CN107085142B - 一种光电子器件频率响应的测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光电子器件频率响应的测试装置与方法。本发明由可调谐激光器、外差仪、待测光‑电器件、频谱分析与数据处理模块依次级联组成，其中外差仪由移频模块与待测电‑光器件组成的电‑光器件测试臂和辅助调制模块与待测光‑光器件组成的光‑光器件测试臂构成，同时第一信号源连接在待测电‑光器件的驱动电极上，第二信号源连接在辅助调制模块的驱动电极上；设置第一信号源和第二信号源输出正弦微波信号的频率关系，通过频谱分析与数据处理模块测得对应频率的功率比值，获得待测电‑光器件、待测光‑光器件和待测光‑电器件的频率响应值，且各器件之间相互不影响，实现一个系统中多种器件的频率响应自校准测试。

Description

一种光电子器件频率响应的测试装置与方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域中的测量技术，具体涉及一种光电子器件频率响应的测试装置与方法。

背景技术

随着通信速率和带宽的激增，微波技术与光子技术结合的微波光波融合系统成为现代光纤通信技术的演进方向之一，而电-光器件、光-光器件和光-电器件，是微波光波融合系统中必不可少的光电子器件，其特性参数的好坏也影响着整个微波光波融合系统的工作性能，特别是幅频响应特性决定了系统的工作带宽。因此，光电子器件频率响应的测量与评价对于提高和优化光纤通信系统的工作性能有着重要的意义。

对于光电子器件的频率响应的测量，目前主要集中在单一器件的测量，同时测量方法的单一使得对光电子器件频率响应的测量面临着测量精度低，测量成本高、测试方法不灵活的问题，如对于电-光器件频率响应测量的方法主要有光谱法、外差法、扫频法，对于光-光器件和光-电频率响应测量的方法主要有自发辐射法、扫频法。但是，光谱法(Y.Q.Shi,L.S.Yan,A.E.Willner,“High-speed electrooptic modulatorcharacterization using optical spectrum analysis,”Journal of LightwaveTechnology,2003,21(10):2358-2367.)受光栅光谱仪分辨率和布里渊或拉曼光谱仪测试波段的限制，无法同时实现1GHz以下的低频测量和C+L波段的全覆盖；外差法(C.E.RogersIII,J.L.Carini,J.A.Pechkis,and P.L.Gould,“Characterization and compensationof the residual chirp in a Mach-Zehnder-type electro-optical intensitymodulator,”Optics express,2010,18(2):1166.)受到激光器稳定性、可调节性影响，无法对光电子器件频率响应实现精确、稳定测量；自发辐射法(G.A.Cranch and G.M.H.Flockhart,“Tools for synthesising and characterising Bragg gratingstructures in optical fibres and waveguides,”Journal of Modern Optics,2012,59(6):1-34.)同样受限光谱仪测试分辨率的影响，无法实现高精度测量；扫频法(X.M.Wu,J.W.Man,L.Xie,Y.Liu,X.Q.Qi,L.X.Wang,J.G.Liu,and N.H.Zhu,“Novel method forfrequency response measurement of optoelectronic devices,”IEEE PhotonicsTechnology Letters,2012,24(7):575-577.)无法摆脱测试系统中其他辅助器件对待测器件频率响应测量的影响，需要进行额外的校准，增加了测试成本和复杂性。最重要的是，这些方法只能针对单一器件的频率响应进行测量，无法实现多种器件的测试与分析，增加了测试复杂性和测试成本，同时测试准确性不高。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有电-光器件、光-电器件、光-光器件测试中，只能对单一器件的频率响应进行测试，无法实现多种器件的测试与分析而增加了测试复杂性和测试成本，测试准确性不高的问题，以及光谱法、自发辐射法的测试分辨率不足，外差法稳定性差，扫频法额外校准的问题，而提供一种光电子器件频率响应的测试装置与方法，实现多种器件频率响应的自校准测试。

