CN107741525A - 光电探测器频率响应测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电探测器频率响应测量方法。该方法将光载波分为上、下两路;然后将微波信号强度调制于上路光载波上,生成载波抑制的光双边带调制信号,对下路光载波进行频移操作,同时测出载波抑制的光双边带调制信号的光功率PM以及频移后的下路光载波的光功率PA;将载波抑制的光双边带调制信号与频移后的下路光载波合束后输入待测光电探测器,并测出待测光电探测器输出信号中所包含的两个频率分量中任意一个的功率;最后根据所测量功率,计算出待测光电探测器在ωe‑Δω或ωe+Δω频率处的频率响应R(ωe‑Δω)、R(ωe+Δω)。本发明还公开了一种光电探测器频率响应测量装置。相比现有技术,本发明可有效拓展测量范围,提高测量精度,降低实现成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电探测器频率响应测量方法,属于光电器件测量和微波光子学技术领域。
背景技术
光纤通信具有抗电磁干扰、抗腐蚀、质量轻、容量大等诸多优点,因而广泛应用于高能物理、抗核辐射通信系统、潜艇、军舰、飞机、导弹控制通信系统以及互联网等众多领域。当前光纤通信正往高速率、高效率、大容量以及长距离光纤传输方向发展。随着信息化程度越来越高,对光纤通信传输系统的速率也提出了相应的要求。
光电探测器是光纤通信系统的关键器件之一,其研制、检测和应用需首先测量频谱响应。上个世纪五十年代,人们已经开始光电探测器频谱响应测量的研究,现今已经发展出了诸多光电探测器频谱响应测试方法,大致可分为两类:时域法和频域法。
时域法测量光电探测器频率响应的关键器件是采样示波器,但是时域法的局限性在于测量光电探测器的频率范围受采样示波器带宽限制。
频域法又可细分为外差拍频和外部调制两大类。典型的测量方法比如矢量网络分析法(带宽受限、精度不高)、利用半导体光放大器的白噪声测量法(灵敏度不够)、光外差法(相位、振幅、偏振态匹配要求高)。
因此,迫切需要研究新型的测量方法来提高光电探测器频率响应测量技术的测量精确度及测量带宽。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足,提供一种光电探测器频率响应测量方法,可有效拓展测量范围,提高测量精度,降低实现成本。
本发明的光电探测器频率响应测量方法,包括以下步骤:
步骤1、将光载波分为上、下两路;
步骤2、将频率为ωe的微波信号强度调制于上路光载波上,生成载波抑制的光双边带调制信号,对下路光载波进行频移量为Δω的频移操作;同时测出载波抑制的光双边带调制信号的光功率PM以及频移后的下路光载波的光功率PA;
步骤3、将载波抑制的光双边带调制信号与频移后的下路光载波合束后输入待测光电探测器,并测出待测光电探测器输出信号中所包含的ωe-Δω和ωe+Δω这两个频率分量的功率PUC、PLC中的任意一个;
步骤4、利用以下公式计算出待测光电探测器在ωe-Δω频率处的频率响应R(ωe-Δω)或在ωe+Δω频率处的频率响应R(ωe+Δω):
其中,ZL为待测光电探测器的匹配阻抗。
进一步地,所述方法还包括:
步骤5、对所述微波信号的频率扫频并重复步骤1~步骤4,得到待测光电探测器的频谱响应。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术放方案:
光电探测器频率响应测量装置,包括:
光源,用于输出光载波;
光分束器,用于将所述光载波分为上、下两路;
微波源,用于输出频率为ωe的微波信号;
调制单元,用于将所述微波信号强度调制于上路光载波上,生成载波抑制的光双边带调制信号;
频移单元,用于对下路光载波进行频移量为Δω的频移操作;
光合束器,用于将载波抑制的光双边带调制信号与频移后的下路光载波合束后输入待测光电探测器;
光功率测量单元,用于测出载波抑制的光双边带调制信号的光功率PM以及频移后的下路光载波的光功率PA;
微波功率测量单元,用于测出待测光电探测器输出信号中所包含的ωe-Δω和ωe+Δω这两个频率分量的功率PUC、PLC中的任意一个;
计算单元,用于利用以下公式计算出待测光电探测器在ωe-Δω频率处的频率响应R(ωe-Δω)或在ωe+Δω频率处的频率响应R(ωe+Δω):
其中,ZL为待测光电探测器的匹配阻抗。
进一步地,该装置还包括:
扫频控制单元,用于对所述微波信号的频率扫频。
优选地,所述调制单元为工作于最小传输工作点的马赫-曾德尔调制器。
