CN111970051B - 一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置及方法 - Google Patents

一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置及方法。本发明由激光器、微波信号源、辅助微波信号源、待测电光相位调制器、辅助电光强度调制器、光电探测器和频谱分析模块组成，其中，激光器、待测电光相位调制器、辅助电光强度调制器、光电探测器依次光连接，微波信号源与待测电光相位调制器的输入电极端为电连接，辅助微波信号源与辅助电光强度调制器的输入电极端为电连接，光电探测器输出端与频谱分析模块为电连接；设置微波信号源输出信号频率f1与辅助微波信号源输出信号频率f2的关系为f1≈2f2的情况下，通过频谱分析模块，获得拍频成分f1‑f2和f2成分的功率比值，实现对待测电光相位调制器的残余幅度调制系数的高精度、自校准测试。

Description

一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置及方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置及方法。
背景技术
作为光纤通信系统中的重要组成部分，电光相位调制器由于其无需偏置且线性调制的特性，被广泛用于光通信信号调制、高频微波信号产生以及处理。电光相位调制器的特性参数是决定通信链路和微波光子链路性能的关键所在，尤其是纯粹的相位调制是电光相位调制的关键，然而，由于集成器件制作工艺以及器件封装技术的限制，难免会造成相位调制器存在幅度调制过程，因此对电光相位调制器残余调制特性参数的研究对于器件设计、优化和研发显得尤为重要。
当前，实现电光相位调制器调制特性测量的技术主要包括：光谱分析法、扫频法以及移频外差法。其中光谱分析法是利用光谱分析仪对相位调制光信号的光波边带信息进行分析，通过测量相邻光边带之间的幅度差值，实现相位调制器的相位调制系数的检测，(Y.Q.Shi,L.S.Yan,A.E.Willner,“High-speed electrooptic modulatorcharacterization using optical spectrum analysis,”Journal of LightwaveTechnology,2003,21(10):2358-2367)，然而，由于光谱分析法的测量分辨率严重受限于光谱仪的分光能力(1.25GHz@1550nm)，造成其测量分辨率有限，且还存在低频测量盲区的问题；为此，有学者提出基于电矢量网络分析仪的扫频测试技术对待测器件进行扫频测量，充分利用高精细的电域分析特性，可实现电光相位调制器的高精度频响测量，但是，需要进行额外校准，且过程复杂；为了同时满足高精细和自校准测试，有学者提出基于频谱映射的移频外差法(S.J.Zhang,C.Zhang,H.Wang,X.H.Zou,Y.L.Zhang,Y.Liu,and J.E. Bowers,“Self-calibrated microwave characterization of high-speed optoelectronicdevices by heterodyne spectrum mapping,”Journal of Lightwave Technology,35(10), 1952-1961.)，通过移频外差技术将光谱信息映射到电域中进行分析，同时配置两个调制信号的频率关系，实现高精度、自校准的光电子器件绝对相位调制系数的测试。以上相位调制器特性参数的测量主要都是针对相位调制系数的测试，而无法实现残余幅度调制系数测量。针对以上问题，本发明通过级联电光调制，并调整调制微波信号频率的关系，实现残余幅度调制系数的自校准测量。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种高分辨率、高精度、低成本、自校准电域测量的电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置及方法。
本发明的技术方案如下：
