CN108918092A - 基于光采样的电光强度调制器幅频特性测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光采样的电光强度调制器幅频特性测量装置及方法，包括锁模激光器、待测电光强度调制器、微波信号源、直流电压源、低频光电探测器、频谱分析仪、电脑；本发明利用低速光学下变频采样实现宽带电光强度调制器的幅频响应测量，由于光学下变频采样具有采样率低、模拟带宽大、精度高的特点，本测量系统具有低频探测、无需校准光电探测器的优点；且与已有的低频探测方法相比，本测量系统仅利用单一微波信号源，结构简单、成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种基于低速光学下变频采样技术的宽带电光强度调制器幅频特性测量方法及装置。
背景技术
随着宽带光纤通信、微波光子等技术的发展，作为其中关键器件之一的电光强度调制器，其带宽等参数也随之提高。在宽带应用系统中，强度调制器的幅频特性，主要指半波电压随频率的变化，会影响系统的整体性能。因此，强度调制器半波电压的精确测量对系统设计中的性能优化和器件制造中的特性评估有着重要的意义。
传统的光谱分析法测量强度调制器的幅频响应，由于商用的光谱分析仪的频谱分辨率通常只能达到1.25GHz(0.01nm)@1550nm，其测量初始频率和测量分辨率通常被限制在2.5GHz和1.25GHz@1550nm。基于电谱分析的调制器幅频响应测量方法因其具有分辨率高的有点受到了广泛关注。
基于电谱分析的强度调制器幅频响应测量方法主要分为三类：矢量网络分析仪法、移频外差法和低频探测法。基于矢量网络分析仪(vector network analyzer,VNA)的频响测量方法是一种典型的电谱分析法(P.D.Hale,and D.F.Williams,“Calibratedmeasurement of optoelectronic frequency response,”IEEE Trans.Microw.TheoryTech.2003,51(4),1422-1429)，该方法将扫频微波信号通过待测调制器加载到光载波上，再测量由光电探测器(photodetector,PD)恢复出的相应频率的微波信号功率，计算出调制器幅频响应。然而，该方法需要利用带宽覆盖频率测量范围的宽带PD和VNA,并且PD的频响需要被校准。近年来，一种基于移频外差的电谱分析法被提出提出(H.Wang,S.Zhang,X.Zou,Y.Zhang,R.Lu,Z.Zhang and Y.Liu,“Calibration-free and bias-drift-freemicrowave characterization of dual-drive Mach–Zehnder modulators usingheterodyne mixing,”Opt.Eng.2015,55(3),031109)。该方法利用双音微波信号调制待测调制器，利用PD获得调制边带与移频载波拍频的微波信号，由频谱分析仪(electricalspectral analyzer，ESA)测量响应微波信号功率，计算获得调制器半波电压。该方法无需对PD的频响进行校准，但仍然需要PD和ESA的带宽覆盖测量范围的一半。为了降低对PD带宽的需求，一种基于低频探测的电谱分析法被提出(S.Zhang,C.Zhang,H.Wang,X.Zou,Y.Liu,and J.E.Bowers,“Calibration-free measurement of high-speed Mach-Zehndermodulator based on low-frequency detection,”Opt.Lett.2016,41(3),460-46).该方法将频率接近的双音信号和低频信号分别通过调制器的微波输入端和偏置电压输入端加载到光载波上，利用PD获得微波信号并利用ESA对其中有效低频成分进行测量和分析，计算得出调制器的半波电压。该方法仅需要低带宽PD和ESA，且不需要对PD频响进行校准。但是该方法需要使用三台微波信号源，包括两台带宽覆盖测量范围的微波信号源和一台低频微波信号源，大大增加了系统的复杂度和成本。
