CN113503904A - 一种光电探测器频率响应的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种光电探测器频率响应的测量系统，包括：第一激光器，用于产生光脉冲信号；色散光纤，用于对光脉冲信号进行色散展宽，输出预啁啾信号；第二激光器，用于输出光参考信号；光耦合器，用于将预啁啾信号与所述光参考信号进行光耦合，得到耦合后的光信号；待测光电探测器，用于将耦合后的光信号进行拍频，得到啁啾信号；示波器，用于将啁啾信号进行采集并显示，得到待测光电探测器的频率响应曲线。本公开还提供了一种光电探测器频率响应的测量方法。

Description

一种光电探测器频率响应的测量系统及测量方法

技术领域

本公开涉及光电探测技术领域，具体涉及一种光电探测器频率响应的测量系统及测量方法。

背景技术

随着光通信系统向大容量、高速率方向发展，高速光电子发挥着越来越重要的作用。探测器作为其中关键的光电子器件，其带宽精确测量方法也被广泛研究。提高光电探测器频率响应特性的测试水平对光纤通信系统的设计和应用非常重要。目前，光电探测器频率响应的测量方法主要分为两类：一类是电光方法；一类是全光方法。

电光方法主要有网络分析仪频率扫描法、频率调制边带法等。电光方法需要可靠的微波源，大带宽的调制器件以及矢量网络分析仪，还需要对测试系统进行精确的校准，使得测试变得更为复杂。全光的方法无需复杂的电光调制器件以及精确的校准，因为获得了广泛的关注。全光的方法主要有光外差法及自发辐射拍频法。

但是上述两种方法都有一些明显的缺点，例如，光外差法需要十分精准控制的可调谐光源，因为轻微的波长或者功率波动对测量都有很大的影响；自发辐射拍频法的动态范围小，信噪比不高。

发明内容

为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种光电探测器频率响应的测量系统及测量方法，旨在简单快速精准的获取光电探测器的频率响应。

本公开的第一个方面提供了一种光电探测器频率响应的测量系统，包括：第一激光器，用于产生光脉冲信号；色散光纤，用于对光脉冲信号进行色散展宽，输出预啁啾信号；第二激光器，用于输出光参考信号；光耦合器，用于将预啁啾信号与光参考信号进行光耦合，得到耦合后的光信号；待测光电探测器，用于将耦合后的光信号进行拍频，得到啁啾信号；示波器，用于将啁啾信号进行采集并显示，得到待测光电探测器的频率响应曲线。

进一步地，预啁啾信号的光场强度E(t)满足以下关系：

其中，A为幅度常数；X(ω)为第一激光器的脉冲X(t)的傅里叶变换；t为时间；

为色散光纤的色散系数；w为预啁啾信号的角频率；ω₀为所述第一激光器的中心频率；j为虚数。

进一步地，色散光纤的色散系数

与所述光脉冲信号的脉冲宽度ΔT满足以下关系：

其中，经过色散展宽后输出的预啁啾信号，所述预啁啾信号的频谱信息映射到时域上展宽时，其频谱信息与时域具有一一对应关系。

进一步地，光参考信号为固定波长的窄线宽光参考信号，其中心频率与光脉冲信号的中心频率保持一致，其中，耦合后的光信号的光场强度E′(t)满足以下关系：

其中，A_re为所述光参考信号的幅度常数；w_re为所述参考信号的角频率；

为所述预啁啾信号与所述光参考信号的频率差。

进一步地，光脉冲信号为在频域上具有固体频率间隔的光频梳。

进一步地，具有固体频率间隔的光频梳在所述第一激光器的中心波长处，每个梳齿的幅度保持一致。

进一步地，该系统还包括：偏振控制器，用于调节光参考信号的偏振态，并将调节偏振态后的光参考信号输出至所述光耦合器。

进一步地，待测光电探测器的带宽小于示波器的带宽。

进一步地，第一激光器与所述色散光纤之间、采用单模光纤连接，所述待测光电探测器与所述示波器之间采用电缆或射频连接线连接。

本公开的第二个方面提供了一种光电探测器频率响应的测量方法，包括：将光脉冲信号进行色散展宽，得到预啁啾信号；将预啁啾信号与光参考信号进行光耦合，得到耦合后的光信号；采用待测光电探测器将耦合后的光信号进行拍频，得到啁啾信号；采集并显示啁啾信号，得到待测光电探测器的频率响应曲线。