一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置，其包括：激光器、微波信号源、辅助微波信号源、级联电光调制模块、光电探测器和频谱分析模块，其中，级联电光调制模块由待测电光相位调制器和辅助电光强度调制器组成；所述激光器、待测电光相位调制器、辅助电光强度调制器、光电探测器依次光连接；所述微波信号源与待测电光相位调制器的输入电极端为电连接；所述辅助微波信号源与辅助电光强度调制器的输入电极端为电连接；所述光电探测器输出端与频谱分析模块为电连接；其中，所述激光器用于激光器发出频率为f0的光载波，待测电光相位调制器用于加载f1的微波信号，辅助电光强度调制器用于加载f2的微波信号，光电探测器用于实现光电转换，微波信号源用于产生频率为f1的微波信号，辅助微波信号源用于产生频率为f2的辅助微波信号。
进一步的，所述辅助电光强度调制器为马赫-曾德尔调制器或电吸收调制器。
进一步的，待测电光相位调制器通过电光相位调制效应将被微波信号源产生的正弦信号加载到光波上，考虑到残余幅度调制效应，调制光信号电场EPM表示为：
Figure GDA0003247599700000021
其中，A1为上臂中光载波的幅值，mPM和mI1分别为待测电光相位调制器的相位调制系数和残余幅度调制系数，Jp(·)为第p阶的第一类贝塞尔函数，j为复数。
进一步的，经过待测电光相位调制器调制后的光信号进入到辅助电光强度调制器中，为了方便描述，级联调制后的信号可表示为：
Eout(t)＝(1+mI2sin2πf2t)EPM(t) (2)
其中，f2表示为辅助微波信号源输出的辅助微波信号频率，级联电光调制模块输出的合路光信号通过光电探测器检测，输出的光电流为：
Figure GDA0003247599700000031
其中，
Figure GDA0003247599700000032
为Eout(t)的共轭形式。
进一步的，通过频谱分析模块，混频电信号中f1-f2和f2所对应幅度分别为：
Figure GDA0003247599700000033
Figure GDA0003247599700000034
其中，R(f1-f2)和R(f2)分别为光电探测器在频率f1-f2和f2处的响应度。
两个混频成分的幅值比为：
Figure GDA0003247599700000035
设置微波信号源和辅助微波信号源输出信号频率的关系固定为f1≈2f2，则由光电探测器频率响应造成的功率不平坦就可以忽略不计，即R(f1-f2)≈R(f2)，此时，待测相位调制器的残余幅度调制系数可以为：
Figure GDA0003247599700000036
改变微波信号源的频率f1和辅助微波信号源的频率f2，
一种基于所述装置的测试方法，其包括以下步骤：
(1)微波信号源产生频率为f1微波信号，通过电光相位调制器加载在由激光器输出的频率为f0的光波上，电光相位调制信号通过辅助电光强度调制器将辅助微波信号源产生频率为f2微波信号级联电光调制在光波上；
(2)设置微波信号源输出信号频率f1与辅助微波信号源输出信号频率f2的关系为f1≈2f2的情况下，级联调制信号送入光电探测器进行光电转换，获得拍频信号，利用频谱分析模块记录混频信号中频率成分f1-f2和f2的幅值比，为:
Figure GDA0003247599700000041
式中，mI为待测电光相位调制器的残余幅度调制系数，F为关于mI的函数；
(3)在固定信号频率关系为f1≈2f2的情况下，改变微波信号源的频率f1和辅助微波信号源的频率f2，重复上述过程，得到待测电光相位调制器残余幅度调制系数在不同频率处的大小，实现电光相位调制器残余幅度调制系数的自校准测试。
进一步的，所述微波信号源的输出信号频率f1与辅助微波信号源输出信号频率f2的关系为f1≈2f2。
本发明的优点及有益效果如下：
(1)本发明通过巧妙地设置级联电光调制模块中两个微波信号频率的关系，即近似二倍的驱动微波频率关系，可以消除额外辅助电光强度调制器和光电探测器的频率响应，实现电光相位调制器残余幅度调制系数的自校准测试，无需额外校准过程；
(2)与传统移频外差干涉法相比，本发明采用级联电光调制结构，去除了额外的移频模块的需求，测试结构简单，成本低。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置连接结构图。
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