一种光电子器件频率响应的测试装置，包括依次级联的可调谐激光器、外差仪、待测光-电器件、频谱分析与数据处理模块；

外差仪包括电-光器件测试臂和光-光器件测试臂，电-光器件测试臂由依次连接的移频模块与待测电-光器件组成；光-光器件测试臂由依次连接的辅助调制模块与待测光-光器件组成。

所述的一种光电子器件频率响应的测试装置，第一信号源连接在待测电-光器件的驱动电极上，第二信号源连接在辅助调制模块的驱动电极上。

所述的一种光电子器件频率响应的测试装置，电-光器件测试臂上的待测电-光器件可以为电光相位调制器或电光强度调制器，光-光器件测试臂上的辅助调制模块为双边带调制器。

所述的一种光电子器件频率响应的测试装置，移频模块为声光移频器或者电光移频器或者原子移频器。

一种光电子器件频率响应的测试方法，包括以下步骤：

(1)构建一种光电子器件频率响应的测试装置；

构造一个由电-光器件测试臂和光-光器件测试臂组成的外差仪，其中电-光器件测试臂由移频模块与待测电-光器件级联组成，光-光器件测试臂由辅助调制模块与待测光-光器件级联组成；

将第一信号源接入待测电-光器件的驱动电极上，第二信号源接入辅助调制模块的驱动电极上；

将可调谐激光器、外差仪、待测光-电器件和频谱分析与数据处理模块依次级联；

(2)可调谐激光器输出的光信号进入外差仪后分为两路，一路光信号在移频模块中被移频ω_s，然后在待测电-光器件中被第一信号源输出的角频率为ω_m的正弦微波信号进行相位和强度调制；另一路光信号在辅助调制模块中被第二信号源输出的角频率为ω_l的正弦微波信号进行双边带调制，然后在待测光-光器件中进行光滤波；得到外差仪输出合路光信号的光场；

(3)将外差仪输出的合路光信号送入待测光-电器件中光电转换后形成电信号，将转化后的电信号通过频谱分析与数据处理模块，测量获得ω_m，ω_l和ω_s的线性组合频率的幅度值；

(4)设置频率ω_m≈2ω_l>>ω_s，则获得待测电-光器件的频响值：

若待测电-光器件为电光强度调制器时，则获得电光强度调制器调制系数，

若待测电-光器件为电光相位调制器时，则获得电光相位调制器调制系数；

设置ω_l≈2ω_m>>ω_s时，则得到光-光器件测试臂的频响值；

设置ω_m≈ω_l>>ω_s时，得到待测光-电器件频响值。

所述的一种光电子器件频率响应的测试方法，外差仪输出合路光信号的光场表示为：

式中，t为时间，j为复数，E₀是光载波的振幅，ω₀是光载波的角频率，η，ψ分别为外差仪两臂的分光比和相位差，若γ_m≠0，待测电-光器件为电光强度调制器，则γ_m和分别为电光强度调制器的分光比和偏置相位，m₁，m₂分别为电光强度调制器的上下臂的调制系数，若γ_m＝0，待测电-光器件为电光相位调制器，则m₁为电光相位调制器的调制系数，H(ω)为待测光-光器件的幅频响应，m_l为光-光器件测试臂中辅助调制模块的调制系数。

所述的一种光电子器件频率响应的测试方法，步骤(3)中ω_m，ω_l和ω_s的线性组合频率的幅度值表示为：

其中，q＝0,±1，R为待测光-电器件的频响值，J_p(·),J_q(·)分别为第p,q阶的第一类贝塞尔函数。

所述的一种光电子器件频率响应的测试方法，设置频率ω_m≈2ω_l>>ω_s时，

若γ_m≠0时，待测电-光器件调制系数表示为：

若γ_m＝0时，待测电-光器件调制系数表示为:

