CN110017967B - 一种基于相位比较的电光强度调制器啁啾参数测试方法 - Google Patents

一种基于相位比较的电光强度调制器啁啾参数测试方法 Download PDF

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    • G02F1/212—Mach-Zehnder type

Abstract

一种基于相位比较的电光强度调制器啁啾参数测试方法，旨在于提供一种能够满足宽频带，高精度的电光调制器啁啾参数测试的需求，同时避免了实验中对电光探测器校准问题，并利用移频外差结构实现电光调制器啁啾参数的低频测试方法，避免了使用高频带宽的光电探测器。光载波输入到移频外差结构一分为二，上臂的光载波通过待测电光调制器调制，下臂的光载波进行移频及辅助相位调制器调制，两路光信号经过光电探测器拍频转化为电信号，并通过固定电滤波器滤出特定频率的电信号，最后通过示波器得到电信号的时域波形；通过两次调节待测电光强度调制器的偏置电压，观测特定频率的电信号的相位差，计算该相位差获得电光强度调制器的啁啾参数；改变加载在待测调制器上的射频信号频率，重复上述过程，可测得待测电光强度调制器在不同调制频率的啁啾参数。

Description

一种基于相位比较的电光强度调制器啁啾参数测试方法
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种电光强度调制器啁啾参数的测量方法。
背景技术
随着光纤通信系统高速、宽频带和远距离传输的发展趋势，电光强度调制器已经成为高速光纤通信系统的关键器件之一。传统的马赫曾德尔波导结构电光强度调制器，由于波导结构的不对称性以及上下两臂不同驱动电压损耗，导致了在电光强度调制器在强度调制过程中形成了与光纤色散与紧密联系的啁啾参数，成为限制高速远距离传输的重要因素，因此为提高光纤通信系统的整体传输性能，对于电光强度调制器的啁啾参数的准确测量是非常重要。
目前，测量马赫曾德尔结构的电光强度调制器啁啾参数的方法大致分为电域测量法和光域测量法，光域测量法的典型代表为光谱分析法(Y Q Shi,L S Yan,A EWillner.High-speed electro-optic modulator characterization using opticspectrum analysis.Journal of Lightwave Technology.2003,21(10):2358-23:NCourjal and J M Dudiley.Extinction-ratio-independent method for chirpmeasurements of Mach-Zehnder modulators.0ptics Express.2004,12(3):442-448.)，该方法利用光谱中的光载波与边带的功率比获得电光强度调制器的啁啾参数，但是受限于商用光谱分析仪波长的分辨率(0.01nm)的限制和激光器线宽的影响，无法准确对低频范围内的啁啾参数进行测量；电域测量法包括光鉴频法(J Provost and F Grillot.Measuringthe Chirp and the Linewidth Enhancement Factor of Optoelectronic Devices witha Mach-Zehnder Interferometer.IEEE Photonics Journal.2011,3(3):476-488:J SBakos,G P Djotyan,P N.Ignacz,el al.Generation of frequency-chirped laserpulses by an electro-optic amplitude modulator.Optics and Lasers inEngineering.2009,47(1):19-23.)、外差法(E Rogersj,J L Carini,J A Pechkis,elal.Characterization and compensation of the residual chirp in a Mach-Zehnder-type electro-optical intensity modulator.Optics Express.2010,18(2):1166-1176；D J Krause and J C Cartledge.Technique for Measuring the Optical PhaseTransfer Function.IEEE Photonics Journal.2004,16⑶：1915-1917.)