CN107085143A - 一种光电频响测试仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电频响测试仪及测试方法。本发明由移频外差模块、微波夹具模块、射频模块、控制与数据处理模块构成，移频外差模块由待测直调激光器、可调谐激光器、光开关、待测电光调制器、光移频单元、光本振单元、参考源、待测光电探测器组成，微波夹具模块提供微波开关和不同射频端口使用场景，射频模块由主微波源和幅相接收单元组成。通过控制光开关和微波开关，同时设置主微波源和参考源输出正弦微波信号的频率关系，结合幅相接收单元对所需频谱边带进行分析，从而获得待测直调激光器、待测电光调制器和待测光电探测器的频响特性参数，摆脱了传统方法的额外校准测试，降低了光电子器件的测试成本，提高了器件测试精度和灵活性及可靠性。

Description

一种光电频响测试仪及测试方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域中的光电子器件频响特性参数的测量技术，具体涉及一种光电频响测试仪及测试方法。

背景技术

随着通信速率和带宽的激增，传统的电子器件已无法满足现代光通信网络传输的需求，而具有高速率、宽带宽的光电子器件成为光纤通信系统中主要组成部分，而直调激光器、电光调制器、光电探测器在光纤通信系统中电-光或光-电相互转换时，其调制系数、半波电压、幅/相频响应、啁啾参数随着频率上升而逐步劣化，进而影响着整个光纤通信系统的信噪比、误码率等性能参数。因此，光电子器件频响参数的测量与评价对于提高和优化光纤通信系统的性能有着重要的意义。

目前测量与分析光电子器件频响参数的方法主要有光谱法和扫频法。其中，光谱法由于测试系统简单成为分析电-光转换器件的主要方法(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.)，但是由于当前商用光栅光谱仪测试分辨率为1GHz，无法实现对低频的测量，而目前开发的具有高分辨率的布里渊和拉曼光谱仪无法实现C+L波段的全覆盖，同时光谱法只能针对单个电-光转换器件，单个频响参数的测量，且无法对光-电转换器件进行测量。扫频法由于能测量电-光转换器件和光-电转换器件，且测量简单、快速，成为当前各个研究单位和仪器公司分析与测试光电子器件的主要方法,如：电光调制器(Q.Y.Ye,C.Yang,Y.H.Chong,“Measuring the Frequency Response of photodiode using phase-modulatedinterferometric detection,”Photonics Technology Letters IEEE,2014,26(1):29-32.)，直调激光器(F.Devaux,Y.Sorel,J.F.Kerdiles,“Simple measurement of fiberdispersion and of chirp parameter of intensity modulated light emitter,”Journal of Lightwave Technology,1993,11(12):1937-1940.),光电探测器(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.)，但是当前的扫频法只能针对单个器件、单种频响参数的测量和评价，同时无法摆脱其他辅助器件对待测器件测量的影响，需要进行额外的校准，增加了测试成本和复杂性。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述电-光和光-电转换器件测试中，现有方法只针对单个器件、单种频响参数的测试，光谱法的测试分辨率不足和光-电转换器件无法测试，扫频法无法摆脱其他辅助器件对待测器件测量的影响，需要额外校准，而造成的测量成本高、测量精度低和灵活性可靠性差的问题，本发明提供一种高精度，宽带宽的光电频响测试仪，实现多个器件，多种频响参数的自校准测试。

本发明所采用的技术方案是：

一种光电频响测试仪，包括移频外差模块、微波夹具模块、射频模块和控制与数据处理模块；

移频外差模块、微波模块、射频模块依次电连接，控制与数据处理模块与移频外差模块、微波模块、射频模块之间通过数据线连接。

所述的一种光电频响测试仪，移频外差模块是马赫曾德尔干涉仪，干涉仪前端为光开关、与光开关1口相连的可调谐激光器以及与光开关2口相连的待测直调激光器，，干涉仪上臂为待测电光调制器，干涉仪下臂为依次连接的光移频单元、光本振单元，光本振单元的驱动电极上连接参考源，干涉仪末端为待测光电探测器。

