CN114389692B - 一种电光强度调制器频率响应测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电光强度调制器频率响应测试装置及方法，利用激光器发射一束光载波，送入待测电光强度调制器中，待测电光强度调制器的射频驱动电极上接第一信号源，偏置电极上接第二信号源，第一信号源输出频率为f₁的正弦信号，第二信号源输出频率为f_b的正弦信号，分别对光载波进行调制，待测电光强度调制器输出的光调制信号进入光电探测器进行拍频；控制第一信号源的输出功率并利用频谱分析模块提取拍频信号中频率为f_b的信号幅度以及第一信号源输出功率，通过计算并对提取数据进行拟合分析获得待测电光强度调制器在f₁频率处的调制系数和半波电压；控制第一信号源在不同驱动功率下扫描，重复上述运算即可获得待测电光强度调制器频率响应。

Description

一种电光强度调制器频率响应测试装置及方法

技术领域

本发明属于光电子器件领域，尤其涉及光电子器件频率响应测试领域，具体是一种电光强度调制器频率响应测试装置及方法。

背景技术

电光强度调制器作为光通信系统和微波光子链路中负责电-光转换的关键器件，其频率响应参数(如调制效率、半波电压等)很大程度上影响了整个系统或链路的性能。精确测量电光强度调制器的调制系数与半波电压对电光强度调制器的器件性能评估和光通信以及微波光子系统高频应用是至关重要的。

现有的测量电光强度调制器频率响应测试方法主要有光谱分析法、电光扫频法和自外差法。典型的光谱分析法(Y.Q.Shi,L.S.Yan and A.E.Willner.High-speedelectrooptic modulator characterization using optical spectrum analysis[J].Journal of Lightwave Technology,2003,21(10):2358-2367；Y.Liao,H.J.Zhou andZ.Meng.Modulation efficiency of a LiNbO3waveguide electro-optic intensitymodulator operating at high microwave frequency[J].Optics Letters,2009,34(12):1822-1824.)通过分析光调制信号中光载波与边带幅度的比值以及电光强度调制器驱动功率，获得调制器的调制系数和半波电压，该方法受限于光谱仪的分辨率，因此频率分辨率较低，同时该方法是偏置相关的，易受电光强度调制器工作点漂移的影响；电光扫频法(P.D.Hale and D.F.Williams.Calibrated measurement of optoelectronic frequencyresponse[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2003,51(4):1422-1429；X.M.Wu,J.W.Man,L.Xie,et al.Novel Method for Frequency ResponseMeasurement of Optoelectronic Devices[J].IEEE Photonics Technology Letters,2012,24(7):575-577.)是利用微波网络分析仪对电-光和光-电器件的级联系统进行扫频测量，该方法测量得到的结果包含电-光和光-电器件的级联响应，需要进行额外的光-电校准去除光-电器件的频率响应；自外差法(S.J.Zhang,C.Zhang,H.Wang,etal.Calibration-free measurement of high-speed Mach-Zehnder modulator based onlow-frequency detection[J].Optics Letters,2016,41(3):460-463；S.Zhang,C.Zhang,H.Wang,et al.Self-Calibrated Microwave Characterization of High-SpeedOptoelectronic Devices by Heterodyne Spectrum Mapping[J].Journal of LightwaveTechnology,2017,35(10):1952-1961；H.Wang,S.Zhang,X.Zou,et al.Bias-independentand self-calibrated electrical method for microwave characterization of dual-parallel Mach-Zehnder modulators based on two-tone and bias-swing modulation[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2017,65(7):2636-2643；S.Zhang,H.Wang,X.Zou,et al.Electrical Probing Test for CharacterizingWideband Optical Transceiving Devices with Self-Reference and On-ChipCapability[J].Journal of Lightwave Technology,2018,36(19):4326-4336；S.Zhang,W.Li,W.Chen,et al.Accurate calibration and measurement of optoelectronicdevices[J].Journal of Lightwave Technology,2021,39(12):3687-3698.)采用三个信号源，通过电光调制器将三个微波信号转换到光域进行混频，利用光电探测器进行光电转换并拍频产生下变频信号；通过提取下变频信号中的近频信号幅度信息，实现调制系数与半波电压的自校准测量，但是该方法在测试过程中使用三个信号源，且需要严格的频率配置关系，计算过程比较复杂。

目前对电光强度调制器频率响应的测量已有很多方法，但仍然缺少通过单音驱动实现快速、高精度、高分辨率的电光强度调制器调制系数和半波电压测试方法。

发明内容

本发明拟解决的技术问题在于提供一种电光强度调制器频率响应测试装置和方法，实现具有简单、快速、宽带、高精度、高分辨率、自校准、低频探测的电光强度调制器频率响应测量。