综上所述，目前已有的基于电谱分析测量强度调制器幅频响应的方案存在如下问题：需要对探测器进行额外校准，需要宽带探测器和测量仪器，需要增加宽带微波信号源数量。
发明内容
鉴于以上技术的缺点，本发明提出一种基于低速光学下变频采样技术和低频探测的宽带电光强度调制器幅频响应测量方法及装置，本发明仅利用单一微波信号源且无需对光电探测器进行校准。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种基于光采样的电光强度调制器幅频特性测量装置，包括锁模激光器，待测电光强度调制器，微波信号源，直流电压源，低频光电探测器，频谱分析仪，电脑；
锁模激光器的输出端口连接待测电光强度调制器的光学输入端口，微波信号源的输出端口连接待测电光强度调制器的微波输入端口，直流电压源的输出端口连接待测电光强度调制器的偏置电压输入端口，待测电光强度调制器的输出端口连接低频光电探测器的输入端口，低频光电探测器的输出端口连接频谱分析仪的输入端口，电脑的第一数据端口a连接频谱分析仪的数据端口，电脑的第二数据端口b连接微波信号源的数据端口。
作为优选方式，所述锁模激光器输出低重频的超短光脉冲序列，光脉冲序列输入到待测电光强度调制器对扫频微波信号进行光学下变频采样，其中扫频微波信号由电脑控制微波信号源输出，待测电光强度调制器的偏置电压由直流电压源控制在线性偏置点；待测电光强度调制器输出的采样后光脉冲输出到低频光电探测器，获得拍频电信号的低频成分并输入到频谱分析仪；频谱分析仪测得所需低频频段频谱信息，并将频谱信息输入电脑；电脑对频谱进行分析，选出有效信号功率并保存，在扫描测量结束后计算出电光强度调制器的幅频特性。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于光采样的电光强度调制器幅频特性测量方法，包括以下步骤：
步骤1、利用待测调制器将频率为fs的微波信号加载到锁模激光器输出的重复频率为fr的超短光脉冲序列强度包络上，实现光学下变频采样；
步骤2、利用低频光电探测器对采样后光脉冲进行拍频，获得大量输入微波信号副本和锁模激光器谐波中的低频成分；
步骤3、利用频谱分析仪获得低频微波信号频谱，再将频谱信息传递到电脑；有且只有一个微波信号副本信号落入第一奈奎斯特频率范围，即0～fr/2的频率范围，该微波信号副本的频率记为fF，其中fF＝|fs-kfr|，且fF≤fr/2，k为自然数；由电脑分析出频率为fF的微波信号幅度和频率为fr的锁模激光器基频信号幅度，分别记为i(fF)和i(fr)；
步骤4、由公式计算出频率fs下的调制系数m(fs)，由公式Vπ(fs)＝πV/m(fs)计算出频率fs下调制器的半波电压Vπ(fs)，式中J1(x)表示x的第一类贝塞尔函数的一阶级数，V表示微波信号的幅度；
步骤5、由电脑控制微波源输出下一待测频率微波信号，并重复步骤1、2、3，直到所有微波频率测量完成，即获得半波电压随频率变化的函数和幅频响应函数。
作为优选方式，所述测量方法具体为：
所述锁模激光器输出低重频的超短光脉冲序列，光脉冲序列输入到待测电光强度调制器对扫频微波信号进行光学下变频采样，其中扫频微波信号由电脑控制微波信号源输出，待测电光强度调制器的偏置电压由直流电压源控制在线性偏置点；待测电光强度调制器输出的采样后光脉冲输出到低频光电探测器，获得拍频电信号的低频成分并输入到频谱分析仪；频谱分析仪测得所需低频频段频谱信息，并将频谱信息输入电脑；电脑对频谱进行分析，选出有效信号功率并保存，在扫描测量结束后计算出电光强度调制器的幅频特性。
