CN110632388B - 一种基于混频的光电探测器频响测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于混频的光电探测器频响测量方法。该方法使用角频率为Δω和ωe的两路微波信号对两路同源光载波分别进行调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ωe<Δω；将载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号耦合后输入待测光电探测器，并测量出待测光电探测器所输出光电流信号中的Δω+ωe分量和Δω‑ωe分量；根据测得的数据计算出待测光电探测器在Δω+ωe和Δω‑ωe频率处的频率响应。本发明还公开了一种基于混频的光电探测器频响测量装置。本发明可突破电光调制器带宽的限制，将光电频率响应的测量范围提升一倍，提高了测量效率，降低测量时间和测量成本。

Description

一种基于混频的光电探测器频响测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种光电探测器频响测量方法，尤其涉及一种基于混频的光电探测器频响测量方法及装置，属于光电器件测量和微波光子学相交叉的技术领域。
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。
中国发明专利CN201710950882公开了《光电探测器频率响应测量方法及装置》，其通过载波移频信号和抑制载波的光双边带扫描信号进行拍频，实现微波光子混频，通过提取待测光电探测器输出的上、下变频光电流信号中的幅度和相位信息，并结合输入探测信号的功率数据，最后计算出待测光电探测器的频谱响应信息。该技术的频率响应测量带宽受限于现有电光调制器的带宽。现有成熟商用的电光调制器的3dB模拟带宽仅为25GHz，这使得频率响应测量带宽一般仅能达到25GHz。然而，现有成熟的商用光电探测器的3dB模拟带宽是光电调制器的两倍以上，大于50GHz。该技术难以获得带宽大于50GHz光电探测器的频率响应。
因此，急需突破电光调制器带宽的限制，实现光电探测器频谱响应的大带宽测量。
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，提供一种基于混频的光电探测器频响测量方法，可突破电光调制器带宽的限制，将光电频率响应的测量范围提升一倍，提高了测量效率，降低测量时间和测量成本。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于混频的光电探测器频响测量方法，使用角频率为Δω和ωe的两路微波信号对两路同源光载波分别进行载波抑制光单边带调制和载波抑制光双边带调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ωe＜Δω；将载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号耦合后输入待测光电探测器，并测量出待测光电探测器所输出光电流信号中的Δω+ωe分量和Δω-ωe分量，分别记作
Figure BDA0002220910830000023
和
Figure BDA0002220910830000024
利用以下公式计算出待测光电探测器在Δω+ωe和Δω-ωe频率处的频率响应R(Δω+ωe)和R(Δω-ωe)：
Figure BDA0002220910830000021
Figure BDA0002220910830000022
式中，P1、P2分别为所述载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号的光功率。
进一步地，该方法还包括：在DC～Δω范围内改变ωe，并测量出相应的频率响应R(Δω+ωe)和R(Δω-ωe)，从而得到待测光电探测器在DC～2Δω频率范围内的频谱响应。
优选地，利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器和光带通滤波器实现所述载波抑制光单边带调制；利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器实现所述载波抑制光双边带调制。
优选地，使用幅相接收机测量出待测光电探测器所输出光电流信号中的Δω+ωe分量和Δω-ωe分量。
根据相同发明思路还可以得到以下技术方案：
一种基于混频的光电探测器频响测量装置，包括：
电光调制单元，用于使用角频率为Δω和ωe的两路微波信号对两路同源光载波分别进行载波抑制光单边带调制和载波抑制光双边带调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ωe＜Δω；
光功率测量单元，用于测量所述载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号的光功率P1、P2；
微波信号测量单元，用于测量待测光电探测器所输出光电流信号中的Δω+ωe分量和Δω-ωe分量，分别记作
Figure BDA0002220910830000033
和
Figure BDA0002220910830000034
控制及处理单元，用于利用以下公式计算出待测光电探测器在Δω+ωe和Δω-ωe频率处的频率响应R(Δω+ωe)和R(Δω-ωe)：
Figure BDA0002220910830000032
进一步地，控制及处理单元还用于控制ωe在DC～Δω范围内改变，并根据相应的频率响应R(Δω+ωe)和R(Δω-ωe)，得到待测光电探测器在DC～2Δω频率范围内的频谱响应。
优选地，所述电光调制单元利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器和光带通滤波器实现所述载波抑制光单边带调制；利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器实现所述载波抑制光双边带调制。