、光纤传输法(FDevaux，Y Sorel and J F Kerdiles.Simple measurement of fiber dispersion and ofchirp parameter of intensity modulated light emitter.Journal of LightwaveTechnology.1993,11(12):1937-1940.)，其中光鉴频法利用干涉仪法将待测器件的幅频和相频响应提取出来用于测量啁啾参数，但是干涉仪受温度影响很大，且对干涉仪的自由光谱范围(FSR)的带宽与分辨率有很高的要求，且调节复杂；外差法利用光外差技术测量调制器的相位和幅度信息之比直接获得啁啾参数，但受到激光器稳定性的影响，且局限于低带宽的时域测量；光纤传输法利用强度调制光信号在色散光纤中的传播特性，易受到光纤长度以及环境的影响。在所有的电域方法中都需要对光电探测器进行额外的校准。
发明内容
本发明旨在于提供一种能够满足宽频带，高精度的电光调制器啁啾参数测试的需求，同时避免了实验中对电光探测器校准问题，并利用移频外差结构实现电光调制器啁啾参数的低频测试方法，避免了使用高频带宽的光电探测器。
本发明技术方案如下：
本发明公开一种基于相位比较的电光调制器啁啾参数测试方法，包括以下步骤：
S1：搭建的测试结构，包括激光器1、移频外差模块15、光电探测器9、固定电滤波器10和示波器11。所述移频外差模块15由1×2光耦合器2分成上下两臂，并由1×2光耦合器8耦合。上臂由偏振控制器3、待测电光强度调制器5、微波信号源一12、直流信号源13组成。下臂由偏振控制器4、声光移频器6、辅助相位调制器7、微波信号源二14组成。其中激光器1、1×2光耦合器2、偏振控制器3、待测电光强度调制器5、1×2光耦合器8和光电探测器9之间光连接，同时，激光器1、1×2光耦合器2、声光移频器6、偏振控制器4、辅助相位调制器7、1×2光耦合器8和光电探测器9之间光连接，待测电光强度调制器5和微波信号源一12、直流信号源13之间以及辅助相位调制器7和微波信号源二14之间电连接,光电探测器9、固定电滤波器10和示波器11之间电连接；
S2：所述待测电光强度调制器5为马赫曾德尔电光强度调制器(MZM)；
S3：声光移频器使下臂光载波产生fs频移，微波信号源一12产生频率为f1的正弦信号a加载到待测电光强度调制器上，微波信号源二14产生频率为f2的正弦信号b加载到辅助相位调制器7上，直流信号源13产生的直流信号c加载在待测电光强度调制器5，上下两臂调制的光信号通过1×2光耦合器8耦合送入光电探测器进行光电转换，并依次通过固定电滤波器10、示波器11得到固定频率电信号的时域波形，固定的电信号频率fi＝(f1-f2)+fs或fi＝(f1-f2)-fs。合理调节f2，保证在固定电滤波器的工作带宽内只存在fi一个频率的电信号；
S4：再次调节直流信号源13产生的直流信号d加载在待测电光强度调制器5，通过示波器11得到固定频率电信号的时域波形，固定的电信号仍为频率fi＝(f1-f2)+fs或fi＝(f1-f2)-fs；
S5：以示波器采集的固定电信号fi＝(f1-f2)-fs为例，其时域信号
Figure GDA0002696087530000021
Figure GDA0002696087530000022
β为测量结构所引入的固有光相位常数，电信号存在与直流偏置有关的相位角
Figure GDA0002696087530000023
Figure GDA0002696087530000024
其
Figure GDA0002696087530000025
分别为MZM上下臂的直流偏置相位，m1,m2分别为MZM上下臂的调制系数，γ为MZM上下两臂分光比；
S6：调节直流偏置至最大偏置点和最小偏置点，使MZM输出光功率达到最大值Pmax和最小值Pmin并由光功率计进行测量，由消光比公式
Figure GDA0002696087530000026
计算MZM上下两臂分光比γ；
S7：调节直流偏置至最大偏置点，使
Figure GDA0002696087530000027
S8：调节直流偏置至正交偏置点，
Figure GDA0002696087530000031
S9：计算两次在示波器显示的固定电信号波形的相位差值
Figure GDA0002696087530000032
由三角函数
Figure GDA0002696087530000033
计算出MZM上下臂调制系数比