本发明的有益效果为：本发明利用低速光学下变频采样实现宽带电光强度调制器的幅频响应测量，由于光学下变频采样具有采样率低、模拟带宽大、精度高的特点，本测量系统具有低频探测、无需校准光电探测器的优点；且与已有的低频探测方法相比，本测量系统仅利用单一微波信号源，结构简单、成本较低。
附图说明
图1为本发明提供的测量装置系统结构示意图；
图2(a)为本发明电光强度调制器半波电压随频率变化测量结果，图2(b)为本发明电光强度调制器幅频响应测量结果。
1为锁模激光器，2为待测电光强度调制器，3为微波信号源，4为直流电压源，5为低频光电探测器，6为频谱分析仪，7为电脑，a为电脑的第一数据端口，b为电脑的第二数据端口。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1所示，一种基于光采样的电光强度调制器幅频特性测量装置，包括锁模激光器1，待测电光强度调制器2，微波信号源3，直流电压源4，低频光电探测器5，频谱分析仪6，电脑7；
锁模激光器1的输出端口连接待测电光强度调制器2的光学输入端口，微波信号源3的输出端口连接待测电光强度调制器2的微波输入端口，直流电压源4的输出端口连接待测电光强度调制器2的偏置电压输入端口，待测电光强度调制器2的输出端口连接低频光电探测器5的输入端口，低频光电探测器5的输出端口连接频谱分析仪6的输入端口，电脑的第一数据端口a连接频谱分析仪6的数据端口，电脑的第二数据端口b连接微波信号源3的数据端口。
所述锁模激光器1输出低重频的超短光脉冲序列，光脉冲序列输入到待测电光强度调制器2对扫频微波信号进行光学下变频采样，其中扫频微波信号由电脑7控制微波信号源3输出，待测电光强度调制器2的偏置电压由直流电压源4控制在线性偏置点；待测电光强度调制器2输出的采样后光脉冲输出到低频光电探测器5，获得拍频电信号的低频成分并输入到频谱分析仪6；频谱分析仪6测得所需低频频段频谱信息，并将频谱信息输入电脑7；电脑7对频谱进行分析，选出有效信号功率并保存，在扫描测量结束后计算出电光强度调制器的幅频特性。
一种基于光采样的电光强度调制器幅频特性测量方法，包括以下步骤：
步骤1、利用待测调制器将频率为fs的微波信号加载到锁模激光器输出的重复频率为fr的超短光脉冲序列强度包络上，实现光学下变频采样；
步骤2、利用低频光电探测器对采样后光脉冲进行拍频，获得大量输入微波信号副本和锁模激光器谐波中的低频成分；
步骤3、利用频谱分析仪获得低频微波信号频谱，再将频谱信息传递到电脑；有且只有一个微波信号副本信号落入第一奈奎斯特频率范围，即0～fr/2的频率范围，该微波信号副本的频率记为fF，其中fF＝|fs-kfr|，且fF≤fr/2，k为自然数；由电脑分析出频率为fF的微波信号幅度和频率为fr的锁模激光器基频信号幅度，分别记为i(fF)和i(fr)；
步骤4、由公式计算出频率fs下的调制系数m(fs)，由公式Vπ(fs)＝πV/m(fs)计算出频率fs下调制器的半波电压Vπ(fs)，式中J1(x)表示x的第一类贝塞尔函数的一阶级数，V表示微波信号的幅度；
步骤5、由电脑控制微波源输出下一待测频率微波信号，并重复步骤1、2、3，直到所有微波频率测量完成，即获得半波电压随频率变化的函数和幅频响应函数。
具体的，其详细原理如下：
锁模激光器输出一系列时域上等间距、形状相同的低重频超短光脉冲，其光场可表达为
其中，t表示时间；F0表示光脉冲的幅度；T表示锁模激光器光脉冲的周期；l为整数；p(t-lT)表示光脉冲在lT～(l+1)T时间内的光场形式，即时域中第l个光脉冲的光场表达；pn是p(t)的傅里叶系数，代表了对应光学模式的幅度；n为整数；N为表示光学模式数量的整数，f0表示锁模激光器的中心频率，fr＝1/T表示锁模激光器的重复频率。以一个单音微波信号为例，其电场可表示为
