CN109696300B - 用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取方法及装置 - Google Patents

用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微波光子领域，尤其涉及用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取方法，包括双频信号源、频谱分析仪、光电探测器和激光器，待测件将光载波信号从输出端口进入待测件的输入端口，待测件的输出端口连接光电探测器，实现射频信号的光电解调，双频信号源产生的信号通过待测件的端口调制到光载波信号上，在其非线性特性的作用下可通过光电探测器恢复出用于表征待测件频率响应的中频信号，最后通过频谱仪的测量与计算即可得到待测件的响应曲线；本发明所提出的调制器频率响应特性提取方法可用于不同参数电光强度调制的测试中，在高频、宽带模拟光发射组件的生产、研制过程中发挥重要作用，为雷达、电子对抗等电子信息装备提供基本保障。

Description

用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取方法及 装置
技术领域
本发明涉及微波光子领域中用于宽带电光调制器频率响应特性表征的方法，尤其涉及用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取方法及装置。
背景技术
微波光子技术凭借其高频、超宽带、低损耗优势，在雷达、通信、电子对抗系统中得到了广泛应用。微波光子技术是微波技术与光电技术相结合的多学科交叉融合形成的面向电子信息系统的关键技术。微波技术灵活的泛在接入能力与光子技术的高速、宽带低损耗能力相结合不仅可以解决现有电子信息系统面临的瓶颈问题，还可以极大地提升装备的综合能力。以电子对抗系统为例，微波光子链路及系统不仅可以支持常规的2GHz～18GHz跨倍频程的宽带信号传输，甚至还可以覆盖到毫米波、亚毫米波信号的传输与处理，因此微波光子技术在未来电子对抗、雷达、通信、导航等应用领域表现出来了宽阔的应用前景。
由于微波光子系统是用光的手段来完成微波信号的传输与处理功能，因此微波信号的光调制与解调(即电光光电转换)是微波光子系统的关键。光调制与解调器件的性能指标对微波光子系统的整体性能指标起着决定性的作用，而频率响应又是衡量电光调制器及光电探测器器件能力的一个关键特性。由于电光调制器及光电探测器的输入输出具有频率差异大、接口不匹配的特点，难以用普通商用电学测量仪器对其进行直接表征，因此通常都是通过间接手段来获取电光调制器及光电探测器的频率响应。传统的表征电光调制器及光电探测器频率响应特性的主要方法是：首先用光外差法提取光电探测器的频率响应特性，再以光电探测器的频率响应为参考间接测量电光调制器的频率响应。虽然通过光学外差可以产生超高频率的微波探针信号，但是可调谐激光器粗糙的调谐精度不能保证对光电器件进行精细的频率测量。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取方法，包括双频信号源、频谱分析仪、光电探测器和激光器，待测件将光载波信号从输出端口进入待测件的输入端口，待测件的输出端口连接光电探测器，实现射频信号的光电解调，双频信号源产生的信号通过待测件的端口调制到光载波信号上，在其非线性特性的作用下可通过光电探测器恢复出用于表征待测件频率响应的中频信号，最后通过频谱仪的测量与计算即可得到待测件的响应曲线。
进一步的，所述双频信号源包括两个信号源和一个合路器，合路器将两个信号源输出的信号合成一路输出。
进一步的，所述信号源采用输出频率从10MHz到40GH的射频信号源合路器需要覆盖10MHz到40GHz频率范围。
进一步的，所述合路器采用1个10MHz到40GHz频率范围的合路器或者采用分频段覆盖10MHz到40GHz频率范围的多个合路器。
进一步的，所述双频信号源产生两个射频信号fRF1、fRF2，并设定其频差为fIF＝(fRF1-fRF2)；则在调制器非线性作用下使得fRF1与fRF2两个信号发生混频，并通过光电探测从光域转换到电域，将此差频信号fIF称为中频信号，通过测量fIF与(fRF1+fRF2)/2之间的变化关系得到调制器的频率响应特性。
