CN113252316B - 一种光波元件分析仪的校准方法及光波元件分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光波元件分析仪的校准方法及光波元件分析仪，包括以下步骤：设置光波元件分析仪微波模块的微波参数，利用微波误差系数模型完成微波域的校准；设置光波元件分析仪光波域的波长和光功率，依据电光校准的校准方式获得电光转换模块的校准矩阵完成光波域的电光校准；根据光波域的波长和光功率，读取光电转换模块经过计量的校准矩阵完成光波域的光电校准。仅需要光纤跳线即可完成校准，避免使用过多仪器搭建校准系统带来的测量不确定度；将微波域校准和光波域的校准分离开来，每次测试前只需要进行一次微波域校准，同时根据测试的光器件的类型，有针对性的进行不同类型的光路校准，极大的提高了校准效率和精度。

Description

一种光波元件分析仪的校准方法及光波元件分析仪

技术领域

本发明涉及光波元件分析仪领域，具体为一种光波元件分析仪的校准方法及光波元件分析仪。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

光波元件分析仪是集电光(E/O)测试、光电(O/E)测试、光光(O/O)测试功能于一体光器件测试仪器，主要用于现代高速光传输系统中核心电光器件(电光调制器、直接调制激光器、光发射组件)、光电器件(PIN光电探测器、APD光电探测器、光接收组件)、光光器件(光纤、滤波器等光无源器件)的调制带宽特性测试，具有传输特性、反射特性、频率响应特性测试功能，主要测试参数包括调制带宽、阻抗、传输系数、反射系数等，被称为光器件领域的“矢量网络分析仪”。

光波元件分析仪的测量数据中包含多种测试误差，如系统误差、随机误差、漂移误差等，测试误差的存在降低了分析仪的测试精度、参数测试准确度及重复性，严重影响了对器件性能的判定，因此在使用光波元件分析仪前必须进行校准从而降低测试误差对测量结果的影响。

目前现有的校准方法可分为两类，一类是利用信号发生器、激光器、电光调制器、光电探测器、微波功率计及频谱分析仪等外部硬件设备构成基于光外插法、脉冲频谱分析法、辐射拍频法等传统的校准方法，对光波元件分析仪中的电光转换模块和光电转换模块进行分别校准，扣除其误差的影响，该类方法系统累积误差大、校准困难等缺点，另一类是利用矢量网络分析仪搭建扫频法校准系统进行校准，利用矢量网络分析仪、调制源、解调源、电光转换器、光电转换器、环形器组成校准及测试系统，该方法虽然能够进行精确的校准及测试，但存在校准复杂、操作复杂、系统累积误差大等缺点。可见，现有方法均不能很好地满足光波元件分析仪的校准需要。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种光波元件分析仪的校准方法，首先对微波模块进行校准，利用传统的SOLT方法对微波域校准，使用开路器、短路器、直通、负载等标准件进行校准，从误差模型中提取前向与后向共12项误差，完成微波域的校准，在此基础上，利用光波域的校准标准进行光波域校准，最终完成整个光波元件分析仪的校准。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种光波元件分析仪的校准方法，包括以下步骤：

步骤1：设置光波元件分析仪微波模块的微波参数，利用微波误差系数模型完成微波域的校准；

步骤2：设置光波元件分析仪光波域的波长和光功率，依据电光校准的校准方式，计算电光转换模块的校准矩阵，完成光波域的电光校准；

步骤3：根据光波域的波长和光功率，读取并计算光电转换模块经过计量的校准矩阵，完成光波域的光电校准。

微波参数包括起始频率、终止频率、点数和中频带宽。

步骤1中，基于微波误差系数模型，求解前后方向性、隔离、源匹配、负载匹配、传输跟踪和反射跟踪的误差系数，完成微波域的校准。

步骤2中，如果选择默认的校准方式，读取计量后的默认电光转换模块校准矩阵，计算电光转换模块校准矩阵参数。

步骤2中，如果选择加载的校准方式，加载计量后的电光转换模块校准矩阵，计算电光转换模块校准矩阵参数。

步骤2中，如果选择测试的校准方式，利用电缆分别连接在光波元件分析仪的微波信号发射接口与第一接口之间，和微波信号接收接口与第二接口之间，利用校准光纤连接光输出、光输入端口,启动测试，获取测试链路的4个S参数。

