CN113938189B - 一种马赫-曾德尔调制器频率响应测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种马赫‑曾德尔调制器频率响应测试装置与方法。本发明由双波长激光模块、待测马赫‑曾德尔调制器、微波信号源、光电探测器和电信号分析模块组成，其中双波长激光模块、待测马赫‑曾德尔调制器、光电探测器依次光连接，微波信号源与待测马赫‑曾德尔调制器的输入电极端为电连接，光电探测器输出端与电信号分析模块为电连接；双波长激光器模块输出频率间隔固定且足够小(频率差为fs为MHz量级)；使马赫‑曾德尔调制器分别实现抑制奇数阶和抑制偶数阶光边带调制，经光电检测和信号分析分别获得两次不同工作状态下频率为fs拍频信号功率，通过两信号功率比值实现马赫‑曾德尔调制器频率响应测试。

Description

一种马赫-曾德尔调制器频率响应测试装置及方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种基于双波长光源的马赫-曾德尔调制器频率响应测试装置及方法。

背景技术

目前最易于检测的调制信号产生方式便是强度调制，而作为光强度调制的核心器件马赫-曾德尔调制器具有结构简单，易于调节等优势。作为光纤通信系统中信号产生的关键器件，其特性频率响应参数是决定了通信系统的传输速率和容量。随着更高带宽光电子器件的需求越来越大，其频率响应等特性参数精确表征的测试也至关重要，尤其是在光电子器件设计和制作方面显得尤为突出。

目前测量马赫-曾德尔调制器频率响应测试的方法是根据分析手段不同可分为光谱分析法和电谱分析法。其中，在光域测试方法中，光谱分析法可以实现马赫-曾德尔调制器频率响应的测量，(Y.Q.Shi,L.S.Yan,A.E.Willner,“High-speed electroopticmodulator characterization using optical spectrum analysis,”Journal ofLightwave Technology,2003,21(10):2358-2367),但是，该方案的测量精度严重依赖光谱分析仪的分辨率，通常存在测量频率分辨率低、精度不高的问题(1.25GHz@1550nm)；在电谱分析方法中，扫频法(Y.Q.Heng,M.Xue,W.Chen,S.L.Han,J.Q.Liu,and S.L.Pan,“Large-dynamic frequency fesponse measurement for broadband electro-optic phasemodulators,”IEEE Photonics Technology Letters,2019,31(4):291-294.)充分利用矢量网络分析仪的高精细测试特性，可实现高精度的马赫-曾德尔调制器相对频率响应测试，然而，需要进行复杂的额外校准，从而移除额外器件频率响应的影响；多音调制混频检测法(S.J.Zhang,C.Zhang,H.Wang,X.H.Zou,Y.Liu,and J.E.Bowers,“Calibration-freemeasurement of high-speed Mach-Zehnder modulator based on low-frequencydetection,”Optics Letters,41(3),460-463.)是利用电光混频的原理，通过配置多个调制信号的频率关系，实现高精度、自校准的马赫-曾德尔调制器绝对频率响应测试，然而，该方案需要额外的辅助宽带微波源，用于消除系统其他器件频率响应的影响,成本较高。

经过检索，一种马赫-曾德尔电光调制器频率响应的测量装置与方法，目的在于克服现有测量中频率分辨率低、校准困难、高带宽需求的问题。本发明将一束光载波直接送入待测马赫-曾德尔电光调制器中，利用加载在待测马赫-曾德尔电光调制器的驱动电极上的第一信号源和第二信号源与偏置电极上的第三信号源进行调制，第一信号源与第二信号源输出具有频率差的正弦信号，第三信号源输出低频信号；光调制信号直接进入光电探测器进行拍频，然后在拍频信号中提取出三个特定的混频信号的幅度，获得待测马赫-曾德尔电光调制器在单个调制频率的调制系数和半波电压；扫描所述射频信号的频率，即可得到待测马赫-曾德尔电光调制器频率响应。该发明通过设置三个微波源输出调制微波信号频率f₁、f₂和f_b的关系，满足1.8f_b≤|f₁-f₂|≤2.2f_b或者0≤|f₁-f₂|≤0.2f_b，消除光电探测器的频率响应影响，此方案需要多个微波频率源，且为宽带微波源，造成其测试成本较高；而本发明只需要单个微波源，利用两次不同的电压偏置条件，即可实现马赫-曾德尔电光调制器频率响应的自校准测试，结构更简单，成本更低。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种马赫-曾德尔调制器频率响应测试装置及方法，实现马赫-曾德尔特性参数的高分辨率、高精度、低成本的电域测试，只需固定低频检测就可实现宽带器件测量，并且在无需改变测试系统线路的情况下实现校准过程。