优选的，中频信号fIF为100MHz。
本发明较之传统的先校准光电探测器频率响应，再推算电光调制器频率响应的解耦方法具有以下优点：
首先，避免了传统方法中基于激光器双波长拍频校准光电探测器频率响应存在频率分辨率低、可支持的计量波长受限的缺点，而本发明所涉及到的电光调制器频率特性提取方法由于中频信号固定，因此不需要对光电探测器频率响应进行校准，因此可适应任意波长条件下调制器频率响应的测量要求；
其次，由于测试过程中用到的微波信号可由普通商用信号源提供，因此不仅可以保证1Hz的高精度频率分辨能力，实现对调制器频率特性的精细测量；而且信号源于频谱仪可通过上位机控制，便于后续器件的自动化测量；
总而言之，本发明所提出的调制器频率响应特性提取方法可用于不同参数电光强度调制的测试中，可为高频、宽带模拟光发射组件的生产、研制发挥重要作用，为雷达、电子对抗等电子信息装备提供基本保障。
附图说明
图1为电光调制器频响特性提取方案图；
图2为电光调制器输出光功率随偏置电压的变化关系；
图3为调制深度与贝塞尔函数取值之间的关系图；
图4为本发明的一种优选实施的连接方案。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决上述问题，本发明提出一种用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取方法，如图1，包括双频信号源、频谱分析仪、光电探测器和激光器，待测件将光载波信号从输出端口进入待测件的输入端口，待测件的输出端口连接光电探测器，实现射频信号的光电解调，双频信号源产生的信号通过待测件的端口调制到光载波信号上，在其非线性特性的作用下可通过光电探测器恢复出用于表征待测件频率响应的中频信号，最后通过频谱仪的测量与计算即可得到待测件的响应曲线；在本实施例中，激光器的输出端口1与待测件的输入端口2a连接，双频信号源的输出端口与待测件的输入端口2b连接，待测件的输出端口3c与光电探测器的输入端口3a，光电探测器的输出端口3b与频谱分析仪的输入端口连接。
进一步的，所述双频信号源包括两个信号源和一个合路器，合路器将两个信号源输出的信号合成一路输出。
进一步的，所述信号源采用输出频率从10MHz到40GH的射频信号源合路器需要覆盖10MHz到40GHz频率范围。
进一步的，所述合路器采用1个10MHz到40GHz频率范围的合路器或者采用分频段覆盖10MHz到40GHz频率范围的多个合路器。
进一步的，所述双频信号源产生两个射频信号fRF1、fRF2，并设定其频差为fIF＝(fRF1-fRF2)；则在调制器非线性作用下使得fRF1与fRF2两个信号发生混频，并通过光电探测从光域转换到电域，将此差频信号fIF称为中频信号，通过测量fIF与(fRF1+fRF2)/2之间的变化关系得到调制器的频率响应特性。
下面结合附图4给出本发明的一个具体实施范例，本实施例以本发明为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不应限于下述的实施例。
参照图4，整个实施范例的连接方式是：激光器的输出保偏光纤与待测件(电光强度调制器)的输入保偏光纤通过光纤连接器连接，待测件输出单模光纤与光电探测器的输入单模光纤通过光纤连接器连接，具有一定频差的两个微波信号由两个独立的信号源提供，并通过微波合路器将这个两个信号源的输出信号合为一路，合路器的输出端口通过同轴电缆连接到待测件的射频输入端口。光电探测器的输出端口连接到频谱分析仪。
激光器产生波长为1550nm波段的单色光信号，出光功率为50mW；光电探测器为高响应度的低速光电探测器，饱和光功率＞10dBm，响应度＞0.8mA/mW，带宽为1GHz；信号源的能力需与电光调制器的工作频率范围相匹配，以Ka波段电光调制器为例，信号源1与信号源2需采用输出频率从10MHz到40GH的射频信号源，合路器需要覆盖10MHz到40GHz频率范围(这里可采用分频段覆盖的多个合路器保证10MHz到40GHz的连续覆盖)，频谱分析仪可采用20GHz分析能力的常规频谱仪。设定信号源1的输出频率为fRF1，信号源2的输出频率为fRF2，并保证它们之间的频率间隔恒定为100MHz(即|fRF1-fRF2|＝100MHz)，通过频谱分析仪观察100MHz频点处的输出功率；改变信号源1和信号源2的输出频率fRF1与fRF2，并相应的记录100MHz频点处的输出信号强度，从而得到不同频率位置处对应的调制器响应。