所述的一种光电频响测试仪，微波夹具模块包括微波开关；微波开关1端口与待测电光调制器的驱动极相连，微波开关2端口与待测直调激光器的驱动电极连接。

所述的一种光电频响测试仪，射频模块包括电连接的主微波源和幅相接收单元，主微波源与微波开关连接；幅相接收单元与待测光电探测器输出端电连接。

所述的一种光电频响测试仪，待测电光调制器为电光相位调制器或者电光强度调制器，光本振单元为双边带强度调制器。

所述的一种光电频响测试仪，光开关和微波开关同步闭合在1口或者2口，光移频单元为声光移频器或者电光移频器或者原子移频器。

所述的光电频响测试仪的测试方法，包括以下步骤：

(1)将光开关和微波开关闭合在1口，可调谐激光器光路连通；可调谐激光器输出的角频率为ω_c的光载波，主微波源输出正弦微波信号角频率为ω_m，将该正弦微波信号加载到待测电光调制器上；

参考源输出的角频率为ω_l的正弦微波信号，将参考源输出的正弦波微波信号加载到光本振单元上；获得马赫曾德尔干涉仪输出的合路光信号；

(2)步骤(1)中合路光信号在待测光电探测器中经光电转换后形成电信号，然后通过幅相接收单元进行频谱分析，测量得到ω_m，ω_l和ω_s的线性组合频率的幅度值；

设置ω_m≈ω_l>>ω_s，获得待测光电探测器频响；

设置ω_m≈2ω_l>>ω_s，当待测光电调制器为电光强度调制器时，获得待测电光调制器的调制系数，分光比，啁啾和半波电压；

当待测电光调制器为电光相位调制器时，获得待测电光调制器的调制系数和半波电压；

(3)将光开关和微波开关闭合在2口，则主微波源输出角频率为ω_m的正弦微波信号加载在待测直调激光器的驱动电极上；

待测直调激光器的光路接通，输出角频率为ω_d的光载波；参考源输出的角频率为ω_l的正弦微波信号，将参考源输出的正弦波微波信号加载到光本振单元上，得到强度调制后的光信号；

(4)步骤(3)中强度调制后的光信号在待测光电探测器中进行光电转换，然后通过幅相接收单元进行频谱分析，设置ω_m≈2ω_l，测量ω_l与ω_m-ω_l的幅度值，获得待测直调激光器的幅度调制系数。

所述的一种光电频响测试仪的测试方法，步骤(1)中马赫曾德尔干涉仪输出的合路光信号为

其中，E_c为光载波的电场幅度，t为时间，j为复数，η，ψ分别为马赫曾德尔干涉仪两臂的分光比和相位差，当γ_m≠0，待测电光调制器为电光强度调制器，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，当γ_m＝0，待测电光调制器为电光相位调制器，则m₁为电光相位调制器的调制系数，光本振单元为电光强度调制器时，β₁和β₂为上下臂的调制系数，γ_l和分别为相应的分光比和偏置相位。

所述的一种光电频响测试仪的测试方法，步骤(2)中ω_m，ω_l和ω_s的线性组合频率的幅度值表示为：

其中，R为待测光电探测器的频响值，J_p(·),J_q(·)分别为第p,q阶的第一类贝塞尔函数；

设置ω_m≈ω_l>>ω_s，待测光电探测器频响表示为：

设置ω_m≈2ω_l>>ω_s，当待测光电调制器为电光强度调制器时，γ_m≠0时，则获得待测电光调制器的调制系数，分光比，啁啾和半波电压分别为：

当待测电光调制器为电光相位调制器时，γ_m＝0时，则待测电光调制器的调制系数和半波电压分别为：

其中，V_m为主微波源输出正弦微波信号的驱动幅度。

所述的一种光电频响测试仪的测试方法，步骤(3)中强度调制后的光信号表示为：

其中，E_d为光载波的电场幅度，m_d和β分别为待测直调激光器的幅度调制系数和相位调制系数，θ为相位调制与幅度调制的相位差；

步骤(4)中待测直调激光器的幅度调制系数表示为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过控制光开关和微波开关，同时设置主微波源和参考源输出正弦微波信号的频率关系，实现了在一个测试系统中对多个器件，多种频响参数的自校准测量，降低了测量成本，提高测量精度和灵活性及可靠性。