本发明的技术方案如下：

一种马赫-曾德尔调制器频率响应测试装置，其包括：双波长激光模块、待测马赫-曾德尔调制器、微波信号源、光电探测器和电信号分析模块；其中

所述双波长激光模块、待测马赫-曾德尔调制器、光电探测器依次光连接；所述微波信号源与待测马赫-曾德尔调制器的输入电极端电连接；所述光电探测器输出端与电信号分析模块电连接；双波长激光模块用于产生两束频率间隔为f_s的双波长光波，微波信号源用于产生频率为f₁的微波信号，微波信号通过待测马赫-曾德尔调制器加载在双波长光波上，光电探测器用于将待测马赫-曾德尔调制器输出的光信号转换为电信号，电信号分析模块用于对电信号进行分析，得到待测马赫-曾德尔调制器在不同频率的频率响应。

进一步的，所述双波长激光器模块用于产生两个频率间隔固定且频率差f_s为MHz量级的相干光源。

进一步的，当所述待测马赫-曾德尔调制器的偏置电压工作在最大偏置点时，即抑制奇数阶光边带调制，在小信号调制情况下，只需考虑0阶光边带即可，调制光信号通过光电探测器进行光电转换，获得混频f_s信号，利用电信号分析模块记录混频信号中频率成份f_s的光电流为：

式中，A₁、A₂分别表示双波长激光模块产生两束光波的幅值。J₀(·)为第0阶的第一类贝塞尔函数，m为待测马赫-曾德尔调制器的调制系数，R为光电探测器的响应度。

进一步的，当待测马赫-曾德尔调制器的偏置电压工作在最小偏置点时，即抑制偶数阶光边带调制，在小信号调制情况下，只需考虑1阶光边带即可，混频f_s信号光电流为：

式中，J₁(·)为第1阶的第一类贝塞尔函数。

一种基于所述装置的测试方法，其包括以下步骤：

(1)双波长激光模块产生两束频率间隔为f_s的双波长光波，微波信号源产生频率为f₁的微波信号，通过待测马赫-曾德尔调制器加载在双波长光波上，设置待测马赫-曾德尔调制器的偏置电压，使其工作在最大偏置点，即抑制奇数阶光边带调制，在小信号调制情况下，只需考虑0阶光边带即可，调制光信号通过光电探测器进行光电转换，获得混频f_s信号，利用电信号分析模块记录混频信号中频率成份f_s的光电流为:

式中，J₀(·)为第0阶的第一类贝塞尔函数，m为待测马赫-曾德尔调制器的调制系数，R为光电探测器的响应度；

(2)在不改变其他系统设置的情况下，待测马赫-曾德尔调制器的偏置电压，使其工作在最小偏置点，即抑制偶数阶光边带调制，在小信号调制情况下，只需考虑1阶光边带即可，混频f_s信号光电流为：

式中，J₁(·)为第1阶的第一类贝塞尔函数；

(3)通过两次信号混频f_s信号的比值获得待测马赫-曾德尔调制器的调制系数m的函数，通过反算可以获得调制系数m，为：

式中，H(m)为关于调制系数m的函数；

(4)改变微波信号源的频率f₁，并重复上述过程，得到待测马赫-曾德尔调制器在不同频率的频率响应。

进一步的，通过待测马赫-曾德尔调制器加载在双波长光波上，输出光信号为：

其中，f₀和f₀+f_s分别为双波长激光模块产生两束光波的频率，A₁和A₂分别为双波长激光模块产生两束光波的幅值，为双波长激光模块产生两束光波的相位差，m为待测马赫-曾德尔调制器的调制系数，θ为偏置电压引起的相位变化。