本公开相比现有技术至少具备以下有益效果：

(1)、本公开提供的光电探测器频率响应的测量系统是一个全光测试系统，结构简单，成本低，无需复杂的微波源、高速调制器以及大带宽的矢量网络分析仪。

(2)、测量速度非常快，一次测量即可实现几十次拍频结果。

(3)、稳定性高，无需传统拍频法所需要的精确控制的可调谐激光器光源。

(4)、测量带宽范围大，锁模激光器的测量谱宽很大。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器频率响应的测量系统的结构图；

图2示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器频率响应的测量系统的拍频结果示意图；

图3示意性示出了根据本公开一实施例的从拍频结果中提取的啁啾信号以及频率响应包络的示意图；

图4示意性示出了根据本公开一实施例的待测光电探测器的频率响应曲线图；

图5示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器频率响应的测量方法的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

本公开的实施例提供了一种光电探测器频率响应的测量系统，包括：第一激光器，用于产生光脉冲信号；色散光纤，用于对光脉冲信号进行色散展宽，输出预啁啾信号；第二激光器，用于输出光参考信号；光耦合器，用于将预啁啾信号与光参考信号进行光耦合，得到耦合后的光信号；待测光电探测器，用于将耦合后的光信号进行拍频，得到啁啾信号；示波器，用于将啁啾信号进行采集并显示，得到待测光电探测器的频率响应曲线。

本公开的实施例提供的光电探测器频率响应的测量系统，该系统利用锁模激光器产生宽谱的光脉冲信号，经过色散系数较大的色散光纤以后，频域上的宽谱映射到时域上，实现了频域和时域的一一对应关系，在时域上产生了一个预啁啾信号；该预啁啾信号与窄线宽激光器输出的光波通过一光耦合器耦合至一起，并将耦合光场通入待测光电探测器进行拍频；拍频结果通入示波器进行信号提取和分析即可求的探测器的频率响应，该系统具有结构简单、成本低、测量速度快等优势。

下面将结合本公开一具体的实施例中的光电探测器频率响应的测量系统，对本公开的技术方案进行详细说明。应当理解，图1中示出的光电探测器频率响应的测量系统中各部件、部件分布位置关系及部件的连接关系仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。

图1示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器频率响应的测量系统的结构图。

如图1所示，本公开实施例的光电探测器频率响应的测量系统，包括：

第一激光器1，用于产生光脉冲信号。

本公开的实施例中，第一激光器1为锁模激光器，其输出的光脉冲信号为宽谱光脉冲信号，具有较大的宽谱。具体地，该光脉冲信号为在频域上具有固体频率间隔的光频梳，具有固体频率间隔的光频梳在第一激光器1的中心波长处，即在中心波长附近每个梳齿的幅度保持一致。其中，该光脉冲信号的光谱宽度决定本测量系统的测量量程，其对应的关系例如可以是125MHz/pm。

色散光纤2，其输入端与第一激光器1的输出端相连，用于对光脉冲信号进行色散展宽，输出预啁啾信号。

本公开的实施例中，色散光纤2可以为具有较大散系数的色散补偿光纤，如光纤布拉格光栅等，以使将第一激光器1输出的光脉冲信号经过具有较大散系数的色散补偿光纤进行色散展宽，将光脉冲信号在频域上的宽谱映射到时域上，实现了频域和时域的一一对应关系。

具体地，本公开实施例提供的测量系统的测量精度与色散光纤2的色散值及示波器的采样率有关。本公开的实施例中，示波器的采样率远大于锁模激光器重复频率，色散光纤2在输入的具有等幅啁啾特性的光信号的频谱范围内，其色散系数可以为定值。

第二激光器3，用于输出光参考信号。

本公开的实施例中，第二激光器3可以为窄线宽激光器，用于产生一固定波长的窄线宽光参考信号，用于后续与预啁啾信号进行拍频处理。

根据本公开的实施例，在第二激光器3与光耦合器5间可以设置有偏振控制器4，偏振控制器4的输入端与第二激光器3的输出端相连，用于调节窄线宽激光器输出的窄线宽光参考信号的偏振态，使得光参考信号的偏振态和预啁啾信号的偏振态一致，以使拍频信号幅度最大。