一种电光强度调制器频率响应测试装置，包括激光器、待测马赫-增德尔电光强度调制器、光电探测器、频谱分析模块、第一信号源、第二信号源以及控制与数据处理模块，所述激光器、待测电光强度调制器、光电探测器依次进行光连接，第一信号源与待测电光强度调制器的射频驱动电极进行电连接，第二信号源与待测电光强度调制器的偏置电极进行电连接，光电探测器与频谱分析模块进行电连接，控制与数据处理模块分别与第一信号源、第二信号源和频谱分析模块进行数据连接。

一种电光强度调制器频率响应测试方法，包括以下步骤：

步骤1)：保持第一信号源处于关闭状态，设置第二信号源输出频率为f_b、功率保持不变的正弦信号，第二信号源输出信号加载在待测电光强度调制器的偏置电极上，待测电光强度调制器输出的调制光信号经过光电探测器转换为电信号，利用频谱分析模块测量光电探测器输出电信号中频率为f_b的电信号幅度，记为A(f_b；0)；

步骤2)：打开第一信号源，设置第一信号源输出频率为f₁的正弦信号，将第一信号源输出信号加载在待测电光强度调制器的射频驱动电极上，保持第二信号源设置，输出的调制光信号经过光电探测器转换为电信号，利用频谱分析模块测量光电探测器输出电信号中频率为f_b的电信号幅度，记为A(f_b；m)；

步骤3)：使用频谱分析模块直接测量第一信号源输出正弦信号驱动待测电光强度调制器的功率，记为P，相应的正弦信号驱动幅度为V；

步骤4)：多次改变第一信号源输出功率，重复步骤2)、3)，获得一组第一信号源输出正弦信号功率P_i和频率为f_b的电信号幅度A(f_b；m_i)的数据，其中i＝1，2，3，…；

步骤5)：按照如下公式计算待测电光强度调制器在调制频率为f₁、射频驱动功率为P_i的调制系数m_i：

式中J₀(·)为0阶第一类贝塞尔函数；

步骤6)：按照如下公式对步骤4)中数据组P_i和A(f_b；m_i)进行多项式拟合，通过拟合曲线的高次项系数计算待测电光强度调制器在调制频率为f₁处的半波电压V_π：

式中，Z_L为50Ω特征阻抗；

步骤7)：保持第二信号源输出信号频率、功率不变，利用控制与数据处理模块控制第一信号源在不同功率设置下扫频输出，重复步骤2)、3)、4)、5)、6)得到待测电光强度调制器在不同调制频率f₁的半波电压V_π，即该电光强度调制器的频率响应。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明采用控制待测电光强度调制器驱动功率的方法，通过对测试数据进行分析以及拟合运算，准确地测量了电光强度调制器的调制系数与半波电压。

二、本发明采用的两个信号源，其中第一信号源输出单音信号从射频驱动电极对待测电光强度调制器进行驱动，第二个信号源输出单音信号从偏置电极对待测电光强度调制器进行驱动；在测试过程中可以将探测信号频率降低到第二个信号源输出频率量级，以便降低光电探测器和频谱分析模块的带宽要求。

三、本发明通过固定低频检测，避免了光电探测器的不平坦响应，实现自校准测量。

附图说明

图1为本发明的装置示意图。

图2为测试数据与拟合曲线的示意图。

具体实施方式

下面是结合附图和实施例对本发明的进一步说明，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，利用激光器发射一束光载波，送入待测电光强度调制器中，在待测电光强度调制器的射频驱动电极上接第一信号源，偏置电极上接第二信号源，第一信号源输出频率为f₁的正弦信号，第二信号源输出频率为f_b的固定低频的正弦信号，分别对光载波进行调制，待测电光强度调制器输出的光调制信号进入光电探测器进行拍频，利用频谱分析模块提取拍频信号中频率为f_b的信号幅度；多次改变第一信号源的输出功率，同时提取拍频信号中频率为f_b的信号幅度，通过拟合计算获得待测电光强度调制器在单个调制频率处的半波电压；控制第一信号源在不同驱动功率下扫描，重复上述步骤即可获得待测电光强度调制器频率响应。

为了更好地解释本技术发明方案，下面对本发明的测量原理进行简要介绍：

激光器输出的光载波经过待测电光强度调制器形成的光调制信号为：

其中，E₀和f₀分别为光载波的幅度和频率，γ为待测电光强度调制器上下两臂的分光比，为待测电光强度调制器偏置电极上施加的偏置电压所引起的偏置相位，m和m_b分别对应第一信号源输出正弦信号Vsin(2πf₁t)和第二信号源输出正弦信号V_bsin(2πf_bt)所引起的调制系数，其中，m可表示为

