CN106443126B - 一种测量电光晶体半波电压的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量电光晶体半波电压的方法与装置，本发明构建“光电混合环路”，鉴于“自激振荡”物理模型，利用“振荡”条件来对电光晶体的半波电压进行测量。本发明的测量方法充分体现了半波电压的频率相关性，突破了传统测量方法低频域测量的局限性；采用“振荡”与“非振荡”两种离散、突变的物理现象来判定“零界点”，克服了传统测量方法中正弦曲线“波峰”、“波谷”两种物理“零界点”的连续、缓变性，提高测量精度，具有极大的商业前景。

Description

一种测量电光晶体半波电压的方法与装置

技术领域

本发明属于电子测量领域，特别是一种测量电光晶体半波电压的方法与装置。

背景技术

电光效应即当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。

电光相位调制器的电光相位调制系数描述了其所加载的电信号和产生的光相位之间的光电响应特性，是调制器的核心指标，而半波电压则是电光相位调制系数的另一种表示方式，其等于产生π相位所需的电调制信号电压幅度，两者本质相同，而半波电压为更常见的一种表示方式。

传统的调制器的半波电压值的测量方法为：取两块完全一样的待测电光晶体样本，让源于同一激光器的两束光分别通过两样本，样本两端加调制电信号，该束光相位通过调制后再与另一束光产生干涉，最终“输出光功率”与“输入信号幅值”成正弦函数关系。调节电信号幅值(即电压)，标记两相邻“波峰”与“波谷”对应的电压值，它们的差值即为待测调制器的半波电压值。传统方法的缺点在于：1、只能测量直流电压对应的半波电压值，不能反映调制信号频率对测量值的影响，仅仅适合传感、测量等低频领域，不能用于高速通信；2、“波峰”与“波谷”分别对应输出光功率极大与极低值，在二正弦函数中对应的“斜率”均为0，这两种“测量点”对应的光功率变化非常缓慢，对光功率变化极为“不敏感”，测量误差大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种测量电光晶体半波电压的方法与装置。为克服传统测量方法的不利因素，本发明构建“光电混合环路”，鉴于“自激振荡”物理模型，利用“振荡”条件来对电光晶体的半波电压进行测量，该测量方法充分体现了半波电压的频率相关性，突破了传统测量方法低频域测量的局限性；采用“振荡”与“非振荡”两种离散、突变的物理现象来判定“零界点”，克服了传统测量方法中正弦曲线“波峰”、“波谷”两种物理“零界点”的连续、缓变性，提高测量精度，该测量方法还可用于其他类型电光晶体半波电压的测量，具有极大的商业前景。

为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：

一种测量电光晶体半波电压的方法，包括如下步骤：

步骤一)构建马赫-增德尔干涉仪；

步骤二)实现光载波的强度调制：

对于马赫-增德尔干涉仪，其中一臂上的电光晶体不加电信号，另一臂上的电光晶体加电信号，所述电信号包括交流电压信号和直流电压信号；

步骤三)构建模拟光纤链路：

光载波输入马赫-增德尔干涉仪，电信号调制到光载波的幅度上形成光信号，光电探测器将光信号还原为输出电信号，形成模拟光纤链路；调节直流电压信号，使得模拟光纤链路的增益达到最大；

步骤四)构建光电混合环路，产生自激振荡；

基于模拟光纤链路，增加放大器、滤波器与耦合器，构建光电混合环路，模拟光纤链路输出电信号经放大、滤波后反馈到马赫-增德尔干涉仪形成光电混合环路；

步骤五)根据起振条件确定半波电压值：

从小到大调节放大器的增益，直到光电混合环路产生自激振荡，此时开环增益为1，记录该状态下系统各参数值，计算得到电光晶体的半波电压。

进一步的改进，所述半波电压的计算方法如下所示:

交流电压信号的电压V_RF为：

V_RF＝V₀cosωt(1)

其中，V₀表示交流电压信号电压的峰值；t表示时间；ω表示交流电压信号角频率；

输出电信号经放大、滤波后，进入马赫-增德尔干涉仪前的电压V_out表达式为：

V_out表示输出电信号经放大、滤波后进入马赫-增德尔干涉仪前的电压；ρ表示光电探测器的响应度；R表示光电探测器输出端的匹配阻抗；G_A表示放大器的增益；P_in表示输入光载波功率；V_DC表示直流电压信号的电压；τ表示光电混合环路的延时时间；t表示时间；V_RF表示交流电压信号，为时间的函数；V_π表示半波电压；π为常数；对V_RF求导可得光电混合环路的开环增益G_S为：

