CN113395107A - 一种电光相位调制器射频参数的测量方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电光相位调制器射频参数的测量方法与装置，用于解决电光相位调制器的射频参数测量过程中相位不可直接测量以及相位抖动问题，包括激光器、保偏光纤分路器、待测电光相位调制器、相位调节器、保偏光纤耦合器、分光器、光电探测器和MZ干涉环路相位稳定控制电路、矢量网络分析仪。相位调节器用于对光载波相位进行调节，待测电光相位调制器对光载波进行调制，两路信号经耦合后经过分光器分成两束，一束光经光电转换后进入矢量网络分析仪，另一束进入MZ控制电路，与相位调节器构成环路，实现对测量过程中由于光纤长度、温度、环境等的影响引起的相位抖动的补偿及控制，进而更准确地对待测电光相位调制器的射频参数进行测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种电光相位调制器射频参数的测量方法与装置，属于光电器件的测量(光通信)和微波光子学技术领域。
背景技术
常见的电光相位调制器是一种由铌酸锂(LiNbO3)晶体材料制成的电光调制器。它的基本原理是电光效应，即通过加载电压的变化控制光传输介质的折射率，从而引起输出的光信号的相位的变化，实现电光相位调制。
电光调制器作为组成微波光子系统的重要器件，它的性能与整个系统的性能好坏有至关重要的联系。电光相位调制器作为较简单的一种电光调制器，具有成本低、结构简单、插入损耗低、线性度高等优点。
但是，经相位调制后的信号不能由光电探测器直接探测。因为在相位调制过程中产生了一系列边带，但是这些边带和载波之间都有特定的相位和幅度关系，使得任何一个拍频信号都存在另一个与之等大反相的拍频信号，它们相互抵消，从而导致除了直流电流外这些边带在光电探测器上拍频后不能产生任何的信号。换句话说，相位调制器(PM)改变的是光的相位而非幅度，因此基于平方率检波的光电探测器无法感知光载波的相位。因此需要进行相位调制到强度调制(PM-IM)的转换。
进行PM-IM的转换方法有基于光纤色散特性的转换法、外差法、内差法、基于布里渊选择边带放大效应的转换法等，但是这些方法都有其局限性。基于光纤色散特性的转换法会引起接收信号的功率损失，并且当光纤链路的距离很短或者使用色散位移光纤时，光纤色散引入的PM-IM的转换效应将会消失。外差法中温度和光纤抖动会导致光相位和偏振的波动，从而在光电探测过程形成噪声。内差法存在光功率损耗和偏置点漂移的问题。基于布里渊选择边带放大效应的转换法也存在成本高、偏置漂移等局限。
发明内容
为了解决电光相位调制器的射频参数测量过程中遇到的相位不可直接测量以及相位抖动的问题，本发明提出了一种电光相位调制器射频参数的测量方法与装置。
本发明为解决上述问题所采用的装置，包括激光器、保偏光纤分路器、待测电光相位调制器、相位调节器、保偏光纤耦合器、分光器、光电探测器和Mach-Zehnder(MZ)干涉环路相位稳定控制电路、矢量网络分析仪。其中相位调节器的作用是调节相位，可由一个已知的相位调制器等代替。
光源输出端口与保偏光纤分路器相连，保偏光纤分路器的两路输出分别与待测电光调制器、相位调节器相连，矢量网络分析仪输出端与待测相位调制器射频输入端相连，待测电光调制器与相位调节器的输出端分别与保偏光纤耦合器的两输入端相连，保偏光纤耦合器的输出端口与分光器相连，分光器的小信号光进入MZ干涉环路相位稳定控制电路,其输出与相位调节器的输入端相连，分光器的另外一路光信号进入另一光电探测器后输出，输出信号进入矢量网络分析仪。
上述MZ干涉环路相位稳定控制电路由光电探测器、前置放大电路、低通滤波器、模数转换、数字处理单元、数模转换和驱动电路构成。
本发明电光相位调制器的射频参数测量方法，包括以下步骤：
1)激光器产生波长为λ的光波进入保偏光纤分路器(50∶50)，分路器的两个输出分别进入待测的电光相位调制器和相位调节器。
2)待测电光相位调制器b和相位调节器c的输出信号经过保偏光纤耦合器d后，经分光器分光，90％的光经过第一光电探测器PD进入矢量网络分析仪；
3)矢量网络分析仪输出的射频信号加载到待测电光相位调制器。
4)分光器分光之后，10％的光信号进入MZ干涉环路相位稳定控制电路，经光电探测器(PD)、前置放大、低通滤波、模数转换、数字处理单元、数模转换后，进入驱动电路，驱动电路用于为相位调节器提供驱动电压。
MZ干涉环路相位稳定控制电路对包含总相移的直流分量进行监测，通过对相位的调节，以实现对相位抖动的补偿。