优选地,所述光功率测量单元包括与调制单元输出端连接的第一光功率计,以及与频移单元输出端连接的第二光功率计。
优选地,所述微波功率测量单元为幅相接收机。
相比现有技术,本发明技术方案具有以下有益效果:
本发明采用光功率计和幅相接收机探测光信号和微波信号的功率,因此其测量精度极高;本发明结构简单,利用现有货架产品即可搭建,实现成本较低。
附图说明
图1为本发明光电探测器频率响应测量装置一个具体实施例的结构示意图;
图2为具体实施例中马赫-曾德尔调制器载波抑制前后的光谱;
图3为具体实施例中不同位置处的信号。
具体实施方式
本发明的基本思路是:将光载波分为上、下两路;然后将微波信号强度调制于上路光载波上,生成载波抑制的光双边带调制信号,对下路光载波进行频移操作,同时测出载波抑制的光双边带调制信号的光功率PM以及频移后的下路光载波的光功率PA;将载波抑制的光双边带调制信号与频移后的下路光载波合束后输入待测光电探测器,并测出待测光电探测器输出信号中所包含的两个频率分量中任意一个的功率PUC或PLC;最后根据PM、PA、PUC或PLC,计算出待测光电探测器在ωe-Δω频率处的频率响应R(ωe-Δω)或在ωe+Δω频率处的频率响应R(ωe+Δω)。
具体而言,本发明光电探测器频率响应测量装置,包括:
光源,用于输出光载波;
光分束器,用于将所述光载波分为上、下两路;
微波源,用于输出频率为ωe的微波信号;
调制单元,用于将所述微波信号强度调制于上路光载波上,生成载波抑制的光双边带调制信号;
频移单元,用于对下路光载波进行频移量为Δω的频移操作;
光合束器,用于将载波抑制的光双边带调制信号与频移后的下路光载波合束后输入待测光电探测器;
光功率测量单元,用于测出载波抑制的光双边带调制信号的光功率PM以及频移后的下路光载波的光功率PA;
微波功率测量单元,用于测出待测光电探测器输出信号中所包含的ωe-Δω和ωe+Δω这两个频率分量的功率PUC、PLC中的任意一个;
计算单元,用于利用以下公式计算出待测光电探测器在ωe-Δω频率处的频率响应R(ωe-Δω)或在ωe+Δω频率处的频率响应R(ωe+Δω):
其中,ZL为待测光电探测器的匹配阻抗。
该装置还可以进一步包括用于改变所述微波信号的频率的扫频控制单元,以自动实现待测光电探测器的宽带频谱响应测量。
上述装置中的各个功能部件可采用各种现有技术实现,其中,所述调制单元优选利用马赫-曾德尔调制器实现,所述光功率测量单元优选利用两个分别与调制单元输出端、频移单元输出端连接的两个光功率计实现,所述微波功率测量单元优选采用幅相接收机(矢量网络分析仪),所述移频单元可采用声光移频、抑制载波单边带调制移频等方式。
为便于公众理解,下面以一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明。
图1显示了本发明光电探测器频率响应测量装置的一个具体实施例。如图1所示,该具体实施例的测量装置包括:激光器、微波源、马赫-曾德尔调制器、移频单元、光功率计1、光功率计2、光分束器、光合束器、幅相接收机。激光器输出的光载波被分为两路,一路通过马赫-曾德尔调制器将微波源输出的微波信号调制到光载波上,并通过施加适当的直流偏置,生成抑制载波的光双边带调制信号;另一路经过移频单元移频,输出移动一定频率的载波信号;光功率计1、2分别监测两路光信号的光功率值;光分束器将上述两路光信号合二为一,输入待测光电探测器,并由幅相接收机测量待测光电探测器输出微波信号的功率。对微波信号进行频率扫描,即可获取光双边带调制信号光功率、移频后的载波光功率和光电探测器输出微波信号功率随频率的变化曲线。根据光电探测器频率响应定义,可计算得到待测光电探测器的频率响应曲线。
假定由激光器输出光信号为
其中E0为光载波的幅度,ωc为光载波的角频率。
经过光分束器后,上路输出至马赫-曾德尔调制器,假设加载在射频端口的微波信号频率为ωe,则调制器输出可表示为:
其中,α为光分束器上下两路的分光比,β为马赫-曾德尔调制器的调制系数,γ为调制器上下两臂的分光比,Jn(·)表示第一类n阶贝赛尔函数,i为虚数单位。
调节加载在马赫-曾德尔调制器上的偏置电压,使得其工作在最小传输工作点,生成载波被抑制的双边带调制信号,载波抑制前后的光谱如图2所示。考虑在小调制系数下,生成的调制信号主要有正负一阶边带组成,式(2)可近似为式(3):
经过光分束器后,下路输入移频单元,载波信号经移频单元移频后的输出为:
其中,Δω为移频单元的移频频率值。