当光电混合环路的开环增益为1时，光电混合环路产生自激振荡，即：

记录光电探测器的响应度ρ、匹配阻抗R、放大器的增益G_A、输入光载波功率P_in与直流电压信号的电压V_DC，通过数值求解得到电光晶体的半波电压。

进一步的改进，所述电光晶体为铌酸锂晶体。

一种测量电光晶体半波电压的装置，包括激光器，激光器通过偏振控制器将激光输入马赫-增德尔干涉仪，马赫-增德尔干涉仪通过光纤连接光电探测器；光电探测器连接放大器，放大器连接滤波器，滤波器连接耦合器，耦合器连接马赫-增德尔干涉仪形成光电混合环路，耦合器连接有功率计。

进一步的改进，所述电光晶体为铌酸锂晶体。

本发明构建“光电混合环路”，鉴于“自激振荡”物理模型，利用“振荡”条件来对电光晶体的半波电压进行测量。该测量方法充分体现了半波电压的频率相关性，突破了传统测量方法低频域测量的局限性；采用“振荡”与“非振荡”两种离散、突变的物理现象来判定“零界点”，克服了传统测量方法中正弦曲线“波峰”、“波谷”两种物理“零界点”的连续、缓变性，提高测量精度，具有极大的商业前景。

附图说明

图1是本发明所述测量方法步骤；

图2是本发明所述的马赫-增德尔干涉仪构建方案；

图3是本发明所述模拟光纤链路构建方案；

图4是10GHz载波对应模拟光纤链路增益与偏置电压的关系；

图5是本发明所述光电混合环路构建方案；

图6是本发明测量结果与标称结果对比数据。

具体实施方式

以下通过具体实施方式并且结合附图对本发明的技术方案作具体说明。

实施例1

步骤一：构建马赫-增德尔干涉仪

具体而言，选取两相同铌酸锂晶体作为测量样本，将激光器输出的单色光通过Y型导1功分成两部分，两铌酸锂晶体样本3在此作为马赫-增德尔干涉仪的两干涉臂，两干涉光通过两臂后进入Y型波导2产生干涉。

本实施例采用Convega公司的型号为LN058的低半波电压马赫-增德尔型电光强度调制器，其内部结构如图2所示，其中：Y型波导1、铌酸锂测试样本、Y型波导2以及其他组件均已集成，并进行电子封装，构成马赫-增德尔干涉仪。电光强度调制器的半波电压即为铌酸锂测试样本的半波电压。

步骤二：实现光载波的强度调制

基于马赫-增德尔干涉结构，其中一臂不加任何电信号，另一臂加电信号，该电信号由直流电压信号与交流电压信号两部分组成。其原理如下：

设输入光载波功率为E_in＝E₀cosω_ct，其中E₀为光载波的幅值，ω_c为角频率，t为振动周期。经过Y波导1功分后分别进入铌酸锂样本Ⅰ3(上行波导)和铌酸锂样本Ⅱ4(下行波导)，设上行波导未加电信号，下行波导电极上加了电信号，则两光信号通过波导后可表示为：

其中V_DC为直流电压信号；V_RF为交流电压信号，V_π为电光强度调制器的半波电压；E₁表示通过上行波导的光的能量；E₂表示通过下行波导的光的能量。通过Y波导2两光干涉后的输出能量E_out可表示为：

转换成光功率可得相干后的输出光功率P_out为：

其中，P_in表示输入光载波的功率；输入的电信号由直流电压信号与交流电压信号两部分组成。由上式不难看出，输出光功率与输入电信号成正弦函数的关系，即完成了电信号对光载波的强度调制。

本实施例采用Ortel公司型号为1772的分布反馈型半导体激光器提供载波光源，作为载波光源，通过电光强度调制器被电信号进行强度调制。

步骤三：构建模拟光纤链路

基于上述步骤实现了电信号对光载波的强度调制，实现了电光强度调制器的功能，基于该电光强度调制器7，构建模拟光纤链路。该链路主要包括一个激光器5，提供被调制光源，连接至偏振控制器6；一个偏振控制器，用于控制激光的偏振方向，连接至电光强度调制器7；一个电光强度调制器，实现电-光转换，连接至通信光纤8；一个光电探测器9，实现光-电转换，置于光纤的末端。该链路通过电光强度调制器将电信号调制到光载波的幅度上，在光纤中传输后在光电探测器输出端还原成电信号。

图3给出了本发明所述模拟光纤链路的基本结构。该链路通过电光强度调制器将电信号调制到光载波的幅度上，在光纤中传输后在光电探测器输出端还原成电信号。

调整调制器直流电压信号大小，改善链路的增益。如图4所示，10GHz载波对应模拟光纤链路增益与偏置电压的关系，由图4不难看出，链路的增益受调制器直流电压信号的大小影响较大，当直流电压为1.3V时，此时链路增益达到最大值。

