CN114184356A - 一种光电探测器非线性分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种光电探测器非线性分析方法及装置，属于光电器件测量技术领域，通过改变相干三波长光信号和直流光信号的功率，分析光电探测器输出电信号对应直流、基频和交调分量的功率变化情况，即可得到光电探测器在不同输入光功率下的非线性参数，利用频率控制单元改变相干三波长光信号之间的相对频差，可分析光电探测器在不同频率下的非线性参数，本发明结构简单、动态范围大，能够实现光电探测器1dB压缩电流、二阶交调、三阶交调等多种非线性参数的提取，可广泛应用于光通信、激光雷达、量子通信、微波光子、光纤传感等领域。

Description

一种光电探测器非线性分析方法及装置

技术领域

本发明属于光电器件测量技术领域，更具体来说，涉及一种光电探测器非线性分析方法及装置。

背景技术

微波光子技术将微波与光相结合，具有带宽大、抗电磁干扰、损耗低等优势，在宽带无线接入网络、高精度传感网路、量子通信及光电武器装备等领域具有重要应用。评估微波光子链路性能的主要工作指标有噪声系数、增益、无杂散动态范围，这些指标与链路的非线性密切相关。

光电探测器作为微波光子链路中重要的器件，其线性性能的好坏很大程度上决定了微波光子链路的性能，通常采用1dB压缩电流和三阶交调截取点衡量光电探测器的非线性。

目前，测量光电探测器三阶交调截取点的方法主要有激光器拍频法，双信号源直接调制法、三信号源直接调制法等。激光器拍频法《Measurement of IP3 in p-i-nPhotodetectors and Proposed Performance Requirements for RF Fiber-OpticLinks》采用两组四个激光器拍频产生两个不同的测试信号,其不会引入信号源的非线性,但是激光器稳定性较难控制,导致拍频信号的频率不够稳定；双信号源直接调制法将调制器控制在线性点,理论上只有奇次谐波产生,但是调制器偏置点较难控制,其漂移产生的二次谐波与另一信号的基频会在光电探测器中产生三阶交调信号,导致无法区分三阶交调信号是由光电探测器或者调制器非线性产生《The Frequency Behavior of the Third-Order Intercept Point in a Waveguide Photodiode》；三信号源直接调制法《Three-Tone Characterization of High-Linearity Waveguide Uni-Traveling-CarrierPhotodiodes》采用三个信号源分别调制三束光载波，可以在频域将调制器及光电探测器产生的三阶交调点区分开来,从而去除调制器的非线性影响，但是该方法中，进入到光电探测器的信号不是理想的双音信号，且需用到4个激光器，系统较为复杂。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于可有效去除测试系统中调制器非线性的影响，且激光器频移对信号生成单元无影响，结构简单、稳定，便于测试。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种光电探测器非线性分析方法，包括如下步骤：

S1，相干三波长光发生单元输出频率间隔不等的相干三波长光信号；

S2，相干三波长光信号通过光功率控制单元进行光功率调谐；

S3，直流光发生单元输出直流光信号；

S4，直流光信号通过光功率控制单元后与相干三波长光信号合束得到合束光信号；

S5，合束光信号进入待测光电探测器转换为电信号；

S6，信号提取模块提取出电信号的直流、基频及交调分量的频谱功率；

S7，控制与信息处理模块改变相干三波长光信号和直流光的功率；

S8，获得光电探测器在不同输入光功率下的非线性参数。

优选的，相干三波长光信号角频率分别为ω₁、ω₂和ω₃，其满足如下条件：

T1：ω₂-ω₁≠ω₃-ω₂；

T2、ω₁和ω₃的功率相等；

T3、角频率为ω₂的光波长在角频率分别为ω₁、ω₃的波长的偏振态方向上投影分量相等；

T4、不同波长间相位稳定；

T5、max(|ω₂-ω₁|,(|ω₃-ω₂|)<BW_PD，BW_PD为待测探测器的工作频率带宽。

优选的，直流光信号角频率为ω₄，满足min(|ω₄-ω₁|,|ω₄-ω₂|,|ω₄-ω3)>>BW_PD。

优选的，步骤S1的具体方法为相干三波长光发生单元输出光源经光耦合器分成两路，一路经过加载微波电信号的电光调制器生成载波抑制光双边带调制信号，一路经过移频器，之后经过光耦合器合束，从而生成相干三波长光信号。