上路由马赫-曾德尔调制器输出、下路由移频单元输出的两路光信号经光合束器耦合后输入待测光电探测器。
其中上路马赫-曾德尔调制器输出的负一阶边带和下路信号拍频产生的微波信号功率可表示为:
上路马赫-曾德尔调制器输出的正一阶边带和下路信号拍频产生的微波信号功率可表示为:
由光功率计1可探测马赫-曾德尔调制器输出的光信号功率为PM,鉴于该调制信号由正负一阶边带主导,且理想情况下,调制器输出的光双边带调制信号正负一阶边带的功率值P-1,P+1应该相等,因此可近似认为:
由光功率计2可探测频移单元输出的频移载波的光功率PA,此上下两路光信号经由光合束器耦合后输入待测光电探测器拍频,由上式(5),(6)可知,上路负一阶边带和下路的频移光载波信号拍频产生的微波信号频率为ωe+Δω,上路正一阶边带和下路的频移光载波信号拍频产生的微波信号频率为ωe-Δω。待测光电探测器拍频产生的微波信号的幅度及相位信息可由幅相接收机探测。
该装置工作过程中各处的信号如图3所示。
根据光电探测器频谱响应定义公式
其中,Rf,if,Pf表示分别表示拍频产生的微波信号频率为f时的光电探测器的响应度、探测器输出的电流大小以及输入探测器的光功率值。
假定待测光电探测器的匹配阻抗为ZL(通常为50Ω),则有根据式(8)可得,
其中,Pif为待测光电探测器拍频产生的微波信号频率为f时,探测器输出微波功率值。
如果微波功率测量单元测出了待测光电探测器输出的ωe-Δω频率分量的功率PUC,则有:
如果微波功率测量单元测出了待测光电探测器输出的ωe+Δω频率分量的功率PLC,则有:
对微波信号扫频,即可得到待测光电探测器的频谱响应。
Claims (7)
1.光电探测器频率响应测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、将光载波分为上、下两路;
步骤2、将频率为ωe的微波信号强度调制于上路光载波上,生成载波抑制的光双边带调制信号,对下路光载波进行频移量为Δω的频移操作;同时测出载波抑制的光双边带调制信号的光功率PM以及频移后的下路光载波的光功率PA;
步骤3、将载波抑制的光双边带调制信号与频移后的下路光载波合束后输入待测光电探测器,并测出待测光电探测器输出信号中所包含的ωe-Δω和ωe+Δω这两个频率分量的功率PUC、PLC中的任意一个;
步骤4、利用以下公式计算出待测光电探测器在ωe-Δω频率处的频率响应R(ωe-Δω)或在ωe+Δω频率处的频率响应R(ωe+Δω):
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其中,ZL为待测光电探测器的匹配阻抗。
2.如权利要求1所述方法,其特征在于,还包括:
步骤5、对所述微波信号的频率扫频并重复步骤1~步骤4,得到待测光电探测器的频谱响应。
3.光电探测器频率响应测量装置,其特征在于,包括:
光源,用于输出光载波;
光分束器,用于将所述光载波分为上、下两路;
微波源,用于输出频率为ωe的微波信号;
调制单元,用于将所述微波信号强度调制于上路光载波上,生成载波抑制的光双边带调制信号;
频移单元,用于对下路光载波进行频移量为Δω的频移操作;
光合束器,用于将载波抑制的光双边带调制信号与频移后的下路光载波合束后输入待测光电探测器;
光功率测量单元,用于测出载波抑制的光双边带调制信号的光功率PM以及频移后的下路光载波的光功率PA;
微波功率测量单元,用于测出待测光电探测器输出信号中所包含的ωe-Δω和ωe+Δω这两个频率分量的功率PUC、PLC中的任意一个;
计算单元,用于利用以下公式计算出待测光电探测器在ωe-Δω频率处的频率响应R(ωe-Δω)或在ωe+Δω频率处的频率响应R(ωe+Δω):
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其中,ZL为待测光电探测器的匹配阻抗。
4.如权利要求3所述装置,其特征在于,还包括:
扫频控制单元,用于对所述微波信号的频率扫频。
5.如权利要求3或4所述装置,其特征在于,所述调制单元为工作于最小传输工作点的马赫-曾德尔调制器。
6.如权利要求3或4所述装置,其特征在于,所述光功率测量单元包括与调制单元输出端连接的第一光功率计,以及与频移单元输出端连接的第二光功率计。
7.如权利要求3或4所述装置,其特征在于,所述微波功率测量单元为幅相接收机。
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