Figure GDA0002696087530000034
S10：将上下臂分光比γ、上下臂调制系数比
Figure GDA0002696087530000035
代入到啁啾参数公式
Figure GDA0002696087530000036
即可获得该调制频率下的啁啾参数α；
S11：改变加载在待测调制器上的射频信号频率，合理调节f2，保证在固定电滤波器的工作带宽内只存在fi＝(f1-f2)-fs一个频率的电信号，重复步骤S7-S11，可测得待测电光强度调制器在不同调制频率的啁啾参数α。
一种基于相位比较的电光强度调制器啁啾参数测试方法，其特征在于步骤S3中由固定电滤波器滤出的电信号只有fi＝(f1-f2)+fs或fi＝(f1-f2)-fs频率信号，无其它谐波分量，避免影响测量的准确性。
一种基于相位比较的电光强度调制器啁啾参数测试方法，其特征在于步骤S7、S8中调节两次特殊的直流偏置点，第一次调节为最大偏置点，第二次调节为正交偏置点，以便由相位差值
Figure GDA0002696087530000037
计算出MZM上下臂调制系数比
Figure GDA0002696087530000038
本发明的有益效果是：
本发明由激光器、移频外差结构、光电探测器、固定电滤波器、示波器组成，利用移频外差结构、电滤波器实现高频信号转化到低频信号进行测量以及对固定低频电信号提取；调节偏置电压改变固定低频电信号的相位；通过示波器在时域上提取两次电信号的相位差值，计算出待测电光强度调制器的啁啾参数。实现了宽频带，高精度电光调制器啁啾参数的低频检测。
附图说明
图1为本发明基于相位比较的电光强度调制器啁啾参数测量装置图。
图2是本发明实例中示波器对该固定电信号fi＝(f1-f2)-fs的时域波形提取的示意图。
其中附图1标记：1-激光器、15-移频外差模块、9-光电探测器、10-固定电滤波器、11-示波器、2-1×2光耦合器、8-1×2光耦合器、3-偏振控制器、5-电光强度调制器、12-微波信号源一、13-直流信号源组成、4-偏振控制器、6-声光移频器、7-相位调制器、14-微波信号源二。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。
本发明一种基于相位比较的电光强度调制器啁啾参数测量装置图如图1所示，激光器1产生的频率为f0的光载波进入移频外差模块15一分为二，上臂通过待测MZM5将频率为f1的射频信号调制在频率为f0的光载波上，下臂通过声光移频器6将光载波移频fs，并通过偏振控制器4，辅助相位调制器7将频率为f2的射频信号调制在移频后的光载波上，两臂光载波通过1×2光耦合器8耦合，通过光电探测器9拍频将光信号转化为电信号，通过固定电滤波器10只滤出频率为fi＝(f1-f2)+fs的固定电信号，无其它谐波分量，通过示波器11提取电信号的时域波形；调节待测MZM的偏置电压，改变固定电信号的相位，通过示波器11再次提取频率为fi＝(f1-f2)+fs固定电信号的时域波形；通过比较两次时域波形的相位差即可计算待测MZM在驱动信号为f1下的啁啾参数；针对不同频段的射频信号，调节微波信号源一产生频率f1，微波信号源二产生频率f2以满足固定值fi＝(f1-f2)-fs，重复上述实验过程，可实现宽频带，高精度的啁啾参数测量。
本发明一种基于相位比较的电光强度调制器啁啾参数测试方法的原理如下：
激光器1产生频率为f0的光载波通过1×2光耦合器2分成两路，上臂通过待测MZM5将频率为f1的射频信号调制在频率为f0的光载波上，下臂通过声光移频器6将光载波移频fs，并通过偏振控制器4，相位调制器7将频率为f2的射频信号调制在移频后的光载波上，两臂光信号通过1×2光耦合器8耦合。其上臂电场强度可表示为：
Figure GDA0002696087530000041
其下臂电场强度可表示为：
Figure GDA0002696087530000042
其中E1，E2为上下两臂光载波幅度大小，γ为MZM上下两臂分光比，m1，m2，mp分别为MZM上下两臂及相位调制器的调制系数，θm、θp分别为加载在MZM和相位调制器射频信号的初始相位，θs为声光移频器引入的光相位，ψ为干涉结构两臂的固定光相位差，
Figure GDA0002696087530000043
为MZM上臂的直流偏置相位，
Figure GDA0002696087530000044
为MZM下臂的直流偏置相位。
上下两臂光信号耦合，通过光电探测器9拍频后电信号表达式：
Figure GDA0002696087530000045
经过贝塞尔函数化简后电信号表达式：