本发明采用马赫曾德尔干涉仪，避免了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。

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，具有一定频率扩展能力，即所测试的频率范围比现有测试仪更广泛。

附图说明

图1为本发明的一种光电频响测试仪的连接结构图；

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，

一种光电频响测试仪，包括移频外差模块、微波夹具模块、射频模块和控制与数据处理模块；

移频外差模块、微波模块、射频模块依次电连接，控制与数据处理模块与移频外差模块、微波模块、射频模块之间通过数据线连接。

移频外差模块是马赫曾德尔干涉仪，干涉仪前端为光开关、与光开关1口相连的可调谐激光器以及与光开关2口相连的待测直调激光器，，干涉仪上臂为待测电光调制器，干涉仪下臂为依次连接的光移频单元、光本振单元，光本振单元的驱动电极上连接参考源，干涉仪末端为待测光电探测器。

微波夹具模块包括微波开关；微波开关1端口与待测电光调制器的驱动极相连，微波开关2端口与待测直调激光器的驱动电极连接。微波夹具模块提供微波开关和不同射频端口的使用场景。

射频模块包括电连接的主微波源和幅相接收单元，主微波源与微波开关连接；幅相接收单元与待测光电探测器输出端电连接。

所述的一种光电频响测试仪，待测电光调制器为电光相位调制器或者电光强度调制器，光本振单元为双边带强度调制器。

进行光电器件测试时，光开关和微波开关同步闭合在1口或者2口，光移频单元为声光移频器或者电光移频器或者原子移频器。

一种光电频响测试仪的测试方法如下：

参照图1构造光电频响测试仪。

当光开关与微波开关闭合在1口时，可调谐激光器光路接通，主微波连接到待测电光调制器的驱动电极上。

可调谐激光器输出的光载波为：

E＝E_cexp(jω_ct) (1)

式中，t为时间，j为复数，E_c是光载波的振幅，ω_c是光载波的角频率。该光载波被分为两路，其中一路光载波在待测电光调制器中被主微波输出的正弦微波信号ν_m＝V_msinω_mt进行相位或强度调制，另一路光载波在光移频单元中被移频ω_s后，在光本振单元中被参考源输出的正弦微波信号ν_l＝V_lsinω_lt进行强度调制，最后马赫曾德尔干涉仪输出的光场为：

其中，η，ψ分别为马赫曾德尔干涉仪两臂的分光比和相位差，当γ_m≠0，待测电光调制器为电光强度调制器，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，当γ_m＝0，待测电光调制器为电光相位调制器，则m₁为电光相位调制器的调制系数，光本振单元为电光强度调制器，β₁和β₂为上下臂的调制系数，γ_l和分别为相应的分光比和偏置相位；

马赫曾德尔干涉仪输出的光信号，经过待测光电探测器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为待测光电探测器的频率响应值，J_p(·),J_q(·)分别为第p,q阶的第一类贝塞尔函数。

通过幅相接收单元，测量主微波源和参考源输出正弦微波信号的频率ω_m、ω_l，以及光移频单元的移频频率ω_s的线性组合频率的幅度值为

测量待测光电探测器频率响应时，设置ω_m≈ω_l>>ω_s，测量频率为ω_m-ω_l±ω_s和ω_m+ω_l±ω_s的幅度值，则基于(4)式可以得到待测光电探测器的频率响应值

测量待测电光调制器频响参数时，设置ω_m≈2ω_l>>ω_s，则R(ω_m-ω_l-ω_s)≈R(ω_l-ω_s)或R(ω_m-ω_l+ω_s)≈R(ω_l+ω_s)，当γ_m≠0时，即待测电光调制器为电光强度调制器，测量频率为ω_m-ω_l±ω_s，ω_l±ω_s和ω_s在偏置相位或π，为任意相位时的幅度值，基于(4)式可以得到待测电光调制器的调制系数，分光比，啁啾和半波电压为

当γ_m＝0时，即待测电光调制器为电光相位调制器，测量ω_m-ω_l±ω_s，ω_l±ω_s在偏置相位为任意相位时的幅度值，基于(4)式可以得到待测电光调制器的调制系数和半波电压为