优选地，所述微波信号测量单元使用幅相接收机测量出待测光电探测器所输出光电流信号中的Δω+ωe分量和Δω-ωe分量。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明可对光电探测器的幅相响应进行高分辨率和高精度测量，由于通过上、下变频信号提取出的频谱响应信息无频谱重叠且在整个频谱上为互补关系，使得可测量的频率范围可以达到所使用的微波源频率范围的两倍同时不会浪费测量资源，提高了测量效率，降低了对测量系统的频率要求，同时比现有技术的可测量频率范围有大幅扩展。
附图说明
图1为本发明光电探测器频响测量装置一个具体实施例的结构原理示意图。
具体实施方式
针对现有技术的不足，本发明的思路是利用抑制载波的光单边带信号和抑制载波的光双边带信号进行混频，从而消除了上、下变频信号测得的频谱响应的重叠问题，能够大幅拓展测量范围，提高了测量效率，降低测量时间和测量成本。
本发明所提出的光电探测器频响测量方法，具体如下：
使用角频率为Δω和ωe的两路微波信号对两路同源光载波分别进行载波抑制光单边带调制和载波抑制光双边带调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ωe＜Δω；将载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号耦合后输入待测光电探测器，并测量出待测光电探测器所输出光电流信号中的Δω+ωe分量和Δω-ωe分量，分别记作
Figure BDA0002220910830000043
和
Figure BDA0002220910830000044
利用以下公式计算出待测光电探测器在Δω+ωe和Δω-ωe频率处的频率响应R(Δω+ωe)和R(Δω-ωe)：
Figure BDA0002220910830000041
Figure BDA0002220910830000042
式中，P1、P2分别为所述载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号的光功率。
在此基础上，保持Δω不变，在DC～Δω范围内改变ωe，并测量出相应的频率响应R(Δω+ωe)和R(Δω-ωe)，从而得到待测光电探测器在DC～2Δω频率范围内的频谱响应。
本发明所提出的光电探测器频响测量装置，包括：
电光调制单元，用于使用角频率为Δω和ωe的两路微波信号对两路同源光载波分别进行载波抑制光单边带调制和载波抑制光双边带调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ωe＜Δω；
光功率测量单元，用于测量所述载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号的光功率P1、P2；
微波信号测量单元，用于测量待测光电探测器所输出光电流信号中的Δω+ωe分量和Δω-ωe分量，分别记作
Figure BDA0002220910830000052
和
Figure BDA0002220910830000053
控制及处理单元，用于利用以下公式计算出待测光电探测器在Δω+ωe和Δω-ωe频率处的频率响应R(Δω+ωe)和R(Δω-ωe)：
Figure BDA0002220910830000051
以上各功能模块均可采用现有技术实现，例如，电光调制单元可利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器和光带通滤波器实现所述载波抑制光单边带调制，利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器实现所述载波抑制光双边带调制；或者利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器和受激布里渊散射效应实现所述载波抑制光单边带调制，利用工作在线性传输点的马赫曾德调制器和光带通滤波器实现所述载波抑制光双边带调制等。微波信号测量单元优选采用幅相接收机(矢量网络分析仪)，它同时也可以作为控制及处理单元。
为了便于公众理解，下面通过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显示了本实施例测量装置的基本结构，如图1所示，其包括光源、光分束器、两个微波源、两个马赫曾德尔调制器和对应的偏置点控制器、光滤波器、两个光功率计、微波幅相接收机以及控制及处理单元。光源输出的光载波被光分束器分成两路，第一条光路上有一个马赫曾德尔调制器和对应的偏置点控制器，将第一个微波源产生的微波信号强度调制于光载波上，得到抑制载波的光双边带调制信号，接着经过光带通滤波器，得到抑制载波的光单边带信号，并由一个光功率计测量其功率。第二条光路上同样有一个马赫曾德尔调制器和对应的偏置点控制器，将第二个微波源产生的微波信号强度调制于光载波上，得到抑制载波的光双边带信号，并由第二个光功率计测量其功率。这两路信号耦合后输入待测光电探测器，使用幅相接收机测得光电探测器输出端的光电流信号的幅度和相位，并由控制及处理单元计算得到待测光电探测器的频率响应。对第二个微波信号进行扫频，即可得到待测光电探测器的频谱响应曲线。
假定由激光器输出光信号为
Ein＝Ecexp(iωct) (1)
其中E0表示光载波的幅度大小，ωc表示光载波的角频率。
经过光分束器后，上下两路分别输入至马赫-曾德尔调制器，假设加载在射频端口的微波信号频率分别为Δω和ωe,两个微波信号可分别表示为：
ERF1＝E1sin(Δωt) (2)
ERF2＝E2sin(ωet+φ) (3)
其中E1和E2分别为两个微波信号的幅度大小，φ为两者的初始相位差。
经过光分束器后，下路输出至马赫-曾德尔调制器，假设加载在射频端口的微波信号频率为ωe,且偏置点控制器控制调制器工作在最小传输点，则调制器输出抑制载波的光双边带信号，可表示为：
Figure BDA0002220910830000061
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，Jn(·)表示第一类n阶贝赛尔函数，i为虚数单位。
经过光分束器后，上路同样输入工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器，加载在射频端口的微波信号频率为Δω，输出的抑制载波的光双边带信号经过光带通滤波器后，其－1阶边带被滤除，剩下+1阶边带的输出信号为：
Figure BDA0002220910830000062
