CN113225126B - 一种相位调制器的测试系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位调制器的测试系统及测量方法，激光器产生一束激光经MZ干涉仪分为两路光信号；将上路光信号输入待测的相位调制器，待测的相位调制器由两个微波源产生的合路微波信号对光信号进行调制；将下路光信号输入移相器后，上下两路光信号合路后经过光电探测器转换为电信号，并得到对应的电谱图和功率参数，根据功率参数可以计算得到调制相位、调制系数及半波电压。本发明通过双源移相自外差的测量方法，能够完成对光电探测器响应度的消除实现自校准测量，有效提高了测量精度；同时，本发明设计的系统还能通过改变移相器移相值来测出相位调制器的调制相位，进而测得其线性度。

Description

一种相位调制器的测试系统及测量方法

技术领域

本发明属于光纤通信领域，特别涉及了一种相位调制器的测试系统及测量方法。

背景技术

电光相位调制器在光通信、微波光子学等领域有广泛的应用。电光相位调制器的基本原理利用晶体或各向异性聚合物的光电效应，即通过改变晶体或各向异性聚合物的外加电压来使其折射率改变，从而改变光波相位。半波电压是相位调制器最重要的参数之一，它表示相位调制器引起相位延迟为π时所对应的偏置电压的改变量，半波电压表征了相位调制器的调制效率和调制功耗，很大程度上决定了相位调制器的性能。目前常见的几种测量电光相位调制器半波电压的方法是光谱分析法、电谱分析法和光外差测量法。

光谱分析法的基本原理是利用正弦信号对待测相位调制器的光波进行调制，并将相位调制器的输出光信号输入光谱分析仪进行分析，得到光波的边带和副载波的相对强度，并且由此计算出相位调制器的调制系数以及半波电压。但是该方法受到光谱分析仪分辨性能的影响，测量频率分辨率低。

电谱分析法的基本原理是利用PM-IM转换原理，将相位调制信号边带信息由光域映射到电域进行分析测量，并且由此计算出相位调制器的调制系数以及半波电压。电谱分析法较电谱分析法分辨率高，但需使用光电探测器响应度带来误差，需对其进行额外校准，增大测量复杂度。

光外差测量法的基本原理是由两束频率不同的光信号的其中一束光信号输入待测电光相位调制器进行相位调制后与另一束光信号进行合路，随后输入光电探测器进行光电转换，最终由电谱分析仪测量得到电信号信息。相比较电谱分析法，光外差测量法可以通过调节两束光信号频率来消除光电探测器响应度带来误差，但此方法受限于快速可调、线宽超窄、频率高稳的外差光本振，这会导致测量分辨率和稳定度的不足。

此外，上述测量方法均只能对相位调制器的调制系数及半波电压进行测量，无法得到相位调制器其他的性能参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种相位调制器的测试系统及测量方法，可用于测量相位调制器的调制相位，同时根据相位调制器的调制相位还可以计算出调制系数及半波电压。

本发明提出的一种相位调制器的测试系统，包括激光发生器、MZ干涉装置、第一微波信号发生器、第二微波信号发生器、电耦合器、移相器、光电探测器和电谱分析仪；

激光发生器的输出端与MZ干涉装置输入端连接，移相器放置于MZ干涉装置的光路中；MZ干涉装置中包括上光路和下光路，移相器放置于MZ干涉装置的上光路或下光路中，待测相位调制器放置于MZ干涉装置另一条光路中，第一微波信号发生器和第二微波信号发生器的输出端连接电耦合器，电耦合器的输出端与待测相位调制器连接，待测相位调制器与移相器输出的光信号合路后输入到光电探测器，光电探测器输出端与电谱分析仪输入端相连。

在本发明系统中激光器产生一束激光经马赫-曾德尔(MZ)干涉仪分为两路光信号；将上路光信号输入待测的相位调制器，待测的相位调制器由两个微波源产生的合路微波信号对光信号进行调制；将下路光信号输入移相器后，上下两路光信号合路后经过光电探测器转换为电信号，并得到对应的电谱图和功率参数，根据功率参数可以计算得到调制相位、调制系数及半波电压。

基于上述一种相位调制器的测试系统，本发明提出了一种相位调制器的测量方法，包括如下步骤：

步骤1，激光发生器产生光信号输入MZ干涉装置，移相器放置于MZ干涉装置的上光路或下光路中，待测相位调制器放置于MZ干涉装置另一条光路中；

步骤2，第一微波信号发生器和第二微波信号产生两个不同频率的微波调制信号经电耦合器合路后，输入待测的相位调制器；其中第一微波信号发生器产生的微波调制信号电压为V₁，频率为f1；第二微波信号发生器产生的微波调制信号电压为V₂，频率为f2；