优选的，步骤S7的具体内容为控制与信息处理模块控制相干三波长光信号功率及直流光信号的功率的大小，在保持进入光电探测器总光功率大小恒定的情况下，相干三波长光信号功率等幅度衰减或增大，分析光电探测器输出电信号的基频和交调分量功率变化情况，可得其交调截取点，改变进入光电探测器的光功率大小，重复上述步骤，可得到其在不同输入功率下的交调截取点。

优选的，步骤S8的具体内容为频率控制单元改变相干三波长光信号之间的相对频差，可分析得到光电探测器在不同频率下的非线性参数。

一种光电探测器非线性分析装置，包括：

相干三波长光发生单元：生成相干三波长光信号；

频率控制单元：控制相干三波长光信号之间的相对频差；

直流光发生单元：生成直流光；

光功率控制单元：分别控制相干三波长光信号及直流光的光功率大小；

待测光电探测器：将输入光信号转换为电信号；

信号提取模块：提取光电探测器输出电信号的直流、基频及交调分量频谱功率；

控制与信息处理模块：控制相干三波长光发生单元、频率控制单元、直流光发生单元、光功率控制单元、信号提取模块，并对信号提取模块所提取的信息进行分析计算；

控制与信息处理模块与相干三波长光发生单元、频率控制单元、直流光发生单元、光功率控制单元和信号提取模块连接，频率控制单元与相干三波长光发生单元和直流光发生单元连接，相干三波长光发生单元和直流光发生单元均通过光功率控制单元接入待测光电探测器，待测光电探测器通过信号提取模块连接控制与信息处理模块。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种光电探测器非线性分析方法，采用本方法进行分析，能够实现光电探测器1dB压缩电流、二阶交调、三阶交调等多种非线性参数的提取，可广泛应用于光通信、激光雷达、量子通信、微波光子、光纤传感等领域。

(2)本发明的一种光电探测器非线性分析装置，采用该装置进行分析，能够快速有效的获得光电探测器的非线形特征。

附图说明

图1为本发明的一种光电探测器非线性分析装置的结构示意图；

图2为本发明的一种光电探测器非线性分析装置的具体实施例图；

图3为本发明的一种光电探测器非线性分析装置的相干三波长光信号产生具体实施例图；

图4为本发明的一种光电探测器非线性分析装置的又一相干三波长光信号产生具体实施例图。

示意图中的标号说明：

100、相干三波长光发生单元；

200、频率控制单元；

300、直流光发生单元；

400、光功率控制单元；

500、待测光电探测器；

600、信号提取模块；

700、控制与信息处理模块。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

参照附图1所示，本实施例的一种光电探测器非线性分析方法及装置，具体测量方法如下：首先，相干三波长光发生单元100输出频率间隔不等的相干三波长光信号，该光信号通过光功率控制单元400进行光功率调谐；直流光发生单元300输出直流光信号，用于调谐进入待测光电探测器500的总光功率大小，通过光功率控制单元400后与相干三波长光信号合束，合束后的光信号进入待测光电探测器500转换为电信号，信号提取模块600提取出该电信号的直流、基频及交调分量的频谱功率。控制与信息处理模块700通过改变相干三波长光信号、直流光的功率大小，分析光电探测器输出电信号对应直流、基频和交调分量的功率变化情况，即可得到光电探测器在不同输入光功率下的非线性参数。利用频率控制单元200改变相干三波长光信号之间的相对频差，可分析光电探测器在不同频率下的非线性参数。

其中，相干三波长光信号产生模块由以下装置实现：激光器，输出光载波；光耦合器，将光载波分成两路；电光调制器，对上路光载波进行调制，生成载波抑制光双边带调制信号；移频器，对下路光载波进行移频；之后利用光耦合器合束，生成相干三波长光信号，如图3所示；但不限于此方式，还可以由以下装置实现：激光器，输出光载波；电光调制器，对光载波进行调制，生成载波抑制光双边带调制信号；光耦合器，将生成的载波抑制光双边带调制信号分成两路；移频器，对上路载波抑制光双边带调制信号进行移频；光滤波器，对移频后的载波抑制光双边带调制信号进行滤波，仅保留移频后的正一阶边带；之后将两路合束，即可生成相干三波长光信号，如图4所示。