步骤2选择测试的校准方式中，根据光波域的波长和光功率，读取光电转换模块经过计量的校准矩阵，计算电光转换模块的校准矩阵。

电光转换模块的校准矩阵通过测试链路的4个S参数和经计量的光电转换模块校准矩阵计算得到。

步骤3中，先判断光波域的波长和光功率是否改变，再进行光电校准；若波长和光功率中有一项改变，则进行光电校准；若波长和光功率均未改变则结束校准。

本发明的第二个方面提供一种实现上述校准方法的光波元件分析仪，包括微波信号发射接口、微波信号接收接口、第一接口和第二接口。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、硬件方面，避免使用信号发生器、激光器、电光调制器、光电探测器、微波功率计等多种仪器搭建校准系统带来的测量不确定度，极大的提高了校准的精度，进而可以提高光器件测试的测试精度和可信度。

2、校准流程方面，避免了传统方式的校准中每次测试时均需要执行微波模块、电光转换模块、光电转换模块的校准，将微波域校准和光波域的校准分离开来，每次测试前只需要进行一次微波域校准，同时根据测试的光器件的类型，有针对性的进行不同类型的光路校准，极大的提高了校准效率和精度。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的微波域和光波域连接关系示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的波长校准算法过程示意图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的测试模式下的接线示意图；

图4是本发明一个或多个实施例提供的校准流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所描述的，现有的针对光波元件分析仪的校准方法中光外插法、脉冲频谱分析法、辐射拍频法等方法中，校准过程繁琐，对可调谐激光源的功率、波长稳定性、拍频线宽变化、偏振稳定性等技术要求高，对操作人员的技能要求较高。

而基于矢量网络分析仪的校准方法，例如《一种基于矢量网络分析仪的光波元器件测试的校准方法》(201410360964.7)中，基于矢量网络分析仪、电光转换器、光电转换器、光全反射计等仪器，综合考虑矢量网络分析仪和光电转换器的电学误差，在光波域进行校准，该校准虽然校准精度较传统的方法精度更高，但是仍然存在校准过程复杂，系统累积误差大等缺点。

因此，以下实施例针对现有技术的缺点，给出了一种光波元件分析仪的校准方法的具体过程，将光波元件分析仪的校准过程进行简化，降低校准的难度，首先对微波域进行校准，利用传统的SOLT方法对微波域校准，使用开路器、短路器、直通、负载等标准件进行校准，从误差模型中提取前向与后向共12项误差，完成微波域的校准。在此基础上，利用光波域的校准标准进行光波域校准，最终完成整个光波元件分析仪的校准。校准过程中直接利用微波域校准系数，不需要对微波域进行多次校准，免去频繁插拔线缆引起的不确定度，简化了校准过程，提高了校准精度。

实施例一：

如图1-4所示，一种光波元件分析仪的校准方法，包括以下步骤：

步骤1：设置光波元件分析仪微波模块的微波参数，利用微波误差系数模型完成微波域的校准；

步骤2：设置光波元件分析仪光波域的波长和光功率，依据电光校准的校准方式获得电光转换模块的校准矩阵完成光波域的电光校准；

步骤3：根据光波域的波长和光功率，读取光电转换模块经过计量的校准矩阵完成光波域的光电校准。

具体过程如下：

步骤1：微波域参数设置及微波域校准。

步骤1.1：设置微波模块的起始频率、终止频率、点数和中频带宽等微波参数。

步骤1.2：利用SOLT方法，即利用开路器、短路器、直通和负载等标准件，基于微波模块12项误差系数模型和梅森公式，求解前后方向性、隔离、源匹配、负载匹配、传输跟踪、反射跟踪共计12项误差系数，进行微波域的校准，采用如下函数公式：