步骤3，将上光路由待测相位调制器调制后的信号与下光路经移相器处理后的信号合路后输入光电探测器；

步骤4，由电谱分析仪对经过光电探测器光电转换后的电信号进行检测得到对应的电谱图；

步骤5，改变移相器移相值得到移相光信号与频率为f₂调制信号的正负一阶边带的拍频电信号不同的功率参数P(f_2-θ)，通过下式拟合得到待测的相位调制器的调制相位值：

上式中，y为拍频信号的功率值P(f_2-θ)，x为移相器的移相角度θ_s值，拟合得到的系数b为V₂电压下待测相位调制器调制相位值，

这里，R(f₂)是光电探测器响应度，E₀是激光器的光强，J₁[m(f₂)]为调制系数m(f₂)的一阶贝塞尔函数，在这里a是一个固定值，不随移相值改变而改变，故可以视为常数来进行函数拟合。

进一步的，本发明的一种相位调制器的测量方法，还可以用于测量相位调制器线性度，具体为：改变频率为f₂的微波调制信号电压V₂值，由步骤5得到不同电压下调制相位值，进而得到相位调制器线性度。

进一步的，本发明的一种相位调制器的测量方法，还可以用于计算待测的相位调制器的调制系数，具体采用如下计算公式计算：

上式中P(f_2-θ)和P(f₁-f₂)为拍频信号功率值，P(f₁-f₂)表示频率为f₁的调制信号正负一阶边带与频率为f₂的调制信号正负一阶边带的拍频电信号功率值，J₁[m(f₁)]为调制系数m(f₁)的一阶贝塞尔函数，θ_x为移相器移相值与步骤5测得调制相位值的差值。

进一步的，本发明的一种相位调制器的测量方法，还可以用于计算待测相位调制器的半波电压，具体采用如下计算公式计算：

上式中V₁为频率为f₁的微波调制信号电压值。

进一步的，在步骤2中，两个微波调制信号频率关系满足f₁≈2f₂，可以有效消除光电探测器不平坦响应度的影响。

进一步的，移相器可由延时器代替。延时器也可以完成移相效果。

有益效果：对比现有的相位调制器测量方法，本发明不仅能够实现高频、高分辨、高精度、自校准的相位调制器调制系数及半波电压测量，而且还能够测量相位调制器调制相位及其线性度。

附图说明

图1是本发明的测试系统框图；

图2是本发明的测量方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种相位调制器的测试系统，包括激光发生器、MZ干涉装置、第一微波信号发生器、第二微波信号发生器、电耦合器、移相器、光电探测器和电谱分析仪；本发明系统中移相器可由延时器代替。

激光发生器的输出端与MZ干涉装置输入端连接，移相器放置于MZ干涉装置的光路中；

MZ干涉装置中包括上光路和下光路，移相器放置于MZ干涉装置的上光路或下光路中，待测相位调制器放置于MZ干涉装置另一条光路中，第一微波信号发生器和第二微波信号发生器的输出端连接电耦合器，电耦合器的输出端与待测相位调制器连接。待测相位调制器与移相器输出光信号合路后输入到光电探测器，光电探测器输出端与电谱分析仪输入端相连。

基于上述一种相位调制器的测试系统，本发明还提出了一种相位调制器测量方法，如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤1，激光发生器产生光信号输入MZ干涉装置，移相器放置于MZ干涉装置的上光路或下光路中，待测相位调制器放置于MZ干涉装置另一条光路中；本实施例中MZ干涉装置上光路连接待测相位调制器，下光路连接移相器；

步骤2，第一微波信号发生器和第二微波信号产生两个不同频率的微波调制信号经电耦合器合路后，输入待测的相位调制器；其中第一微波信号发生器产生的微波调制信号电压为V₁，频率为f1；第二微波信号发生器产生的微波调制信号电压为V₂，频率为f2；其中两个微波调制信号频率关系满足f₁≈2f₂。

步骤3，将上光路由待测相位调制器调制后的信号与下光路经移相器处理后的信号合路后输入光电探测器；

步骤4，由电谱分析仪对经过光电探测器光电转换后的电信号进行检测得到对应的电谱图；

步骤5，改变移相器移相值得到移相光信号与频率为f₂调制信号的正负一阶边带的拍频电信号不同的功率参数P(f_2-θ)，其中，因为移相光信号频率为f₀，只是相位相比移相前有改变，f₂调制信号的正负一阶边带的拍频电信号频率为f₀±f₂，和移相器移相后的光信号频率差还是f₂，为表示是与移相器移相后的光信号进行拍频，故采用f_2-θ特殊下标表示。