设置ω_l≈2ω_m>>ω_s时，则得到光-光器件测试臂的频响值表示为：

设置ω_m≈ω_l>>ω_s时，得到待测光-电器件频响值表示为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过设置第一信号源和第二信号源输出正弦微波信号的频率关系，实现在一个测试系统中对待测电-光器件、待测光-光器件、待测光-电器件频率响应的自校准测量，解决了传统测量器件单一，测试成本高的难题，同时提高了测量精度和灵活性，保证测量的稳定性。

(2)本发明采用光-光器件测试臂和电-光器件测试臂构成的外差仪消除了器件之间频响的相互影响，同时避免了各类器件测试链路中非线性效应的影响，利于整个测试系统的集成与封装。

(3)本发明所测量的频率值是两个正弦微波信号频率ω_m,ω_l和移频频率ω_s的线性组合，具有两倍频的扩展能力，能在更宽频率范围内对器件进行测量。

附图说明

图1为本发明一种光电子器件频率响应的测试装置连接结构图；

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，一种光电子器件频率响应的测试装置，由可调谐激光器、外差仪、待测光-电器件、频谱分析与数据处理模块依次级联，其中外差仪的两臂分别为移频模块与待测电-光器件级联的电-光器件测试臂和辅助调制模块与待测光-光器件级联的光-光器件测试臂，第一信号源连接在待测电-光器件的驱动电极上，第二信号源连接在辅助调制模块的驱动电极上，待测电-光器件可为电光相位调制器或者电光强度调制器，辅助调制模块为一个双边带调制器。

本发明的一种光电子器件频率响应的测试原理及方法如下：

首先按照下述方法构建一种光电子器件频率响应的测试装置：

构造一个由电-光器件测试臂和光-光器件测试臂组成的外差仪，其中电-光器件测试臂由移频模块与待测电-光器件级联组成，光-光器件测试臂由辅助调制模块与待测光-光器件级联组成；

将第一信号源接入待测电-光器件的驱动电极上，第二信号源接入辅助调制模块的驱动电极上；可调谐激光器输出的光信号进入外差仪后被分为两路，其中一路光信号进入电-光器件测试臂，在移频模块中被移频ω_s，然后在待测电-光器件中被第一信号源输出的正弦微波信号ν_m＝V_msinω_mt进行相位或强度调制；另一路光信号进入光-光器件测试臂，在辅助调制模块中被第二信号源输出的正弦微波信号ν_l＝V_lsinω_lt进行双边带调制，然后在待测光-光器件中进行光滤波处理。两路光信号在外差仪末端合路，形成的光场，该光场的计算公式为：

式中t为时间，j为复数，E₀是光载波的振幅，ω₀是光载波的角频率，η，ψ分别为外差仪两臂的分光比和相位差，若γ_m≠0，待测电-光器件为电光强度调制器，则γ_m和分别为电光强度调制器的分光比和偏置相位，m₁，m₂分别为电光强度调制器的上下臂的调制系数，若γ_m＝0，待测电-光器件为电光相位调制器，则m₁为电光相位调制器的调制系数，H(ω)为待测光-光器件的幅频响应，m_l为光-光器件测试臂中辅助调制模块的调制系数。

外差仪输出的光信号，经过待测光-电器件的光电转换后形成电信号的贝塞尔函数的展开式为：

其中，R为待测光-电器件的频率响应值，J_p(·)为第p阶的第一类贝塞尔函数。通过频谱分析与数据处理模块测量第一信号源和第二信号源输出正弦微波信号的频率ω_m、ω_l，以及移频模块的移频频率ω_s的线性组合频率的幅度值，第一信号源和第二信号源输出正弦微波信号的频率ω_m、ω_l，以及移频模块的移频频率ω_s的线性组合频率的幅度值表示为：

其中，q＝0,±1，J_q(·)为第q阶的第一类贝塞尔函数。

设置ω_m≈2ω_l>>ω_s，则若γ_m≠0时，待测电-光器件为电光强度调制器，通过频谱分析与数据处理模块测量频率为ω_m-ω_l±ω_s，和ω_s在偏置相位或π时的幅度值，基于(3)式可以得到待测电-光器件的调制系数，待测电-光器件的调制系数表示为：