本发明的优点及有益效果如下：

(1)本发明通过马赫-曾德尔调制器在最大和最小工作条件下对双波长激光调制混频的原理，只需检测双波长频率差的固定低频信号就可实现宽频带马赫-曾德尔调制器频率响应特性参数的测量，同时，利用高精细的电谱分析能力，可实现高精细的频率响应测试。

(2)无需宽带光电探测器件以及高速信号分析仪器，同时，相比目前的调制混频检测法，测试无需额外的宽带微波源和宽带调制器，测试结构简单，大大降低了测量成本；

(3)在不拆除系统测试线路的情况下，只需改变待测马赫-曾德尔调制器工作状态，就可消除额外器件频率响应的影响，实现马赫-曾德尔调制器频率响应的自校准测试。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例基于双波长光源的马赫-曾德尔调制器频率响应测试装置连接结构图。

图2是本发明提供优选实施例基于本发明获得的马赫-曾德尔调制器的调制系数测量结果。

图3本发明提供优选实施例基于本发明获得的马赫-曾德尔调制器的频率响应测量结果。

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，一种基于双波长光源的马赫-曾德尔调制器响应测试装置，包括双波长激光模块、待测马赫-曾德尔调制器、微波信号源、光电探测器和电信号分析模块；双波长激光模块、待测马赫-曾德尔调制器、光电探测器依次光连接；微波信号源与待测马赫-曾德尔调制器的输入电极端为电连接；光电探测器输出端与电信号分析模块为电连接。

本发明的一种基于双波长光源的马赫-曾德尔调制器响应测试原理及方法如下：

(1)双波长激光模块产生两束频率间隔为f_s的双波长光波，微波信号源产生频率为f₁的微波信号，通过待测马赫-曾德尔调制器加载在双波长光波上，输出光信号为：

其中，f₀和f₀+f_s分别为双波长激光模块产生两束光波的频率，A₁和A₂分别为双波长激光模块产生两束光波的幅值，为双波长激光模块产生两束光波的相位差，m为待测马赫-曾德尔调制器的调制系数，θ为偏置电压引起的相位变化。

(2)设置待测马赫-曾德尔调制器的偏置电压，使其工作在最大偏置点，即θ＝0时，此时为抑制奇数阶光边带调制，在小信号调制情况下，只需考虑0阶光边带即可，其光场为：

式中，J₀(·)为第0阶的第一类贝塞尔函数。调制光信号通过光电探测器进行光电转换，获得混频f_s信号，利用电信号分析模块记录混频信号中频率成份f_s的光电流为:

式中，R为光电探测器的响应度。

(3)在不改变其他系统设置的情况下，待测马赫-曾德尔调制器的偏置电压，使其工作在最小偏置点，即θ＝π时，此时为抑制偶数阶光边带调制，在小信号调制情况下，只需考虑1阶光边带即可，其光场为：

式中，J₁(·)为第1阶的第一类贝塞尔函数。同理，经过光电探测后，混频f_s信号光电流为：

(4)通过两次信号混频f_s信号的比值获得待测马赫-曾德尔调制器的调制系数m的函数，通过反算可以获得调制系数m，为：

式中，H(m)为关于调制系数m的函数；

(4)改变微波信号源的频率f₁，并重复上述过程，得到待测马赫-曾德尔调制器在不同频率的频率响应。

实施例

激光器输出功率为12mW、频率f₀＝193.1THz(波长约为1550nm)的光载波，利用声光移频器产生了波长间隔为80MHz的双波长光源，微波信号源产生频率为f₁＝20GHz的正弦信号对待测马赫-曾德尔调制器进行调制，当使其工作在最大偏置点，即θ＝0时，此时为抑制奇数阶光边带调制，经过光电探测和电信号分析模块获得fs＝80MHz的信号功率为-31.66dBm，改变其偏置电压，使其工作在最小偏置点，即θ＝π时，此时为抑制偶数阶光边带调制，经过光电探测和电信号分析模块获得fs＝80MHz的信号功率为-71.14dBm，两次获得信号的功率差值为-39.48dB，通过求解公式m＝0.292，即待测马赫-曾德尔调制器在频率20GHz处的调制系数为0.292，相对频率响应为20*log10(m)＝-10.69dB。改变微波频率的大小，从0.1GHz-40GHz，获得待测马赫-曾德尔调制器的调制系数，如图2所示，通过公式20*log10(m)获得待测马赫-曾德尔调制器的相对频率响应，如图3所示。