由于电光强度调制器为基于铌酸锂材料的具有马赫增德尔双臂干涉结构的器件，其正弦形式的响应特性使得调制器在大信号调制过程中具有较强的非线性，本方案就是利用其非线性响应，通过同时调制具有一定频差的两个射频信号：fRF1与fRF2，并设定其频差为fIF＝(fRF1-fRF2)。则在调制器非线性作用下使得fRF1与fRF2两个信号发生混频，并通过光电探测从光域转换到电域，我们把该差频信号fIF叫中频信号，通过测量fIF与(fRF1+fRF2)/2之间的变化关系得到调制器的频率响应特性。
Figure GDA0002648106850000051
其中，I表示探测器的输出光电流，Idc表示直流光电流，θ(t)表示射频信号与直流信号产生的附加相移，
Figure GDA0002648106850000052
表示探测器响应度，P0表示激光器输出光功率，LM表示调制器光插损，θRF1表示射频信号1调制产生的附加相移，θRF2表示射频信号2调制产生的附加相移。
将上式按贝塞尔函数展开有：
Figure GDA0002648106850000061
其中，J0表示零阶贝塞尔函数，J2p-1表示(2p-1)阶贝塞尔函数，J2q表示2q阶贝塞尔函数，fRF1表示射频信号1的频率，fRF2表示射频信号2的频率，p与q为1到正无穷大的正整数
Figure GDA0002648106850000062
VRF1表示射频信号1的电压值，VRF2表示射频信号2的电压值，Vπ表示调制器半波电压，t为时间变量。
从上式可以看出中频信号强度与偏置点有关，调制器输出光功率与偏置点之间的对应关系如图所示，从图2中可知，偏置点越接近调制器的最大点(θB＝0°)或最小点(θB＝180°)混频产生的中频信号强度约大，因此为了得到具有较高信噪比的输出中频信号，我们将调制器的工作点设置在最小点，则其在最小点的信号强度Imix(fIF)表示为：
Figure GDA0002648106850000063
式中
Figure GDA0002648106850000064
因此中频信号光电流强度IIF为：
Figure GDA0002648106850000065
其中频信号的产生效率G如下：
Figure GDA0002648106850000066
其中，J1表示一阶贝塞尔函数，RM表示匹配电阻，RL表示负载电阻。
当fRF1与fRF2离得较近即fIF较小时，fRF1与fRF2位置处的半波电压可近似认为相等，则上式可以表示为：
Figure GDA0002648106850000071
由于探测器通常都是50欧姆匹配系统(即RM＝RL＝50Ω)，因此从上式可知只需要知道激光器出光功率、调制器光插损、探测器响应度及fRF1与fRF2的信号强度即可推算出电光调制器射频半波电压随频率的变化关系，而这些参数是可以通过常规仪器完成测试。
其测量过程如下：
1)测量射频信号fRF1与fRF2的信号功率；
2)测量激光器的出光功率与待测调制器的光插损；
3)测量探测器的响应度；
4)测量输出中频信号强度随(fRF1+fRF2)/2之间的对应关系，从而得到不同频点处的调制系数；5)通过调制系数与调制器半波电压的关系，推导出不同频点处调制器的半波电压，本实施例给出如图3所示的调制深度与贝塞尔函数取值之间，可根据此关系推导出半波电压，推导过程此处不再演示。
根据本发明的方法，提出一种用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取装置，该装置包括双频信号源、频谱分析仪、光电探测器和激光器，激光器的输出端口1与待测件的输入端口2a连接，双频信号源的输出端口与待测件的输入端口2b连接，待测件的输出端口3c与光电探测器的输入端口3a，光电探测器的输出端口3b与频谱分析仪的输入端口连接。