若γ_m＝0时，即待测电-光器件为电光相位调制器，通过频谱分析与数据处理模块测量ω_m-ω_l±ω_s，在偏置相位为任意相位时的幅度值，基于(3)式可以得到待测电-光器件的调制系数，待测电-光器件的调制系数表示为：

设置ω_m≈2ω_l>>ω_s时，则通过频谱分析与数据处理模块测量ω_m-ω_l±ω_s，在偏置相位为任意相位时的幅度值，基于(3)式可以得光-光器件测试臂的幅频响应值，光-光器件测试臂的幅频响应值表示为：

式中m_l为光-光器件测试臂中已知辅助调制模块的调制系数，则由(6)式可以得到待测光-光器件在频率ω₀±ω_l时的幅频响应值，待测光-光器件在频率ω₀±ω_l时的幅频响应值表示为：

设置ω_m≈ω_l>>ω_s时，通过频谱分析与数据处理模块测量ω_m+ω_l±ω_s与在偏置相位为任意相位时的幅度值，实现对待测光-电器件频率响应的测量，基于(3)式可得待测光-电器件频响值，待测光-电器件频响值表示为：

因此在一个测试系统中，本发明实现待测电-光器件、待测光-光器件和待测光-电器件多种光电子器件频率响应的自校准测试。

实施例

首先按照下述方法构建一种光电子器件频率响应的测试装置：

构造一个由电-光器件测试臂和光-光器件测试臂组成的外差仪，其中电-光器件测试臂由移频模块与待测电-光器件级联组成，光-光器件测试臂由辅助调制模块与待测光-光器件级联组成；

将第一信号源接入待测电-光器件的驱动电极上，第二信号源接入辅助调制模块的驱动电极上；

可调谐激光器输出光载波的频率f₀＝193.1THz，电-光器件测试臂上的移频模块为一个移频量为70MHz的声光移频器和待测电-光器件为电光强度调制器，光-光器件测试臂上的辅助调制模块为电光相位调制器，且调制系数为已知，待测光-光器件为光纤光栅，待测光-电器件为商用光电探测器。

设置第一信号源输出正弦微波信号的频率为16GHz，第二信号源输出的正弦微波信号的频率为8.01GHz，外差仪输出的光信号在待测光-电器件中光电转换后，利用频谱分析与数据处理模块测量频率为0.07GHz(ω_s)、7.92GHz(ω_m-ω_l-ω_s)、8.08GHz(ω_l+ω_s)在偏置相位时的幅度值分别为A_π(ω_s)＝0.0072V、A_π(ω_m-ω_l-ω_s)＝0.0006V、A_π(ω_l+ω_s)＝0.0023V，在偏置相位时的幅度值分别为A₀(ω_s)＝0.0320V、A₀(ω_m-ω_l-ω_s)＝0.0002V、A₀(ω_l+ω_s)＝0.0090V，则根据(4)式可得待测电-光器件在调制频率为16GHz时上臂、下臂的调制系数分别为m₁＝0.146，m₂＝-0.121，求解如下：

设置第一信号源输出正弦微波信号的频率为7.46GHz，第二信号源输出的正弦微波信号的频率为15GHz，外差仪输出的光信号在待测光-电器件中光电转换后，利用频谱分析与数据处理模块测量频率为7.39GHz(ω_m+ω_s)、7.47GHz(ω_l-ω_m-ω_s) 在偏置相位为任意相位时的幅度值，测量结果分别为 而光-光器件测试臂上的辅助调制模块在15GHz时的调制系数m_l＝1.553，若待测光-光器件在载波ω₀的幅值响应为1，则根据(7)式可得待测光-光器件在频率193.085THz(ω₀-ω_l)时的幅频响应值为