其中V_m为主微波源输出的正弦微波信号的驱动幅度。

当光开关与微波开关闭合在2口时，待测直调激光器光路接通，主微波连接到待测直调激光器的驱动电极上。

待测直调激光器被主微波源输出的正弦微波信号ν_m＝V_msinω_mt调制后，在光本振单元中被参考源输出的正弦微波信号ν_l＝V_lsinω_lt进行强度调制，最后输出的光载波微波信号为

其中，E_d为光载波的电场幅度，m_d和β分别为待测直调激光器的幅度调制系数和相位调制系数，θ为相位调制与幅度调制的相位差。光信号经过待测光电探测器的光电转换后形成电信号的贝塞尔函数的展开式为：

通过幅相接收单元，测量主微波源和参考源输出正弦微波信号的频率ω_m、ω_l的线性组合频率的幅度值为

设置ω_m≈2ω_l，则R(ω_m-ω_l)＝R(ω_l)，基于(10a)和(10b)式，待测直调激光器的幅度调制系数为

基于上述原理基础，通过控制与数据处理模块同步控制移频外差模块、微波夹具模块、射频模块，进行同步射频端口校正与扫频测试，即可获得待测直调激光器、待测电光调制器、待测光电探测器的频响参数曲线。

实施例

激光器输出光载波的波长λ₀＝1552.36nm，光移频单元采用的是一个移频量为70MHz的声光移频器，待测电光调制器为电光强度调制器，光本振单元为电光强度调制器。

将光开关和微波开关闭合在1口：

设置主微波源输出正弦微波信号的频率为7.52GHz，参考源输出的正弦微波信号的频率为7.5GHz，马赫曾德尔干涉仪输出的光信号经过光电探测后，利用幅相接收单元测量频率为0.09GHz(ω_m-ω_l+ω_s)、15.09GHz(ω_m+ω_l+ω_s)的幅度值，分别为则根据(5)式可得待测光电探测器在频率为15.09GHz(ω_m+ω_l+ω_s)和0.09GHz(ω_m-ω_l+ω_s)的响应之比

而一般商用光电探测器在0.09GHz频响值近似为1，因此待测光电探测器在频率为15.09GHz时的频响值为0.4634；

设置主微波源输出正弦微波信号的频率为16GHz，参考源输出的正弦微波信号的频率为8.01GHz，马赫曾德尔干涉仪输出的光信号经过光电探测后，利用幅相接收单元测量频率为0.07GHz(ω_s)、7.92GHz(ω_m-ω_l-ω_s)、7.94GHz(ω_l-ω_s)在偏置相位时的幅度值分别为 在偏置相位时的幅度值分别为 则根据(6)式可得待测电光调制器在调制频率为16GHz时上下臂调制系数m₁＝0.146，m₂＝-0.121，则分光比为

啁啾和半波电压为

将光开关和微波开关闭合在2口：

设置主微波源输出正弦微波信号的频率为8GHz，参考源输出的正弦微波信号的频率为3.99GHz，光信号经过光电转换后，利用幅相接收单元测量频率为4.01GHz(ω_m-ω_l)、3.99GHz(ω_l)的幅度值分别为A(ω_m-ω_l)＝0.0177V、A(ω_l)＝0.0438V，则根据(11)式可得待测直调激光器在调制频率为8GHz时的幅度调制系数m_d为

Claims (10)

1.一种光电频响测试仪，其结特征在于，包括移频外差模块、微波夹具模块、射频模块和控制与数据处理模块；

移频外差模块、微波模块、射频模块依次电连接，控制与数据处理模块与移频外差模块、微波模块、射频模块之间通过数据线连接。

2.根据权利要求1所述的一种光电频响测试仪，其特征在于，移频外差模块是马赫曾德尔干涉仪，干涉仪前端为光开关、与光开关1口相连的可调谐激光器以及与光开关2口相连的待测直调激光器，干涉仪上臂为待测电光调制器，干涉仪下臂为依次连接的光移频单元、光本振单元，光本振单元的驱动电极上连接参考源，干涉仪末端为待测光电探测器。

3.根据权利要求1所述的一种光电频响测试仪，其特征在于，微波夹具模块包括微波开关；微波开关1端口与待测电光调制器的驱动极相连，微波开关2端口与待测直调激光器的驱动电极连接。