两路光信号耦合后输入待测光电探测器。
其中下路的马赫-曾德尔调制器输出的－1阶边带和下路信号拍频产生的光电流信号，即Δω+ωe分量可表示为：
Figure BDA0002220910830000063
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光电流信号，即Δω-ωe分量可表示为：
Figure BDA0002220910830000064
由光功率计可探测上、下两条光路输出的光信号功率为P1和P2，鉴于下路光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相等，因此可近似认为：
Figure BDA0002220910830000071
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(6)，(7)可知，下路－1阶边带和上路的抑制载波的光单边带信号拍频产生的微波信号频率为Δω+ωe，下路+1阶边带和上路的抑制载波的光单边带信号拍频产生的微波信号频率为Δω-ωe。待测光电探测器拍频产生的光电流信号的幅度及相位信息可由幅相接收机探测。
根据光电探测器频率响应定义公式
Figure BDA0002220910830000072
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。
如果微波测量单元测出了待测光电探测器输出光电流中角频率为Δω+ωe的分量为
Figure BDA0002220910830000075
则有：
Figure BDA0002220910830000073
如果微波测量单元测出了待测光电探测器输出光电流中角频率为Δω-ωe的分量为
Figure BDA0002220910830000076
则有：
Figure BDA0002220910830000074
保持Δω不变，ωe在DC～Δω范围内进行扫频，得到上、下变频两组频谱响应，其中下变频分量角频率Δω-ωe测得的光电探测器频谱响应角频率范围为DC～Δω，上变频分量角频率Δω+ωe测得的光电探测器频谱响应角频率范围为Δω～2Δω，将两者进行拼接即可得到待测光电探测器在DC～2Δω角频率范围内的频谱响应。

Claims (8)

1.一种基于混频的光电探测器频响测量方法，其特征在于，使用角频率为Δω和ωe的两路微波信号对两路同源光载波分别进行载波抑制光单边带调制和载波抑制光双边带调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ωe＜Δω；将载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号耦合后输入待测光电探测器，并测量出待测光电探测器所输出光电流信号中的Δω+ωe分量和Δω-ωe分量，分别记作
Figure FDA0002220910820000011
和
Figure FDA0002220910820000012
利用以下公式计算出待测光电探测器在Δω+ωe和Δω-ωe频率处的频率响应R(Δω+ωe)和R(Δω-ωe)：
Figure FDA0002220910820000013
Figure FDA0002220910820000014
式中，P1、P2分别为所述载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号的光功率。
2.如权利要求1所述基于混频的光电探测器频响测量方法，其特征在于，还包括：在DC～Δω范围内改变ωe，并测量出相应的频率响应R(Δω+ωe)和R(Δω-ωe)，从而得到待测光电探测器在DC～2Δω频率范围内的频谱响应。
3.如权利要求1或2所述基于混频的光电探测器频响测量方法，其特征在于，利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器和光带通滤波器实现所述载波抑制光单边带调制；利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器实现所述载波抑制光双边带调制。
4.如权利要求1或2所述基于混频的光电探测器频响测量方法，其特征在于，使用幅相接收机测量出待测光电探测器所输出光电流信号中的Δω+ωe分量和Δω-ωe分量。
5.一种基于混频的光电探测器频响测量装置，其特征在于，包括：
电光调制单元，用于使用角频率为Δω和ωe的两路微波信号对两路同源光载波分别进行载波抑制光单边带调制和载波抑制光双边带调制，分别得到载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号，其中ωe＜Δω；
光功率测量单元，用于测量所述载波抑制的光单边带调制信号和载波抑制的光双边带调制信号的光功率P1、P2；
微波信号测量单元，用于测量待测光电探测器所输出光电流信号中的Δω+ωe分量和Δω-ωe分量，分别记作
Figure FDA0002220910820000021
和
Figure FDA0002220910820000022
控制及处理单元，用于利用以下公式计算出待测光电探测器在Δω+ωe和Δω-ωe频率处的频率响应R(Δω+ωe)和R(Δω-ωe)：
Figure FDA0002220910820000023
6.如权利要求5所述基于混频的光电探测器频响测量装置，其特征在于，控制及处理单元还用于控制ωe在DC～Δω范围内改变，并根据相应的频率响应R(Δω+ωe)和R(Δω-ωe)，得到待测光电探测器在DC～2Δω频率范围内的频谱响应。
7.如权利要求5或6所述基于混频的光电探测器频响测量装置，其特征在于，所述电光调制单元利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器和光带通滤波器实现所述载波抑制光单边带调制；利用工作在最小传输点的马赫曾德尔调制器实现所述载波抑制光双边带调制。
8.如权利要求5或6所述基于混频的光电探测器频响测量装置，其特征在于，所述微波信号测量单元使用幅相接收机测量出待测光电探测器所输出光电流信号中的Δω+ωe分量和Δω-ωe分量。
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