公式(1)为微波模块12项误差系数模型公式；

公式(1)中，E_DF、E_DR为前后向方向性误差，E_XF、E_XR为前后向隔离误差，E_SF、E_SR为前后向源匹配误差，E_LF、E_LR为前后向负载匹配误差，E_TF、E_TR为前后向传输跟踪误差，E_RF、E_RR为前后向反射跟踪误差，S_11A,S_12A,S_21A,S_22A为校准值，S_11M,S_12M,S_21M,S_22M为测量值。

经过SOLT校准，S_11A,S_12A,S_21A,S_22A4个S参数通过公式(2)求得：

步骤1.3:通过公式(2)求解得到S_11A,S_12A,S_21A,S_22A，完成光波元件分析仪的微波域校准。

步骤2:光波域参数设置及电光校准。

步骤2.1:设置光波域的波长、光功率参数。

步骤2.2:设置电光校准的方式，根据设置的校准方式，分别转入步骤2.3、2.4、2.5。

步骤2.3:如果步骤2.2中选择默认的校准方式，读取仪器中的默认的电光转换模块的校准矩阵，计算得到电光转换模块J₁₁、J₁₂、J₂₁、J₂₂，共计4项参数。

步骤2.4:如果步骤2.2中选择加载的校准方式，加载经过测试或者计量过的电光转换模块的校准矩阵，计算得到电光转换模块J₁₁、J₁₂、J₂₁、J₂₂，共计4项参数。

步骤2.5:如果步骤2.2中选择测试的校准模式，则具有以下过程：

步骤2.5.1：按照图3所示的方式，将柔性射频电缆分别连接a、A接口和b、B接口，同时，利用校准光纤连接光输出和光输入端口。

a、b接口可实现微波信号的发射和接收(双向)，A接口实现微波信号的接收，B接口实现微波信号的发射。

本实施例中，第一接口为a接口，第二接口为b接口，两组接口均可实现微波信号的发射和接收(双向)，两组接口分布在光波元件分析仪的不同位置上。

步骤2.5.2：触发一次测试，记录测试的4个S参数，S_11M,S_12M,S_21M,S_22M。

步骤2.5.3：依据步骤2.1中设置的波长、光功率参数，读取光电转换模块的经过计量的校准矩阵L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂。

步骤2.5.4:电光转换模块的校准矩阵通过计算可得，如公式(3)所示：

公式(3)中，S_11M,S_12M,S_21M,S_22M为测量得到的S参数矩阵，L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂为经过计量得到的光电转换模块的校准矩阵。

步骤2.5.5:完成电光校准。

步骤2.3、2.4、2.5中的三种模式是光波元件分析仪自身已经具有的功能。

默认是指电光校准时，读取出厂的电光转换模块的出厂数据，优点速度快，缺点精度低；

加载是指电光校准时，读取手动加载的经过计量的电光转换模块的数据，优缺点介于默认和测试之间；

测试是指电光校准时，通过启动一次测试实时的进行电光校准，优点是精度高、缺点是速度慢。

步骤3:光波域参数设置及光电校准。

根据步骤2.1中设置的波长、光功率的值，读取并计算光电转换模块的经过计量的校准矩阵L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂，完成校准。

上述光波元件分析仪校准方法，实现了对光波元件分析仪的校准，与现有的方法相比，在校准装置和校准流程上均具有一定优势。

在校准装置上，需要的仅仅是标准的光纤跳线及射频电缆，避免了过多仪器搭建校准系统带来的测量不确定度，极大的提高了校准的精度，进而可以提高光器件测试的测试精度和可信度。

在校准流程上，避免了传统方式的校准中每次测试时均需要执行微波模块、电光转换模块、光电转换模块的校准，将微波域校准和光波域的校准分离开来，每次测试前只需要进行一次微波域校准，同时根据测试的光器件的类型，有针对性的进行不同类型的光路校准，极大的提高了校准效率和精度。