Figure GDA0002696087530000046
其中φ表达式：
Figure GDA0002696087530000047
选择f1，f2，fs以及固定电滤波器，合理调节f2，保证在固定电滤波器的工作带宽内只存在fi＝(f1-f2)+fs或fi＝(f1-f2)-fs频率信号，无其它谐波分量，避免影响测量的准确性。当通过固定电滤波器滤出的电信号为fi＝(f1-f2)-fs，通过示波器检测的光电流波形：
Figure GDA0002696087530000051
其
Figure GDA0002696087530000052
表达式采用小信号近似：
Figure GDA0002696087530000053
调节直流偏置至最大偏置点和最小偏置点，使MZM输出光功率达到最大值Pmax和最小值Pmin并由光功率计进行测量，由消光比公式：
Figure GDA0002696087530000054
计算出MZM上下两臂分光比γ；
调节两次待测MZM的偏置电压，改变固定电信号fi＝(f1-f2)-fs的相位，通过比较两次时域波形的相位差计算出待测MZM在驱动信号为f1下的啁啾参数：
第一次调节直流偏置至最大偏置点，使
Figure GDA0002696087530000055
第二次调节直流偏置至正交偏置点，使
Figure GDA0002696087530000056
两次相移差为
Figure GDA0002696087530000057
由三角函数
Figure GDA0002696087530000058
计算出MZM上下两臂调制系数比
Figure GDA0002696087530000059
啁啾参数
Figure GDA00026960875300000510
由(8)计算出的MZM上下两臂分光比γ、由(9)计算出的MZM上下两臂调制系数比
Figure GDA00026960875300000511
代入(10)计算出啁啾参数α。
实施例1
测量电光强度调制器3GHz啁啾参数，调节微波信号源一产生频率为f1＝3GHz，微波信号源二产生频率为f2＝1.93GHz，fs＝70MHz，满足固定值fi＝(f1-f2)-fs＝1GHz。通过固定电滤波器只滤出1GHz的固定电信号，无其它谐波分量，通过示波器提取该信号的时域波形。图2对应的调节两次偏置电压，滤出1GHz信号时域波形的变化。
首先计算MZM上下两臂的分光比γ。调节直流偏置至最大偏置点和最小偏置点，通过光功率计测量MZM输出光功率的最大值Pmax和最小值Pmin。实验中由光功率计测得所用电光调制器消光比12.88dB,由(8)式计算出MZM上下两臂分光比γ＝0.64。
然后计算MZM上下两臂调制系数比
Figure GDA00026960875300000512
调节两次特殊的直流偏置点，第一次调节直流偏置至最大偏置点，从示波器获得的时域波形如图2蓝线所示；第二次调节直流偏置至正交偏置点，再次从示波器获得时域波形如图2红线所示。通过调节两次直流偏置，根据示波器采集的数据会发现两次提取的1GHz固定电信号时域波形会有明显的相位变化，通过比较两次时域波形波峰的位置即可计算出两次时域信号的相位
Figure GDA0002696087530000061
由采集的数据得出两次峰峰值位置相差0.03ns，对于1GHz信号，其周期为1ns，所以相位差
Figure GDA0002696087530000062
Figure GDA0002696087530000063
由公式(9)
Figure GDA0002696087530000064
得出
Figure GDA0002696087530000065
最后计算MZM啁啾参数。由求得的MZM上下两臂分光比γ、MZM上下两臂调制系数比
Figure GDA0002696087530000066
代入到啁啾参数公式中，计算得α＝0.421。所以电光强度调制器在调制频率为3GHz下的啁啾参数α为0.421。
改变加载在待测调制器上的射频信号频率f1，合理调节加载在辅助相位调制器上的射频信号频率f2，保证固定值fi＝(f1-f2)-fs＝1GHz，重复上述步骤即可准确测得电光调制器宽范围的啁啾参数。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于相位比较的电光强度调制器啁啾参数测试方法，其特征在于以下步骤：