4.根据权利要求1所述的一种光电频响测试仪，其特征在于，射频模块包括电连接的主微波源和幅相接收单元，主微波源与微波开关电连接；幅相接收单元与待测光电探测器输出端电连接。

5.根据权利要求2-4所述的一种光电频响测试仪，其特征在于，待测电光调制器为电光相位调制器或者电光强度调制器，光本振单元为双边带强度调制器。

6.根据权利要求5所述的一种光电频响测试仪，其特征在于，光开关和微波开关同步闭合在1口或者2口，光移频单元为声光移频器或者电光移频器或者原子移频器。

7.一种利用权利要求1所述的光电频响测试仪的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将光开关和微波开关闭合在1口，可调谐激光器光路连通；可调谐激光器输出的角频率为ω_c的光载波，主微波源输出正弦微波信号角频率为ω_m，将该正弦微波信号加载到待测电光调制器上；

参考源输出的角频率为ω_l的正弦微波信号，将参考源输出的正弦波微波信号加载到光本振单元上；获得马赫曾德尔干涉仪输出的合路光信号；

(2)步骤(1)中合路光信号在待测光电探测器中经光电转换后形成电信号，然后通过幅相接收单元进行频谱分析，测量得到ω_m，ω_l和ω_s的线性组合频率的幅度值；

设置ω_m≈ω_l>>ω_s，获得待测光电探测器频响；

设置ω_m≈2ω_l>>ω_s，当待测光电调制器为电光强度调制器时，获得待测电光调制器的调制系数，分光比，啁啾和半波电压；

当待测电光调制器为电光相位调制器时，获得待测电光调制器的调制系数和半波电压；

(3)将光开关和微波开关闭合在2口，则主微波源输出角频率为ω_m的正弦微波信号加载在待测直调激光器的驱动电极上；

待测直调激光器的光路接通，输出角频率为ω_d的光载波；参考源输出的角频率为ω_l的正弦微波信号，将参考源输出的正弦波微波信号加载到光本振单元上，得到强度调制后的光信号；

(4)步骤(3)中强度调制后的光信号在待测光电探测器中进行光电转换，然后通过幅相接收单元进行频谱分析，设置ω_m≈2ω_l，测量ω_l与ω_m-ω_l的幅度值，获得待测直调激光器的幅度调制系数。

8.根据权利要求7所述的一种光电频响测试仪的测试方法，其特征在于，步骤(1)中马赫曾德尔干涉仪输出的合路光信号为

其中，E_c为光载波的电场幅度，t为时间，j为复数，η，ψ分别为马赫曾德尔干涉仪两臂的分光比和相位差，当γ_m≠0，待测电光调制器为电光强度调制器，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，当γ_m＝0，待测电光调制器为电光相位调制器，则m₁为电光相位调制器的调制系数，光本振单元为电光强度调制器时，β₁和β₂为上下臂的调制系数，γ_l和分别为相应的分光比和偏置相位。

9.根据权利要求8所述的一种光电频响测试仪的测试方法，其特征在于，步骤(2)中ω_m，ω_l和ω_s的线性组合频率的幅度值表示为：

其中，R为待测光电探测器的频响值，J_p(·),J_q(·)分别为第p,q阶的第一类贝塞尔函数；

设置ω_m≈ω_l>>ω_s，待测光电探测器频响表示为：

设置ω_m≈2ω_l>>ω_s，当待测光电调制器为电光强度调制器时，γ_m≠0时，则获得待测电光调制器的调制系数，分光比，啁啾和半波电压分别为：

当待测电光调制器为电光相位调制器时，γ_m＝0时，则待测电光调制器的调制系数和半波电压分别为：

其中，V_m为主微波源输出正弦微波信号的驱动幅度。

10.根据权利要求7所述的一种光电频响测试仪的测试方法，其特征在于，步骤(3)中强度调制后的光信号表示为：

其中，E_d为光载波的电场幅度，m_d和β分别为待测直调激光器的幅度调制系数和相位调制系数，θ为相位调制与幅度调制的相位差；步骤(4)中待测直调激光器的幅度调制系数表示为：

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