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 (3)

1.一种马赫-曾德尔调制器频率响应测试装置，其特征在于，包括：双波长激光模块、待测马赫-曾德尔调制器、微波信号源、光电探测器和电信号分析模块；其中

所述双波长激光模块、待测马赫-曾德尔调制器、光电探测器依次光连接；所述微波信号源与待测马赫-曾德尔调制器的输入电极端电连接；所述光电探测器输出端与电信号分析模块电连接；双波长激光模块用于产生两束频率间隔为f_s的双波长光波，微波信号源用于产生频率为f₁的微波信号，微波信号通过待测马赫-曾德尔调制器加载在双波长光波上，光电探测器用于将待测马赫-曾德尔调制器输出的光信号转换为电信号，电信号分析模块用于对电信号进行分析，得到待测马赫-曾德尔调制器在不同频率的频率响应；

(1)双波长激光模块产生两束频率间隔为f_s的双波长光波，微波信号源产生频率为f₁的微波信号，通过待测马赫-曾德尔调制器加载在双波长光波上，输出光信号为：

其中，f₀和f₀+f_s分别为双波长激光模块产生两束光波的频率，A₁和A₂分别为双波长激光模块产生两束光波的幅值，为双波长激光模块产生两束光波的相位差，m为待测马赫-曾德尔调制器的调制系数，θ为偏置电压引起的相位变化；

(2)设置待测马赫-曾德尔调制器的偏置电压，使其工作在最大偏置点，即θ＝0时，此时为抑制奇数阶光边带调制，在小信号调制情况下，只需考虑0阶光边带即可，其光场为：

式中，J₀(·)为第0阶的第一类贝塞尔函数；调制光信号通过光电探测器进行光电转换，获得混频f_s信号，利用电信号分析模块记录混频信号中频率成份f_s的光电流为:

式中，R为光电探测器的响应度；

(3)在不改变其他系统设置的情况下，待测马赫-曾德尔调制器的偏置电压，使其工作在最小偏置点，即θ＝π时，此时为抑制偶数阶光边带调制，在小信号调制情况下，只需考虑1阶光边带即可，其光场为：

式中，J₁(·)为第1阶的第一类贝塞尔函数；同理，经过光电探测后，混频f_s信号光电流为：

(4)通过两次信号混频f_s信号的比值获得待测马赫-曾德尔调制器的调制系数m的函数，通过反算可以获得调制系数m，为：

式中，H(m)为关于调制系数m的函数；

(5)改变微波信号源的频率f₁，并重复上述过程，通过公式20*log10(m)获得待测马赫-曾德尔调制器的相对频率响应。

2.根据权利要求1所述的一种马赫-曾德尔调制器频率响应测试装置，其特征在于，所述双波长激光模块用于产生两个频率间隔固定且频率差f_s为MHz量级的相干光源。

3.一种基于权利要求1所述装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)双波长激光模块产生两束频率间隔为f_s的双波长光波，微波信号源产生频率为f₁的微波信号，通过待测马赫-曾德尔调制器加载在双波长光波上，设置待测马赫-曾德尔调制器的偏置电压，使其工作在最大偏置点，即抑制奇数阶光边带调制，在小信号调制情况下，只需考虑0阶光边带即可，调制光信号通过光电探测器进行光电转换，获得混频f_s信号，利用电信号分析模块记录混频信号中频率成份f_s的光电流为:

式中，J₀(·)为第0阶的第一类贝塞尔函数，m为待测马赫-曾德尔调制器的调制系数，R为光电探测器的响应度；

(2)在不改变其他系统设置的情况下，待测马赫-曾德尔调制器的偏置电压，使其工作在最小偏置点，即抑制偶数阶光边带调制，在小信号调制情况下，只需考虑1阶光边带即可，混频f_s信号光电流为：

式中，J₁(·)为第1阶的第一类贝塞尔函数；

(3)通过两次信号混频f_s信号的比值获得待测马赫-曾德尔调制器的调制系数m的函数，通过反算可以获得调制系数m，为：

式中，H(m)为关于调制系数m的函数；

(4)改变微波信号源的频率f₁，并重复上述过程，得到待测马赫-曾德尔调制器在不同频率的频率响应。