S1：搭建的测试结构，包括激光器(1)、移频外差模块(15)、光电探测器(9)、固定电滤波器(10)和示波器(11),所述移频外差模块(15)由1×2光耦合器一(2)分成上下两臂，并由1×2光耦合器二(8)耦合,上臂由偏振控制器一(3)、待测电光强度调制器(5)、微波信号源一(12)、直流信号源(13)组成,下臂由偏振控制器二(4)、声光移频器(6)、辅助相位调制器(7)、微波信号源二(14)组成,其中激光器(1)、1×2光耦合器一(2)、偏振控制器一(3)、待测电光强度调制器(5)、1×2光耦合器二(8)和光电探测器(9)之间光连接，同时，激光器(1)、1×2光耦合器一(2)、声光移频器(6)、偏振控制器二(4)、辅助相位调制器(7)、1×2光耦合器二(8)和光电探测器(9)之间光连接，待测电光强度调制器(5)和微波信号源一(12)、直流信号源(13)之间以及辅助相位调制器(7)和微波信号源二(14)之间电连接,光电探测器(9)、固定电滤波器(10)和示波器(11)之间电连接；
S2：所述待测电光强度调制器(5)为马赫曾德尔电光强度调制器MZM；
S3：声光移频器使下臂光载波产生fs频移，微波信号源一(12)产生频率为f1的正弦信号a加载到待测电光强度调制器上，微波信号源二(14)产生频率为f2的正弦信号b加载到辅助相位调制器(7)上，直流信号源(13)产生的直流信号c加载在待测电光强度调制器(5)，上下两臂调制的光信号通过1×2光耦合器二(8)耦合送入光电探测器进行光电转换，并依次通过固定电滤波器(10)、示波器(11)得到固定频率电信号的时域波形，固定的电信号频率fi＝(f1-f2)+fs或fi＝(f1-f2)-fs,合理调节f2，保证在固定电滤波器的工作带宽内只存在fi一个频率的电信号；
S4：再次调节直流信号源(13)产生的直流信号d加载在待测电光强度调制器(5)，通过示波器(11)得到固定频率电信号的时域波形，固定的电信号仍为频率fi＝(f1-f2)+fs或fi＝(f1-f2)-fs；
S5：以示波器采集的固定电信号fi＝(f1-f2)-fs为例，其时域信号
Figure FDA0002725135810000011
Figure FDA0002725135810000012
β为测量结构所引入的固有光相位常数，电信号存在与直流偏置有关的相位角
Figure FDA0002725135810000013
Figure FDA0002725135810000014
其
Figure FDA0002725135810000015
分别为MZM上下臂的直流偏置相位，m1,m2分别为MZM上下臂的调制系数，γ为MZM上下两臂分光比；
S6：调节直流偏置至最大偏置点和最小偏置点，使MZM输出光功率达到最大值Pmax和最小值Pmin并由光功率计进行测量，由消光比公式
Figure FDA0002725135810000016
计算MZM上下两臂分光比γ；
S7：调节直流偏置至最大偏置点，使
Figure FDA0002725135810000017
S8：调节直流偏置至正交偏置点，使
Figure FDA0002725135810000018
S9：计算两次在示波器显示的固定电信号波形的相位差
Figure FDA0002725135810000019
由三角函数
Figure FDA00027251358100000110
计算出MZM上下臂调制系数比
Figure FDA00027251358100000111
S10：将上下臂分光比γ、上下臂调制系数比
Figure FDA0002725135810000021
代入到啁啾参数公式
Figure FDA0002725135810000022
即可获得f1调制频率下的啁啾参数α；
S11：改变加载在待测调制器上的射频信号频率f1，合理调节f2，保证在固定电滤波器的工作带宽内只存在fi＝(f1-f2)-fs一个频率的电信号，重复步骤S7-S11，可测得待测电光强度调制器在不同调制频率的啁啾参数α。
2.依据权利要求1所述的一种基于相位比较的电光强度调制器啁啾参数测试方法，其特征在于步骤S3中由固定电滤波器滤出的电信号只有fi＝(f1-f2)+fs或fi＝(f1-f2)-fs频率信号，无其它谐波分量，避免影响测量的准确性。
3.依据权利要求1所述的一种基于相位比较的电光强度调制器啁啾参数测试方法，其特征在于步骤S7、S8中调节两次特殊的直流偏置点，第一次调节为最大偏置点，第二次调节为正交偏置点，以便由相位差值
Figure FDA0002725135810000023
计算出MZM上下臂调制系数比
Figure FDA0002725135810000024
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