光耦合器5，其第一输入端与色散光纤2相连，第二输入端与第二激光器3的输出端或偏振控制器4的输出端相连，用于将预啁啾信号与光参考信号或调整偏振态后的光参考信号进行光耦合，得到耦合后的光信号。

本公开的实施例中，光耦合器5可以为50：50的2×1光耦合器，光耦合器5的插入损耗等参数对本实施例提供的测量系统结果影响不大，本公开对光耦合器5的性能参数不做限定。

待测光电探测器6，其输入端与光耦合器5的输出端相连，用于将耦合后的光信号进行拍频，得到啁啾信号。

示波器7，用于将啁啾信号进行采集并显示，得到待测光电探测器的频率响应曲线。其中，示波器7为实时示波器，可以对啁啾信号进行实时采集并显示。

具体地，第一激光器1与色散光纤2之间、色散光纤2与光耦合器5之间、第二激光器3与偏振控制器4之间、偏振控制器4与光耦合器5之间、光耦合器5与待测光电探测器6之间均通过单模光纤连接，待测光电探测器6与示波器7之间通过电缆或射频连接线连接。

本公开的实施例中，为达到较好的测量效果，待测光电探测器6的带宽小于示波器7的带宽，待测光电探测器6的带宽也小于锁模激光器1的谱宽。

以下分别对本实施例光电探测器频率响应的测量系统的各个组成部分进行详细说明。

锁模激光器1输出的光脉冲信号为x(t)，脉冲宽度为ΔT，其为在频域上具有固体频率间隔的光频梳，及在锁模激光器1的中心波长处，每个梳齿的幅度保持一致，其频率间隔为f。经过一个色散系数为

的色散补偿光纤进行色散展宽后，色散光纤的色散系数

与光脉冲信号的脉冲宽度ΔT满足以下关系：

其中，＜＜表示远小于；此时，经过色散光纤2进行色散展宽处理后的预啁啾信号的光场强度E(t)满足以下关系：

其中，其中，A为幅度常数；X(ω)为锁模激光器1的脉冲X(t)的傅里叶变换；t为时间；

为色散补偿光纤2的色散系数；w为预啁啾信号的角频率；ω₀为锁模激光器1的中心频率；j为虚数。由预啁啾信号的光场强度E(t)可以看出，经过色散光纤2进行色散后，光脉冲信号在时域上展宽了，其频域信息映射到时域上，实现了波长-时间的映射。

窄线宽激光器3输出的光参考信号为固定波长的窄线宽光参考信号，其中心频率与光脉冲信号的中心频率保持一致，将该窄线宽光参考信号与色散光纤2输出的预啁啾信号通过光耦合器5进行耦合后输入至待测光电探测器6，该耦合后的光信号的光场强度E′(t)可以表示为：

其中，A_re为光参考信号的幅度常数；w_re为光参考信号的角频率；

为预啁啾信号与光参考信号的频率差。

本公开的实施例中，待测光电探测器6拍频后输出的啁啾信号的光电流如图2所示，可见拍频信号位于锁模激光器1脉冲中心处，啁啾信号清晰良好。将拍频结果中的啁啾信号提取出来，如图3所示，此啁啾信号清晰直观反映了锁模激光器1与光参考信号的拍频结果，包络即为待测探测器的频率响应。利用双时间尺度切割以及快速傅里叶变换即可求得该包络的精确结果，如图4所示为最终获得的待测光电探测器的频率响应曲线。

需说明的是，在实际测试应用过程中，可根据实际需求对色散光纤2的长度、色散系数、色散值等参数进行选择，例如，需要测量小于40G带宽的光电探测器，其对应的谱宽为0.32nm，故锁模激光器1谱宽要大于0.32nm，一般情况下，锁模激光器1输出光谱为十几个nm，远大于0.32nm，锁模激光器输出脉冲宽度为ps量级，非常小，故色散光纤的色散系数较大就可以满足要求。