图1为本发明测量装置的结构图，如图所示，该结构包括相干三波长光发生单元100，用于生成相干三波长光信号；频率控制单元200，控制相干三波长光信号之间的频差；直流光发生单元300，用于生成直流光；光功率控制单元400，分别控制相干三波长光信号和直流光的光功率大小；待测光电探测器500，将输入光信号转换为电信号；信号提取模块600，提取光电探测器输出电信号的频谱信息及直流信息；控制与信息处理模块700，控制相干三波长光发生单元100、频率控制单元200、直流光发生单元300、光功率控制单元400、信号提取模块600，并对信号提取模块600所提取的信息进行分析计算。控制与信息处理模块700分别控制相干三波长光信号功率、直流光功率的大小，并提取、分析光电探测器输出电信号对应直流、基频和交调分量的功率变化情况，即可得到光电探测器在不同输入光功率下的非线性参数，频率控制单元200改变相干三波长光信号之间的相对频差，可分析光电探测器在不同频率下的非线性参数。

图2为本发明测量装置的一个具体实施例结构图，电光调制器为马赫增德尔调制器，移频器为声光调制器，如图2所示，假定激光器1输出的光信号为：

其中，E₀为光载波幅度，j为虚数单位，ω₀为光载波角频率。

经过光耦合器分为两路，上路经过加载微波信号ω_e的马赫曾德尔调制器，其输出为：

其中，β为马赫曾德尔调制器的调制系数，γ为调制器上下两臂的分光比，J_n(·)为第一类n阶贝塞尔函数。

控制调制器偏压，使其工作在最小点，光载波被抑制，仅有奇次谐波，且高阶谐波较小，形成载波抑制光双边带调制信号，式2可简化为：

耦合器下路光信号经过声光调制器，其经过移频后：

其中，Δω为移频量。

载波抑制光双边带调制信号和移频后的光载波合束，形成相干三波长光信号，其表达式为：

该相干三波长信号与直流光合束后，进入待测光电探测器500，光电探测器输出基频频率为：

可见，两个电信号的频率分别为：

f₁＝ω_e-Δω，f₂＝ω_e+Δω

因此，光电探测器的交调分量为：mf₁±nf₂，其中，m±n为交调阶数。对基频信号影响较大的交调分量为：

|mf₁±nf₂|＝ω_e±(m+n)Δω,m+n＝3,5,7…

假设调制器存在非线性，其输出为：

其高阶边带与移频后的载波在光电探测器拍频，频率为：

aω_e±Δω,a≥2

其中，a为调制器非线性产生的a次谐波，该组信号与f₁、f₂交调，产生的频率分量为：

(a-1)ω_e,(a-1)ω_e±2Δω

其频率与式(8)中光电探测器交调点频率不一致，在信号提取模块600中可区分；对于探测器二阶交调，其频点为2Δω，2ω_e，可通过观测2Δω处频率去除调制器非线性影响。同时，相干三波长光信号发生单元中激光器发生频漂时，其在光电探测器中拍频出的信号不受影响，因此，本专利采用方法可去除调制器及激光器稳定性带来的非线性影响。

本方案中，激光器2输出的直流光经过光放大器，可调谐光衰减器后与相干三波长光信号合束，进入待测光电探测器500，通过调谐两路光衰减器，保证进入光电探测器的光功率恒定，使相干三波长光信号等幅度衰减或增大，频谱提取模块提取出相对应的基频功率及交调频点功率，控制与信息处理模块700对其进行计算、拟合，可得到光电探测器交调截取点。增大进入光电探测器的光功率，重复上述步骤，可得到光电探测器在不同输入光功率下的交调截取点。