如图1所示，一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置，包括激光器、微波信号源、辅助微波信号源、级联电光调制模块、光电探测器和频谱分析模块；其中，级联电光调制模块由待测电光相位调制器和辅助电光强度调制器组成；激光器、待测电光相位调制器、辅助电光强度、光电探测器依次光连接；微波信号源与待测电光相位调制器的输入电极端为电连接；辅助微波信号源与辅助电光强度调制器的输入电极端为电连接；光电探测器输出端与频谱分析模块为电连接。其中，所述激光器用于激光器发出频率为f0的光载波，待测电光相位调制器用于加载f1的微波信号，辅助电光强度调制器用于加载f2的微波信号，光电探测器用于实现光电转换，微波信号源用于产生频率为f1的微波信号，辅助微波信号源用于产生频率为f2的辅助微波信号。
本发明的一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试原理及方法如下：
激光器发出频率为f0的光载波进入到级联电光调制模块中，在级联电光调制模块由待测电光相位调制器和辅助电光强度调制器组成，待测电光相位调制器被微波信号源产生的正弦信号进行电光调制。考虑到残余幅度调制效应，调制光信号电场EPM表示为：
Figure GDA0003247599700000051
其中，A1为上臂中光载波的幅值，mPM和mI1分别为待测电光相位调制器的相位调制系数和残余幅度调制系数，Jp(·)为第p阶的第一类贝塞尔函数，j为复数。
经过待测相位调制器调制后的光信号进入到辅助电光强度调制器中，为了方便描述，级联调制后的信号可表示为：
Eout(t)＝(1+mI2sin2πf2t)EPM(t) (2)
其中，f2表示为辅助微波信号源输出的辅助微波信号频率，级联电光调制模块输出的合路光信号通过光电探测器检测，输出的光电流为：
Figure GDA0003247599700000061
其中，
Figure GDA0003247599700000062
为Eout(t)的共轭形式。
进一步的，通过频谱分析模块，混频电信号中f1-f2和f2所对应幅度分别为：
Figure GDA0003247599700000063
Figure GDA0003247599700000064
其中，R(f1-f2)和R(f2)分别为光电探测器在频率f1-f2和f2处的响应度。
两个混频成分的幅值比为：
Figure GDA0003247599700000065
设置微波信号源和辅助微波信号源输出信号频率的关系固定为f1≈2f2，则由光电探测器频率响应造成的功率不平坦就可以忽略不计，即R(f1-f2)≈R(f2)。此时，待测相位调制器的残余幅度调制系数可以为：
Figure GDA0003247599700000066
改变微波信号源的频率f1和辅助微波信号源的频率f2，重复上述过程，得到待测电光相位调制器残余幅度调制系数在不同频率处的大小，实现电光相位调制器残余幅度调制系数的自校准测试。
实施例
激光器输出功率为10dBm、频率f0＝193.1THz(波长约为1550nm)的光载波。微波信号源产生频率为f1＝19.999GHz的正弦信号对待测电光相位调制器进行调制，辅助微波信号源产生频率为f2＝10.000GHz的正弦信号对辅助电光强度调制器进行调制，微波信号源与辅助微波信号源驱动的功率分别为0dBm和8dBm，从级联电光调制模块输出信号通过光电探测器探测，输出光电流通过频谱分析模块进行分析。通过频谱分析模块获得f1-f2＝9.999GHz和f2＝10.000GHz 处混频信号功率分别为-75.12dBm和-29.10dBm，此时功率差值为-46.02dB，对应的调制系数为0.001，此时待测相位调制器在19.999GHz处的残余幅度调制系数为0.001。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD) 或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置，其特征在于，包括：激光器、微波信号源、辅助微波信号源、级联电光调制模块、光电探测器和频谱分析模块，其中，级联电光调制模块由待测电光相位调制器和辅助电光强度调制器组成；所述激光器、待测电光相位调制器、辅助电光强度调制器、光电探测器依次光连接；所述微波信号源与待测电光相位调制器的输入电极端为电连接；所述辅助微波信号源与辅助电光强度调制器的输入电极端为电连接；所述光电探测器输出端与频谱分析模块为电连接；其中，所述激光器用于激光器发出频率为f0的光载波，待测电光相位调制器用于加载f1的微波信号，辅助电光强度调制器用于加载f2的微波信号，光电探测器用于实现光电转换，微波信号源用于产生频率为f1的微波信号，辅助微波信号源用于产生频率为f2的辅助微波信号，设置微波信号源和辅助微波信号源输出信号频率的关系固定为f1≈2f2，则由光电探测器频率响应造成的功率不平坦就可以忽略不计，利用频谱分析模块记录混频信号中频率成份f1-f2和f2的幅值比，为:
Figure FDA0003346772920000011
式中，mI为待测电光相位调制器的残余幅度调制系数，F为关于mI的函数。
2.根据权利要求1所述的一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置，其特征在于，所述辅助电光强度调制器为马赫-曾德尔调制器或电吸收调制器。
3.根据权利要求1所述的一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置，其特征在于，待测电光相位调制器通过电光相位调制效应将被微波信号源产生的正弦信号加载到光波上，考虑到残余幅度调制效应，调制光信号电场EPM表示为：
Figure FDA0003346772920000012
其中，A1为上臂中光载波的幅值，mPM和mI1分别为待测电光相位调制器的相位调制系数和残余幅度调制系数。
4.根据权利要求3所述的一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置，其特征在于，经过待测电光相位调制器调制后的光信号进入到辅助电光强度调制器中，为了方便描述，级联调制后的信号可表示为：
Eout(t)＝(1+mI2sin2πf2t)EPM(t) (2)
其中，f2表示为辅助微波信号源输出的辅助微波信号频率，级联电光调制模块输出的合路光信号通过光电探测器检测，输出的光电流为：
Figure FDA0003346772920000021
其中，
Figure FDA0003346772920000022
为Eout(t)的共轭形式，mI2为辅助电光强度调制器的残余幅度调制系数。
5.根据权利要求4所述的一种电光相位调制器残余幅度调制系数的测试装置，其特征在于，通过频谱分析模块，混频电信号中f1-f2和f2所对应幅度分别为：
Figure FDA0003346772920000023
Figure FDA0003346772920000024
其中，R(f1-f2)和R(f2)分别为光电探测器在频率f1-f2和f2处的响应度；
两个混频成分的幅值比为：
Figure FDA0003346772920000025
设置微波信号源和辅助微波信号源输出信号频率的关系固定为f1≈2f2，则由光电探测器频率响应造成的功率不平坦就可以忽略不计，即R(f1-f2)≈R(f2)，此时，待测相位调制器的残余幅度调制系数可以为：
Figure FDA0003346772920000031
改变微波信号源的频率f1和辅助微波信号源的频率f2，重复上述过程，得到待测电光相位调制器残余幅度调制系数在不同频率处的大小，实现电光相位调制器残余幅度调制系数的自校准测试。
6.一种基于权利要求1-5之一所述装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)微波信号源产生频率为f1微波信号，通过电光相位调制器加载在由激光器输出的频率为f0的光波上，电光相位调制信号通过辅助电光强度调制器将辅助微波信号源产生频率为f2微波信号级联电光调制在光波上；
(2)设置微波信号源输出信号频率f1与辅助微波信号源输出信号频率f2的关系为f1≈2f2的情况下，级联调制信号送入光电探测器进行光电转换，获得拍频信号，利用频谱分析模块记录混频信号中频率成份f1-f2和f2的幅值比，为:
Figure FDA0003346772920000032
式中，mI为待测电光相位调制器的残余幅度调制系数，F为关于mI的函数；
(3)在固定信号频率关系为f1≈2f2的情况下，改变微波信号源的频率f1和辅助微波信号源的频率f2，重复上述过程，得到待测电光相位调制器残余幅度调制系数在不同频率处的大小，实现电光相位调制器残余幅度调制系数的自校准测试。
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