步骤四：构建光电混合环路，产生自激振荡

基于上述模拟光纤链路结构，增加一个放大器10、一个滤波器11与一个耦合器12，构成一个光电混合的闭合环路结构；耦合器12连接功率计13和电光强度调制器7。待调制激光通过偏振控制器输入电光强度调制器；通过电光强度调制器其强度被环路内的电噪声调制；调制后的光信号经过光纤传送至光电探测器，然后经过光电探测器实现电噪声信号的还原；还原后的电信号经过放大、滤波后到达耦合器，然后反馈到电光强度调制器再次对激光强度进行调制。耦合器连接功率计检测光电混合环路的功率，当光电混合的闭合环路结构(即光电混合环路)的增益为1时，功率计13探测到的输出功率保持稳定状态。

图5示出了本发明所述光电混合环路构建方案。通过调节放大器的大小来调整环路的增益，使得闭合环路产生振荡。

步骤5：根据起振条件确定半波电压值

基于步骤4所述光电混合环路的基本结构，根据开环增益为1的起振条件来确定半波电压。设V_RF为交流电压信号的电压，对光强调制后的输出光功率P_out为

探测器输出的微波信号(电信号)经过放大、滤波，在进入调制器前表达式为

上式中ρ为探测器的响应度，R为探测器输出端的匹配阻抗，τ为环路的延时；t表示时间；V_RF表示交流电压信号的电压，为时间的函数。定义开环增益G_S为

当增益为1时，闭合环路产生自激振荡，即：

记录光电探测器的响应度ρ、匹配阻抗R、放大器增益G_A、输入光载波功率P_in与直流电压信号的电压V_DC，通过数值求解，即得到电光强度调制器的半波电压，也即铌酸锂测试样本的半波电压。

需要说明的是：半波电压为一频率相关物理量，每个频率点半波电压也不相同，每频点对应的半波电压，需要重新进行测量。本发明测量结果与标称结果对比数据。图中空心圆点为厂家标称数据，从1-20GHz，每1GHz给出一个测量点；空心方块为实测数据，分别为5GHz、10GHz以及15GHz的实测半波电压值。由图6不难看出，随着载波频率的增加，铌酸锂调制器的半波电压值也会随之增加，所以测得铌酸锂调制器在不同频率对应的半波电压值是有必要的；本发明所涉方法的实测值与厂家标称值吻合，证明了测量结果的有效性。本发明也可用于其它电光晶体，及各类调制器半波电压的测量。

上述仅为本发明的一个具体导向实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明的保护范围的行为。

Claims (3)

1.一种测量电光晶体半波电压的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一)构建马赫-增德尔干涉仪；

步骤二)实现光载波的强度调制：

对于马赫-增德尔干涉仪，其中一臂上的电光晶体不加电信号，另一臂上的电光晶体加电信号，所述电信号包括交流电压信号和直流电压信号；

步骤三)构建模拟光纤链路：

光载波输入马赫-增德尔干涉仪，电信号调制到光载波的幅度上形成光信号，光电探测器将光信号还原为输出电信号，形成模拟光纤链路；调节直流电压信号，使得模拟光纤链路的增益达到最大；

步骤四)构建光电混合环路，产生自激振荡；

基于模拟光纤链路，增加放大器、滤波器与耦合器，构建光电混合环路，模拟光纤链路输出电信号经放大、滤波后反馈到马赫-增德尔干涉仪形成光电混合环路；

步骤五)根据起振条件确定半波电压值：

从小到大调节放大器的增益，直到光电混合环路产生自激振荡，此时开环增益为1，记录此状态下系统各参数值，计算得到电光晶体的半波电压。

2.如权利要求1所述的测量电光晶体半波电压的方法，其特征在于，所述半波电压的计算方法如下所示:

交流电压信号的电压V_RF为：

V_RF＝V₀cosωt (1)

其中，V₀表示交流电压信号电压的峰值；t表示时间；ω表示交流电压信号角频率；

输出电信号经放大、滤波后，进入马赫-增德尔干涉仪前的电压V_out表达式为：

V_out表示输出电信号经放大、滤波后进入马赫-增德尔干涉仪前的电压；ρ表示光电探测器的响应度；R表示光电探测器输出端的匹配阻抗；G_A表示放大器的增益；P_in表示输入光载波功率；V_DC表示直流电压信号的电压；τ表示光电混合环路的延时时间；t表示时间；V_RF表示交流电压信号，为时间的函数；V_π表示半波电压；π为常数；对V_RF求导可得光电混合环路的开环增益G_S为：

当光电混合环路的开环增益为1时，光电混合环路产生自激振荡，即：

记录光电探测器的响应度ρ、匹配阻抗R、放大器的增益G_A、输入光载波功率P_in与直流电压信号的电压V_DC，通过数值求解得到电光晶体的半波电压。

3.如权利要求1所述的测量电光晶体半波电压的方法，其特征在于，所述电光晶体为铌酸锂晶体。