vin(t)＝V cos(2πfst) (2)
式中，V表示微波信号的幅度，fs表示微波信号的频率，此处为测量范围内的任意频率。将强度调制器的偏置电压设置在线性偏置点，将公式(2)描述的微波信号加载到公式(1)描述的超短光脉冲上，调制器输出的光场为
其中，m(fs)是待测调制器在输入频率fs处的调制系数，其可以写作
m(fs)＝πV/Vπ(fs) (4)
其中，Vπ(fs)为待测调制器在频率fs处的半波电压。之后，采样后的光脉冲被送入低速光电探测器完成光学拍频，获得的电信号电流表示为
式中R(f)是光电探测器在频率f处的响应度，J1(x)表示x的第一类贝塞尔函数的一阶级数。从公式(5)看出，输入的微波信号出现了大量的副本。并且由于此处使用的锁模激光器是具有超短光脉冲的被动锁模激光器，脉宽通常可达亚皮秒量级，即锁模激光器的光谱宽度可达几nm甚至十几nm，所以代表光谱宽度的整数N足够大，使得必然有副本可以落在第一奈奎斯特频率范围(0-fr/2)。落在第一奈奎斯特频率范围内的副本频率可定义为傅里叶频率，傅里叶频率可以写作
式中，k＝round(fs/fr)是自然数，定义为对fs/fr进行四舍五入取整。rem(x)表示x的余数。此外，自然数k的范围定义为k∈[0,K]，其中K是由最大测量频率和锁模激光器重频决定的常数。通常，实际实验中的K远远小于N，这是该系统实现无校准的重要基础。另外，被动锁模激光器的重复频率容易实现几十MHz或者更低，因此仅需要低频的探测器即可获得所需频率成分。
由公式(5)可知，落在第一奈奎斯特带宽的傅里叶频率信号的电流幅度可以表示为
i(fF)＝2EkR(fF)J1[m(fs)] (7)
其中，系数Ek代表锁模激光器光谱宽度和形状对傅里叶频率信号幅度的影响，其可以表示为
而锁模激光器基频信号的电流幅度为
i(fr)＝E1R(fr) (9)
因此，结合公式(7)和(9)可得
由公式(10)可计算出频率fs处的调制系数m(fs)，再将m(fs)代入公式(4)即可获得响应半波电压Vπ(fs)。
上文已经提到，由于采样光脉冲序列为超短光脉冲，实际中的N远远大于K，因此可以做出以下近似
E0≈E1≈E2≈…≈EK (11)
并且，由于此处利用的锁模激光器重复频率通常只有几十MHz，在锁模激光器基频范围内(0～fr)的探测器响应度可以认为是相等的。因此，可以做出以下近似
R(fF)≈R(fr) (12)
基于以上近似，公式(10)可以简化为
因此，频率fs处的调制系数m(fs)可以直接由傅里叶信号fF和锁模激光器基频信号fr的相对幅度计算得出。且由此可知该方案无需对探测器频响进行校准。
为了证明本发明的有效性，本实例进行实验验证。实验中锁模激光器为被动锁模的光纤激光器，其重复频率为96.9MHz，光谱宽度为11.1nm；微波信号源的带宽为40GHz，其决定了电光强度调制器的幅频响应测量范围为0-40GHz；光电探测器的带宽为16GHz(可以采用带宽更窄的探测器)；试验中设置频谱分析仪频率测量范围0-100MHz，频谱分辨率为100kHz。待测电光强度调制器的为EOSAPCE公司的AX-OMSS-20(20Gbps)。由电脑控制微波信号源的输出频率，以96.9MHz为频率间隔，由25MHz到39754MHz逐一扫描。
为了验证本方案测量结果的准确性，采用基于移频外差的强度调制器幅频响应测量方法对上述电光强度调制器的在相同频率范围内的频响进行测量。图2(a)和图2(b)分别显示了待测电光强度调制器的半波电压对频率的变化曲线和幅频响应曲线，其中标记空心圆形的实线为本发明方案的试验结果，标记空心正方形的虚线为基于外差拍频法的对比试验。两幅图的结果均显示了极好的一致性，充分证明了本发明方案可以精确测量宽带电光强度调制器的幅频特性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种基于光采样的电光强度调制器幅频特性测量装置，其特征在于：包括锁模激光器(1)，待测电光强度调制器(2)，微波信号源(3)，直流电压源(4)，低频光电探测器(5)，频谱分析仪(6)，电脑(7)；
