)所引起的调制系数，为第三信号源输出的低频正弦信号Vbsin(2πfbt+θb)加载在待测马赫-曾德尔电光调制器的偏置电极上所引起的相位偏移，可表示为：
其中为待测马赫-曾德尔电光调制器的静态偏置相位，mb为低频正弦信号引起的调制系数。
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