设置第一信号源输出正弦微波信号的频率为7.52GHz，第二信号源输出的正弦微波信号的频率为7.5GHz，外差仪输出的光信号在待测光-电器件中光电转换后，利用频谱分析与数据处理模块测量频率为0.09GHz(ω_m-ω_l+ω_s)、14.95GHz(ω_m+ω_l-ω_s)在偏置相位为任意相位时的幅度值，分别为 则根据(8)式可得待测光-电器件在频率为14.95GHz(ω_m+ω_l+ω_s)和0.09GHz(ω_m-ω_l-ω_s)的频响值之比

而一般商用光电探测器在0.09GHz频响值近似为1，因此待测光-电器件在频率为14.95GHz时的频响值为0.4634。

Claims (5)

1.一种光电子器件频率响应的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建一种光电子器件频率响应的测试装置；

构造一个由电-光器件测试臂和光-光器件测试臂组成的外差仪，其中电-光器件测试臂由移频模块与待测电-光器件级联组成，光-光器件测试臂由辅助调制模块与待测光-光器件级联组成；

将第一信号源接入待测电-光器件的驱动电极上，第二信号源接入辅助调制模块的驱动电极上；

将可调谐激光器、外差仪、待测光-电器件和频谱分析与数据处理模块依次级联；

(2)可调谐激光器输出的光信号进入外差仪后分为两路，一路光信号在移频模块中被移频ω_s，然后在待测电-光器件中被第一信号源输出的角频率为ω_m的正弦微波信号进行相位和强度调制；另一路光信号在辅助调制模块中被第二信号源输出的角频率为ω_l的正弦微波信号进行双边带调制，然后在待测光-光器件中进行光滤波；得到外差仪输出合路光信号的光场；

(3)将外差仪输出的合路光信号送入待测光-电器件中光电转换后形成电信号，将转化后的电信号通过频谱分析与数据处理模块，测量获得ω_m，ω_l和ω_s的线性组合频率的幅度值；

(4)设置频率ω_m≈2ω_l>>ω_s，则获得待测电-光器件的频响值：

若待测电-光器件为电光强度调制器时，则获得电光强度调制器调制系数，

若待测电-光器件为电光相位调制器时，则获得电光相位调制器调制系数；

设置ω_l≈2ω_m>>ω_s时，则得到光-光器件测试臂的频响值；

设置ω_m≈ω_l>>ω_s时，得到待测光-电器件频响值。

2.根据权利要求1所述的一种光电子器件频率响应的测试方法，其特征在于，外差仪输出合路光信号的光场表示为：

式中，t为时间，j为复数，E₀是光载波的振幅，ω₀是光载波的角频率，η，ψ分别为外差仪两臂的分光比和相位差，若γ_m≠0，待测电-光器件为电光强度调制器，则γ_m和分别为电光强度调制器的分光比和偏置相位，m₁，m₂分别为电光强度调制器的上下臂的调制系数，若γ_m＝0，待测电-光器件为电光相位调制器，则m₁为电光相位调制器的调制系数，H(ω)为待测光-光器件的幅频响应，m_l为光-光器件测试臂中辅助调制模块的调制系数。

3.根据权利要求2所述的一种光电子器件频率响应的测试方法，其特征在于，步骤(3)中ω_m，ω_l和ω_s的线性组合频率的幅度值表示为：

其中，q＝0,±1，R为待测光-电器件的频响值，J_p(·),J_q(·)分别为第p,q阶的第一类贝塞尔函数。

4.根据权利要求3所述的一种光电子器件频率响应的测试方法，其特征在于，设置频率ω_m≈2ω_l>>ω_s时，

若γ_m≠0时，待测电-光器件调制系数表示为：

若γ_m＝0时，待测电-光器件调制系数表示为:

设置ω_l≈2ω_m>>ω_s时，则得到光-光器件测试臂的频响值表示为：

设置ω_m≈ω_l>>ω_s时，得到待测光-电器件频响值表示为：

5.根据权利要求1所述的一种光电子器件频率响应的测试方法，其特征在于，移频模块为声光移频器或者电光移频器或者原子移频器。