进一步的，所述双频信号源包括两个信号源和一个合路器，合路器将两个信号源输出的信号合成一路输出。
进一步的，所述信号源采用输出频率从10MHz到40GH的射频信号源，合路器需要覆盖10MHz到40GHz频率范围。
进一步的，所述合路器采用1个10MHz到40GHz频率范围的合路器或者采用分频段覆盖10MHz到40GHz频率范围的多个合路器。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取方法，其特征在于，包括双频信号源、频谱分析仪、光电探测器和激光器，待测件将光载波信号从激光器输出端口进入待测件的输入端口，待测件的输出端口连接光电探测器，实现射频信号的光电解调，双频信号源产生的信号通过待测件的端口调制到光载波信号上，在其非线性特性的作用下可通过光电探测器恢复出用于表征待测件频率响应的中频信号，通过频谱分析仪的测量与计算即得到待测件的响应曲线，所述双频信号源产生两个射频信号fRF1、fRF2，并设定其频差为fIF＝(fRF1-fRF2)；则在调制器非线性作用下使得fRF1与fRF2两个信号发生混频，并通过光电探测从光域转换到电域，将此频差fIF称为中频信号，通过测量中频信号fIF与(fRF1+fRF2)/2之间的变化关系得到调制器的频率响应特性。
2.根据权利要求1所述的用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取方法，其特征在于，所述双频信号源包括两个信号源和一个合路器，合路器将两个信号源输出的信号合成一路输出。
3.根据权利要求2所述的用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取方法，其特征在于，所述信号源采用输出频率从10MHz到40GH的射频信号源，合路器需要覆盖10MHz到40GHz频率范围。
4.根据权利要求3所述的用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取方法，其特征在于，所述合路器采用1个10MHz到40GHz频率范围的合路器或者采用分频段覆盖10MHz到40GHz频率范围的多个合路器。
5.根据权利要求1所述的用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取方法，其特征在于，中频信号fIF为100MHz。
6.用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取装置，其特征在于，包括双频信号源、频谱分析仪、光电探测器和激光器，激光器的输出端口(1)与待测件的输入端口(2a)连接，双频信号源的输出端口与待测件的输入端口(2b)连接，待测件的输出端口(3c)与光电探测器的输入端口(3a)，光电探测器的输出端口(3b)与频谱分析仪的输入端口连接，所述双频信号源产生两个射频信号fRF1、fRF2，并设定其频差为fIF＝(fRF1-fRF2)；则在调制器非线性作用下使得fRF1与fRF2两个信号发生混频，并通过光电探测从光域转换到电域，将此频差fIF称为中频信号，通过测量中频信号fIF与(fRF1+fRF2)/2之间的变化关系得到调制器的频率响应特性。
7.根据权利要求6所述的用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取装置，其特征在于，所述双频信号源包括两个信号源和一个合路器，合路器将两个信号源输出的信号合成一路输出。
8.根据权利要求7所述的用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取装置，其特征在于，所述信号源采用输出频率从10MHz到40GH的射频信号源，合路器需要覆盖10MHz到40GHz频率范围。
9.根据权利要求8所述的用于高频宽带电光强度调制器频响特性的精准提取装置，其特征在于，所述合路器采用1个10MHz到40GHz频率范围的合路器或者采用分频段覆盖10MHz到40GHz频率范围的多个合路器。
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