通过下式拟合得到待测的相位调制器的调制相位值：

上式中，y为拍频信号的功率值P(f_2-θ)，x为移相器的移相角度θ_s值，拟合得到的系数b为V₂电压下待测相位调制器调制相位值，

这里，R(f₂)是光电探测器响应度，E₀是激光器产生光的光强，J₁[m(f₂)]为调制系数m(f₂)的一阶贝塞尔函数，在这里a是一个固定值，不随移相值改变而改变，故可以视为常数来进行函数拟合。

步骤6，改变频率为f₂的微波调制信号电压V₂值，由步骤5得到不同电压下调制相位值，进而得到相位调制器线性度。

步骤7，通过下式计算待测相位调制器的调制系数：

上式中P(f_2-θ)和P(f₁-f₂)为拍频信号功率值，P(f₁-f₂)表示频率为f₁的调制信号正负一阶边带与频率为f₂的调制信号正负一阶边带的拍频电信号功率值，J₁[m(f₁)]为调制系数m(f₁)的一阶贝塞尔函数，θ_x为移相器移相值与步骤5得调制相位值的差值。

步骤8，通过下式计算待测的相位调制器的半波电压：

上式中V₁为频率为f₁的微波调制信号电压值。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种相位调制器的测量方法，其特征在于，所述测量方法基于一种相位调制器的测试系统，包括激光发生器、MZ干涉装置、第一微波信号发生器、第二微波信号发生器、电耦合器、移相器、光电探测器和电谱分析仪；

激光发生器的输出端与MZ干涉装置输入端连接，移相器放置于MZ干涉装置的光路中；MZ干涉装置中包括上光路和下光路，移相器放置于MZ干涉装置的上光路或下光路中，待测相位调制器放置于MZ干涉装置另一条光路中，第一微波信号发生器和第二微波信号发生器的输出端连接电耦合器，电耦合器的输出端与待测相位调制器连接，待测相位调制器与移相器的输出的光信号合路后输入到光电探测器，光电探测器输出端与电谱分析仪输入端相连；

所述测量方法包括如下步骤：

步骤1，激光发生器产生光信号输入MZ干涉装置，移相器放置于MZ干涉装置的上光路或下光路中，待测相位调制器放置于MZ干涉装置另一条光路中；

步骤2，第一微波信号发生器和第二微波信号产生两个不同频率的微波调制信号经电耦合器合路后，输入待测的相位调制器；其中第一微波信号发生器产生的微波调制信号电压为

，频率为f1；第二微波信号发生器产生的微波调制信号电压为，频率为f2；

步骤3，将上光路由待测相位调制器调制后的信号与下光路经移相器处理后的信号合路后输入光电探测器；

步骤4，由电谱分析仪对经过光电探测器光电转换后的电信号进行检测得到对应的电谱图；

步骤5，改变移相器移相值得到移相光信号与频率为

调制信号的正负一阶边带的拍频电信号不同的功率参数

，通过下式拟合得到待测的相位调制器的调制相位值：

上式中，

为拍频信号的功率值

，

为移相器的移相角度

值，拟合得到的系数

为

电压下待测相位调制器调制相位值，

这里，

是光电探测器响应度，E₀是激光器产生光的光强，

为调制系数

的一阶贝塞尔函数，在这里a是一个固定值，不随移相值改变而改变，故可以视为常数来进行函数拟合。

2.根据权利要求1所述一种相位调制器的测量方法，其特征在于，还可以用于测量相位调制器线性度，具体为：改变频率为

的微波调制信号电压

值，由步骤5得到不同电压下调制相位值，进而得到相位调制器线性度。

3.根据权利要求1所述一种相位调制器的测量方法，其特征在于，还可以用于计算待测的相位调制器的调制系数，具体采用如下计算公式计算：

上式中

和

为拍频信号功率值，

表示频率

的调制信号正负一阶边带与频率为

的调制信号正负一阶边带的拍频电信号功率值，

为调制系数

的一阶贝塞尔函数，

为移相器移相值与步骤5测得调制相位值的差值。

4.根据权利要求1所述一种相位调制器的测量方法，其特征在于，还可以用于计算待测相位调制器的半波电压，具体采用如下计算公式计算：

上式中

为频率为

的微波调制信号电压值。

5.根据权利要求1所述一种相位调制器的测量方法，其特征在于，在步骤2中，两个微波调制信号频率关系满足

。

6.根据权利要求1所述一种相位调制器的测量方法，其特征在于，移相器可由延时器代替。

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