测试1dB压缩电流时，保持相干三波长光信号强度不变，调谐直流光强度，当光电探测器输出基频功率下降1dB时，输出直流量即光电探测器1dB压缩电流。

本方案中，通过改变加载到调制器上射频信号频率ω_e，可改变相干三波长光信号之间的频差，重复上述步骤，即可得到不同频率下的光电探测器非线性。

以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种光电探测器非线性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，相干三波长光发生单元(100)输出频率间隔不等的相干三波长光信号；

S2，相干三波长光信号通过光功率控制单元(400)进行光功率调谐；

S3，直流光发生单元(300)输出直流光信号；

S4，直流光信号通过光功率控制单元(400)后与相干三波长光信号合束得到合束光信号；

S5，合束光信号进入待测光电探测器(500)转换为电信号；

S6，信号提取模块(600)提取出电信号的直流、基频及交调分量的频谱功率；

S7，控制与信息处理模块(700)改变相干三波长光信号和直流光信号的功率；

S8，获得光电探测器在不同输入光功率下的非线性参数。

2.根据权利要求1所述的一种光电探测器非线性分析方法，其特征在于，所述相干三波长光信号角频率分别为ω₁、ω₂和ω₃，其满足如下条件：

T1：ω₂-ω₁≠ω₃-ω₂；

T2、ω₁和ω₃的功率相等；

T3、角频率为ω₂的光波长在角频率分别为ω₁、ω₃的波长的偏振态方向上投影分量相等；

T4、不同波长间相位稳定；

T5、max(|ω₂-ω₁|,(|ω₃-ω₂|)<BW_PD。

3.根据权利要求1所述的一种光电探测器非线性分析方法，其特征在于：所述直流光信号角频率为ω₄，满足min(|ω₄-ω₁|,|ω₄-ω₂|,|ω₄-ω₃|)>>BW_PD。

4.根据权利要求1所述的一种光电探测器非线性分析方法，其特征在于：所述步骤S1的具体方法为相干三波长光发生单元(100)输出光源经光耦合器分成两路，一路经过加载微波电信号的电光调制器生成载波抑制光双边带调制信号，一路经过移频器，之后经过光耦合器合束，从而生成相干三波长光信号。

5.根据权利要求1所述的一种光电探测器非线性分析方法，其特征在于：所述步骤S7的具体内容为控制与信息处理模块(700)控制相干三波长光信号功率及直流光信号的功率的大小，在保持进入光电探测器总光功率大小恒定的情况下，相干三波长光信号功率等幅度衰减或增大，分析光电探测器输出电信号的基频和交调分量功率变化情况，可得其交调截取点，改变进入光电探测器的光功率大小，重复上述步骤，可得到其在不同输入功率下的交调截取点。

6.根据权利要求1所述的一种光电探测器非线性分析方法，其特征在于：所述步骤S8的具体内容为频率控制单元(200)改变相干三波长光信号之间的相对频差，可分析得到光电探测器在不同频率下的非线性参数。

7.一种光电探测器非线性分析装置，其特征在于，包括：

相干三波长光发生单元(100)：生成相干三波长光信号；

频率控制单元(200)：控制相干三波长光信号之间的相对频差；

直流光发生单元(300)：生成直流光；

光功率控制单元(400)：分别控制相干三波长光信号及直流光的光功率大小；

待测光电探测器(500)：将输入光信号转换为电信号；

信号提取模块(600)：提取光电探测器输出电信号的直流、基频及交调分量频谱功率；

控制与信息处理模块(700)：控制相干三波长光发生单元(100)、频率控制单元(200)、直流光发生单元(300)、光功率控制单元(400)、信号提取模块(600)，并对信号提取模块(600)所提取的信息进行分析计算；

所述控制与信息处理模块(700)与相干三波长光发生单元(100)、频率控制单元(200)、直流光发生单元(300)、光功率控制单元(400)和信号提取模块(600)连接，所述频率控制单元(200)与相干三波长光发生单元(100)和直流光发生单元(300)连接，所述相干三波长光发生单元(100)和直流光发生单元(300)均通过光功率控制单元(400)接入待测光电探测器(500)，所述待测光电探测器(500)通过信号提取模块(600)连接控制与信息处理模块(700)。

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