实施例二：

本实施提供一种光波元件分析仪，采用实施例一提出的校准方法进行校准，包括微波信号发射接口、微波信号接收接口、第一接口和第二接口。

光波元件分析仪是已有的仪器，例如，光波元件分析仪的型号6433D，光波元件分析仪由微波模块和光底座构成，其中光底座包括实现由电到光转换的电光转换模块和由光到电的光电探测模块(光电转换模块)构成，可实现现代高速光传输系统中核心电光器件(电光调制器、直接调制激光器、光发射组件)、光电器件(PIN光电探测器、APD光电探测器、光接收组件)、光光器件(光纤、滤波器等光无源器件)的调制带宽特性测试。

上述光波元件分析仪仅需要标准的光纤跳线即可完成校准，避免了过多仪器搭建校准系统带来的测量不确定度，极大的提高了校准的精度，进而可以提高光器件测试的测试精度和可信度

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光波元件分析仪的校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：设置光波元件分析仪微波模块的微波参数，利用微波误差系数模型完成微波域的校准；

步骤2：设置光波元件分析仪光波域的波长和光功率，依据电光校准的校准方式，计算电光转换模块的校准矩阵，完成光波域的电光校准；

步骤3：根据光波域的波长和光功率，读取并计算光电转换模块经过计量的校准矩阵，完成光波域的光电校准；

步骤1利用SOLT方法，基于微波模块12项误差系数模型和梅森公式，求解前后方向性、隔离、源匹配、负载匹配、传输跟踪、反射跟踪共计12项误差系数进行微波域的校准；微波模块12项误差系数模型公式如下：

式中，E_DF、E_DR为前后向方向性误差，E_XF、E_XR为前后向隔离误差，E_SF、E_SR为前后向源匹配误差，E_LF、E_LR为前后向负载匹配误差，E_TF、E_TR为前后向传输跟踪误差，E_RF、E_RR为前后向反射跟踪误差，S_11A,S_12A,S_21A,S_22A为校准值，S_11M,S_12M,S_21M,S_22M为测量值；

经过SOLT校准，S_11A,S_12A,S_21A,S_22A4个S参数通过下式求得：

通过上式求解得到S_11A,S_12A,S_21A,S_22A，完成光波元件分析仪的微波域校准；

步骤2中如果选择默认的校准方式，读取仪器中的默认的电光转换模块的校准矩阵，计算得到电光转换模块J₁₁、J₁₂、J₂₁、J₂₂4项参数；

步骤2中如果选择加载的校准方式，加载经过测试或者计量后的电光转换模块的校准矩阵，计算得到电光转换模块J₁₁、J₁₂、J₂₁、J₂₂4项参数；

步骤2中如果选择测试的校准方式，利用电缆分别连接在光波元件分析仪的微波信号发射接口与第一接口之间，和微波信号接收接口与第二接口之间，利用校准光纤连接光输出、光输入端口,启动测试，获取测试链路的4个S参数S_11M,S_12M,S_21M,S_22M；依据设置的波长和光功率参数，读取光电转换模块的经过计量的校准矩阵L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂；

电光转换模块的校准矩阵通过计算可得，如下式所示：

式中，S_11M,S_12M,S_21M,S_22M为测量得到的S参数矩阵，L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂为经过计量得到的光电转换模块的校准矩阵；

步骤3根据步骤2中设置的波长和光功率的值，读取并计算光电转换模块的经过计量的校准矩阵L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂，完成校准。

2.如权利要求1所述的一种光波元件分析仪的校准方法，其特征在于：所述步骤1中的微波参数包括起始频率、终止频率、点数和中频带宽。

3.如权利要求1所述的一种光波元件分析仪的校准方法，其特征在于：所述步骤1中，基于微波误差系数模型，求解前后方向性、隔离、源匹配、负载匹配、传输跟踪和反射跟踪的误差系数，完成微波域的校准。

4.如权利要求1所述的一种光波元件分析仪的校准方法，其特征在于：所述步骤3中，先判断光波域的波长和光功率是否改变，再进行光电校准；若波长和光功率中有一项改变，则进行光电校准；若波长和光功率均未改变则结束校准。

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