锁模激光器(1)的输出端口连接待测电光强度调制器(2)的光学输入端口，微波信号源(3)的输出端口连接待测电光强度调制器(2)的微波输入端口，直流电压源(4)的输出端口连接待测电光强度调制器(2)的偏置电压输入端口，待测电光强度调制器(2)的输出端口连接低频光电探测器(5)的输入端口，低频光电探测器(5)的输出端口连接频谱分析仪(6)的输入端口，电脑的第一数据端口a连接频谱分析仪(6)的数据端口，电脑的第二数据端口b连接微波信号源(3)的数据端口。
2.根据权利要求1所述的一种基于光采样的电光强度调制器幅频特性测量装置，其特征在于：所述锁模激光器(1)输出低重频的超短光脉冲序列，光脉冲序列输入到待测电光强度调制器(2)对扫频微波信号进行光学下变频采样，其中扫频微波信号由电脑(7)控制微波信号源(3)输出，待测电光强度调制器(2)的偏置电压由直流电压源(4)控制在线性偏置点；待测电光强度调制器(2)输出的采样后光脉冲输出到低频光电探测器(5)，获得拍频电信号的低频成分并输入到频谱分析仪(6)；频谱分析仪(6)测得所需低频频段频谱信息，并将频谱信息输入电脑(7)；电脑(7)对频谱进行分析，选出有效信号功率并保存，在扫描测量结束后计算出电光强度调制器的幅频特性。
3.一种基于光采样的电光强度调制器幅频特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用待测调制器将频率为fs的微波信号加载到锁模激光器输出的重复频率为fr的超短光脉冲序列强度包络上，实现光学下变频采样；
步骤2、利用低频光电探测器对采样后光脉冲进行拍频，获得大量输入微波信号副本和锁模激光器谐波中的低频成分；
步骤3、利用频谱分析仪获得低频微波信号频谱，再将频谱信息传递到电脑；有且只有一个微波信号副本信号落入第一奈奎斯特频率范围，即0～fr/2的频率范围，该微波信号副本的频率记为fF，其中fF＝|fs-kfr|，且fF≤fr/2，k为自然数；由电脑分析出频率为fF的微波信号幅度和频率为fr的锁模激光器基频信号幅度，分别记为i(fF)和i(fr)；
步骤4、由公式J1[m(fs)]≈i(fF)/2i(fr)计算出频率fs下的调制系数m(fs)，由公式Vπ(fs)＝πV/m(fs)计算出频率fs下调制器的半波电压Vπ(fs)，式中J1(x)表示x的第一类贝塞尔函数的一阶级数，V表示微波信号的幅度；
步骤5、由电脑控制微波源输出下一待测频率微波信号，并重复步骤1、2、3，直到所有微波频率测量完成，即获得半波电压随频率变化的函数和幅频响应函数。
4.根据权利要求3所述的一种基于光采样的电光强度调制器幅频特性测量方法，其特征在于，具体方法为：
所述锁模激光器(1)输出低重频的超短光脉冲序列，光脉冲序列输入到待测电光强度调制器(2)对扫频微波信号进行光学下变频采样，其中扫频微波信号由电脑(7)控制微波信号源(3)输出，待测电光强度调制器(2)的偏置电压由直流电压源(4)控制在线性偏置点；待测电光强度调制器(2)输出的采样后光脉冲输出到低频光电探测器(5)，获得拍频电信号的低频成分并输入到频谱分析仪(6)；频谱分析仪(6)测得所需低频频段频谱信息，并将频谱信息输入电脑(7)；电脑(7)对频谱进行分析，选出有效信号功率并保存，在扫描测量结束后计算出电光强度调制器的幅频特性。
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