本发明相位抖动的补偿方案为：假设由光纤长度、温度、周围环境等的影响引起的相移为θ0，相位调节器调节的相位为θx，则二者引起的总相移为θ＝θx-θ0。通过对包含总相移θ的低频分量的监测，对通过相位调节器调节的θx进行调节使θ＝θx-θ0维持在一固定值以实现对相位的补偿及控制。此时通过矢量网络分析仪测量得到待测电光相位调制器b稳定的射频参数。
有益效果：本发明提出了一种电光相位调制器射频参数的测量方法及装置，该方法通过将相位调制到强度调制的转换实现对电光相位调制器的射频参数的测量，解决了测量过程中因相位抖动导致的测量不准确的问题。
附图说明
图1为本发明电光相位调制器射频参数的测量装置链路原理框图，
图2为MZ干涉环路相位稳定控制电路结构框图。
具体实施方式
下面结合附图及数学推导对本发明的实施例做进一步说明。
图1为本发明电光相位调制器射频参数的测量方法与装置的链路原理图。其中相位调节器用于对光载波相位进行调节，待测电光相位调制器对光载波进行调制，两路信号经耦合后经过分光器分成两束，一束进入MZ干涉环路相位稳定控制电路进行监测及调节，另一束进入矢量网络分析仪。激光器的输出端口与保偏光纤分路器相连，分路器的两输出分别与相位调节器和待测相位调制器相连。矢量网络分析仪输出射频信号加载到待测相位调制器。MZ干涉环路相位稳定控制电路输出加载到相位调节器。两路信号经保偏光纤耦合器耦合后与分光器相连。其中90％的输出信号经光电转换后进入矢量网络分析仪，另外的10％的信号进入MZ干涉环路相位稳定控制电路，进行光电转换，经放大、低通滤波、模数转换、数字处理单元、数模转换后进入驱动电路，与相位调节器构成环路，实现对测量过程中由于光纤长度、温度、环境等的影响引起的相位抖动的补偿及控制，进而更准确地对待测电光相位调制器的射频参数进行测量。
如图1所示，本实施例中的实验装置包括：
激光器，用于输出光信号；
保偏光纤分路器(分光比50∶50)，用于将上述的光信号分为功率比为50：50的两路；
矢量网络分析仪，用于输出射频信号及信号测试；
待测电光相位调制器，用于对其进行S21、S11曲线和增益等相关射频参数的测试；
相位调节器，可用一已知的相位调制器代替，用于补偿相位抖动以稳定两路光信号的相位差；
保偏光纤耦合器(分光比50∶50)，用于将分开的两路光信号进行耦合；
分光器(分光比10∶90)，用于将经保偏光纤耦合器输出后的光分为功率为1∶9的两部分光信号；
光电探测器，用于将光信号转换为电信号以便进行探测；
MZ干涉环路相位稳定控制电路，用于对整个电路相位控制并保持其稳定；
MZ干涉环路相位稳定控制电路如图2所示，由光电探测器、前置放大电路、低通滤波器、模数转换、数字处理单元、数模转换和驱动电路构成。
本实施例中，方法的具体实施及原理分析如下：
步骤一：激光器输出光信号，光信号表示为
其中E0为光载波的幅度，ω0为光载波的角频率。
步骤二：经保偏光纤分束器分成两路后，一路经相位调节器后的输出为
其中θx为相位调节器引入的相位，θ1为由于光纤长度、温度、周围环境等的影响引起的相移，α1为相位调节器的插入损耗。
步骤三：矢量网络分析仪输出的射频信号加载到待测的电光相位调制器上。射频信号表示为
VRF(t)＝VRFcosωRFt
其中，VRF为加载的射频信号的幅度，ωRF为射频信号的角频率。
则待测电光相位调制器的输出为
其中
为调制深度，Vπ为相位调制器的半波电压，θ2为光纤长度、温度、周围环境等的影响引起的相移。
步骤四：经过保偏光纤耦合器耦合后，再经过分光器，其中的90％的光信号经光电转换后的输出为
其中，
为光电探测器的响应度，θ1、θ2均为外界周围环境、光纤长度、温度等引起相移，θx为相位调节器引入的相移。令θ0＝θ2-θ1，则θ0代表外界周围环境、光纤长度、温度等引起的总相移。
上式化简可得
其中，
为常数。
进一步利用和差化积公式展开为
将上式利用雅可比-安格尔恒等式展开可得
其中，Jn(·)为第一类n阶贝塞尔函数。
考虑在小信号调制下，调制信号主要由零阶和正负一阶边带组成，因此只考虑零阶和正负一阶，则上式可近似写为:
步骤五：经分光器后的90％的光信号经光电探测器后进入矢量网络分析仪，矢量网络分析仪的增益计算如下：
其中k为常量。由上式可见，增益与θx-θ0的取值有关，因此sin(θx-θ0)的稳定对增益的准确测定有重要影响。为保证sin(θx-θ0)的稳定，需要对其进行监测并维持在一个固定值以保持稳定。