图5示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器频率响应的测量方法的流程图。

如图5所示，该光电探测器频率响应的测量方法，包括：

S501，将光脉冲信号进行色散展宽，得到预啁啾信号。

S502，将预啁啾信号与光参考信号进行光耦合，得到耦合后的光信号。

S503，采用待测光电探测器将所述耦合后的光信号进行拍频，得到啁啾信号。

S504，采集并显示所述啁啾信号，得到待测光电探测器的频率响应曲线。

需说明的是，本实施例中该光电探测器频率响应的测量方法基于采用如图1所示的测量系统，各部件的性能参数等如上述实施例所示，此处不再详细赘述。

从以上的描述中，可以看出，本公开上述的实施例至少实现了以下技术效果：

1)、本公开提供的光电探测器频率响应的测量系统是一个全光测试系统，结构简单，成本低，无需复杂的微波源、高速调制器以及大带宽的矢量网络分析仪。

2)、测量速度非常快，一次测量即可实现几十次拍频结果。

3)、稳定性高，无需传统拍频法所需要的精确控制的可调谐激光器光源。

4)、测量带宽范围大，锁模激光器的测量谱宽很大。

尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种光电探测器频率响应的测量系统，其特征在于，包括：

第一激光器，用于产生光脉冲信号；

色散光纤，用于对所述光脉冲信号进行色散展宽，输出预啁啾信号；

第二激光器，用于输出光参考信号；

光耦合器，用于将所述预啁啾信号与所述光参考信号进行光耦合，得到耦合后的光信号；

待测光电探测器，用于将所述耦合后的光信号进行拍频，得到啁啾信号；

示波器，用于将所述啁啾信号进行采集并显示，得到所述待测光电探测器的频率响应曲线。

2.根据权利要求1所述的光电探测器频率响应的测量系统，其特征在于，所述预啁啾信号的光场强度E(t)满足以下关系：

其中，A为幅度常数；X(ω)为所述第一激光器的脉冲X(t)的傅里叶变换；t为时间；

为所述色散光纤的色散系数；w为所述预啁啾信号的角频率；ω₀为所述第一激光器的中心频率；j为虚数。

3.根据权利要求2所述的光电探测器频率响应的测量系统，其特征在于，所述色散光纤的色散系数

与所述光脉冲信号的脉冲宽度ΔT满足以下关系：

其中，经过色散展宽后输出的预啁啾信号，所述预啁啾信号的频谱信息映射到时域上展宽时，其频谱信息与时域具有一一对应关系。

4.根据权利要求3所述的光电探测器频率响应的测量系统，其特征在于，所述光参考信号为固定波长的窄线宽光参考信号，其中心频率与所述光脉冲信号的中心频率保持一致，其中，所述耦合后的光信号的光场强度E′(t)满足以下关系：

其中，A_re为所述光参考信号的幅度常数；w_re为所述光参考信号的角频率；

为所述预啁啾信号与所述光参考信号的频率差。

5.根据权利要求1所述的光电探测器频率响应的测量系统，其特征在于，所述光脉冲信号为在频域上具有固体频率间隔的光频梳。

6.根据权利要求5所述的光电探测器频率响应的测量系统，其特征在于，具有固体频率间隔的所述光频梳在所述第一激光器的中心波长处，每个梳齿的幅度保持一致。

7.根据权利要求1所述的光电探测器频率响应的测量系统，其特征在于，该系统还包括：

偏振控制器，用于调节所述光参考信号的偏振态，并将调节偏振态后的所述光参考信号输出至所述光耦合器。

8.根据权利要求1所述的光电探测器频率响应的测量系统，其特征在于，所述待测光电探测器的带宽小于所述示波器的带宽。

9.根据权利要求1所述的光电探测器频率响应的测量系统，其特征在于，所述第一激光器与所述色散光纤之间、采用单模光纤连接，所述待测光电探测器与所述示波器之间采用电缆或射频连接线连接。

10.一种光电探测器频率响应的测量方法，其特征在于，包括：

将光脉冲信号进行色散展宽，得到预啁啾信号；

将所述预啁啾信号与光参考信号进行光耦合，得到耦合后的光信号；

采用待测光电探测器将所述耦合后的光信号进行拍频，得到啁啾信号；

采集并显示所述啁啾信号，得到所述待测光电探测器的频率响应曲线。

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