步骤六：经分光器后的另外10％的光信号进入MZ干涉环路相位稳定控制电路，进行对由于环境、温度、光纤长度等引起的相位抖动的补偿，以保证上述步骤中sin(θx-θ0)保持稳定。10％的光信号经光电转换后的输出为：
其中
为低频分量,在经过MZ干涉环路相位稳定控制电路中的光电转换、前置放大、低通滤波、模数转换、数字处理单元、数模转换和驱动电路等系列处理后，得到的驱动电压v为θx-θ0的函数，即v＝v(θx-θ0)。通过调节驱动电压实现对低频分量的监测。
由于矢量网络分析仪对射频之外的频率成分不敏感，因此通过监测
部分，并通过控制相位调节器，即通过调节MZ干涉环路相位稳定控制电路的输出v＝v(θx-θ0)实现调节θx，
其中Vπ为调制器的半波电压，使θx-θ0维持在一个固定值，保持稳定，即可实现MZ干涉环路相位稳定控制。
经过相位调节器控制后监测的部分变为
其中b为常数。则低频分量维持在一固定值。由此可得矢量网络分析仪的增益
其中c为常数。由此，步骤五中出现的问题便得到解决。
设置矢量网络分析仪的参数，测试电光相位调制器的射频参数，实现对待测的电光相位调制器的稳定测量。
综上，本发明基于电光相位调制器的射频参数测量过程中遇到的相位不可直接测量以及相位抖动问题，提出了一种电光相位调制器射频参数的测量方法与装置。
Claims (3)
1.一种电光相位调制器射频参数的测量装置，其特征在于：包括激光器LD、保偏光纤分路器a、待测电光相位调制器b、相位调节器c、保偏光纤耦合器d、分光器、光电探测器PD、MZ干涉环路相位稳定控制电路以及矢量网络分析仪，
其中，激光器LD，用于输出光信号；
保偏光纤分路器a，分光比50∶50，用于将激光器LD输出的光信号分为功率比为50：50的两路；
待测电光相位调制器b，为待测对象，对其进行S21、S11曲线和增益的射频参数测试；
相位调节器c，用于补偿相位抖动以稳定保偏光纤分路器a分光之后的两路光信号的相位差；保偏光纤耦合器d，分光比50∶50，用于将分开的两路光信号进行耦合；
分光器，分光比10∶90，用于将经保偏光纤耦合器d输出后的光分为功率为1∶9的两部分光信号；
光电探测器PD，用于将光信号转换为电信号以便进行探测；
MZ干涉环路相位稳定控制电路，用于对整个电路相位控制并保持其稳定，依次由第二光电探测器PD、前置放大电路、低通滤波器、模数转换、数字处理单元、数模转换和驱动电路构成；矢量网络分析仪用于测量待测电光相位调制器的射频参数；
激光器LD的光源输出端口与保偏光纤分路器a相连，保偏光纤分路器a的两路输出分别与待测电光相位调制器b、相位调节器c相连，矢量网络分析仪输出端与待测电光相位调制器b射频输入端相连，待测电光调制器b与相位调节器c的输出端分别与保偏光纤耦合器d的两输入端相连，保偏光纤耦合器d的输出端口与分光器相连，分光器的小信号光进入MZ干涉环路相位稳定控制电路,MZ干涉环路相位稳定控制电路的输出与相位调节器c的输入端相连，分光器的另外一路光信号进入第一光电探测器PD后输出，输出信号进入矢量网络分析仪。
2.根据权利要求1所述的一种电光相位调制器射频参数的测量装置，其特征在于：相位调节器c还可以由一个已知的相位调制器代替。
3.一种电光相位调制器射频参数的测量方法，基于权利要求1所述的一种电光相位调制器射频参数的测量装置，其特征在于：包括以下步骤：
激光器LD产生波长为λ的光波进入保偏光纤分路器a，分路器a的两路输出分别进入待测电光相位调制器b、相位调节器c；
待测电光相位调制器b和相位调节器c的输出信号经过保偏光纤耦合器d后，经分光器分光，90％的光经过第一光电探测器PD进入矢量网络分析仪；
将矢量网络分析仪输出的射频信号加载到待测电光相位调制器b上；
分光器分光之后，10％的光信号进入MZ干涉环路相位稳定控制电路，依次经过第二光电探测器PD、前置放大、低通滤波、模数转换、数字处理单元、数模转换后，进入驱动电路，驱动电路为相位调节器c提供驱动电压；由环境影响引起的待测电光相位调制器b的相移为θ0，相位调节器c调节的相位为θx，则二者引起的总相移为θ＝θx-θ0，MZ干涉环路相位稳定控制电路的输出电压与总相移θ之间存在函数关系，通过控制MZ干涉环路相位稳定控制电路的电压输出，对相位调节器进行相位θx的调节，实现对相位的补偿及控制，进而使θ＝θx-θ0维持在一固定值，此时通过矢量网络分析仪测量得到待测电光相位调制器b稳定的射频参数。
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