式中，P为第一信号源输出正弦信号功率，Z_L为50Ω特征阻抗。需要说明的是：公式(1)表示为典型马赫曾德尔调制器的光调制信号，其也适用于推挽式电光强度调制器、单驱电光强度调制器、双驱电光强度调制器、双平行电光强度调制器、IQ调制器等马赫-曾德尔干涉仪结构的调制器。

待测电光强度调制器输出的光调制信号经过光电探测器进行光电转换后产生光电流信号，将该光电流信号进行Jacobi-Anger展开后得到：

其中，R为光电探测器频率响应度，J_p(·)、J_q(·)分别为p、q阶第一类贝塞尔函数。公式(3)中，频率为f_b的拍频信号分量的幅度为：

在第一信号源信号输出处于关闭状态、第二信号源信号输出设置不变的情况下，公式(4)所述的频率为f_b的拍频信号分量的幅度可表示为

根据公式(4)、(5)，有如下关系成立，

将公式(2)带入公式(6)并进行多项式展开，可得

其中，Z_r为50Ω特征阻抗，P是待测电光强度调制器的射频驱动功率。

从公式(6)可以看出，频率为f_b的拍频信号分量的幅度比A(f_b；m)/A(f_b；0)与调制系数m的函数有关，在保持第二信号源信号输出设置不变的情况下，通过频谱分析模块分别提取第一信号源输出信号处于关闭和开启状态时，频率为f_b的拍频电信号的幅度A(f_b；0)和A(f_b；m)，计算得到待测电光强度调制器调制系数m。多次改变待测电光强度调制器的射频驱动功率，同时通过频谱分析模块提取频率为f_b的拍频电信号的幅度A(f_b；m)以及第一信号源输出射频驱动信号功率P，对频率为f_b的拍频电信号的幅度比A(f_b；m)/A(f_b；0)与待测电光强度调制器的射频驱动功率P进行多项式拟合分析，根据拟合系数计算得到待测电光强度调制器在调制频率为f₁处的半波电压V_π；通过控制与数据处理模块对第一信号源进行扫频控制，重复上述步骤，获得待测电光强度调制器半波电压随频率变化的曲线，即得到待测电光强度调制器在扫频范围内的频率响应。

实施例

本发明测试装置框图如图1所示。激光器输出光载波的频率为f₀＝193.1THz，光载波送入到待测电光强度调制器进行调制，设置第一信号源输出频率f₁＝10GHz，加载在待测电光强度调制器的射频电极上；第二信号源输出频率f_b＝100kHz加载在待测电光强度调制器的偏置电极上，经过待测电光强度调制器输出的调制光信号送入光电探测器进行光电转换，产生拍频信号送入频谱分析模块进行分析与记录。

第一信号源输出信号处于关闭状态时，频谱分析模块提取到的低频信号成分100kHz(f_b)的幅度信息为A(f_b；0)＝3.465mV；第一信号源输出信号处于开启状态时，利用控制与数据处理模块控制第一信号源输出信号功率不同的单音信号，同时通过频谱分析模块提取到对应的低频信号成分100kHz(f_b)的幅度信息分别为3.389mV、3.312mV、3.162mV、2.990mV，通过公式(6)计算相应的调制系数为0.596、0.846、1.196、1.508；利用频谱分析模块对第一信号源的单音信号功率进行测量，分别为4.485mW、9.060mW、18.097mW、28.769mW。根据公式(9)，对频率为100kHz(f_b)的幅度比A(f_b；m)/A(f_b；0)与第一信号源输出信号功率进行最小二乘拟合，拟合得到一次项系数为4.942，计算得到半波电压V_π为3.533。测试数据与最小二乘拟合曲线如图2所示。

保持第二信号源输出正弦信号频率、功率不变，利用控制与数据处理模块控制第一信号源在上述功率设置条件下分别进行扫频，并同步提取频谱分析模块中对应的频率分量f_b的幅度信息，重复上述计算，可获得待测电光强度调制器半波电压随频率变化的曲线，即得到待测电光强度调制器在扫频范围内的频率响应。

Claims (6)

1.一种电光强度调制器频率响应测试方法，包括以下步骤：

步骤1)：搭建电光强度调制器频率响应测试装置，包括激光器、待测电光强度调制器、光电探测器、频谱分析模块、第一信号源、第二信号源以及控制与数据处理模块，所述激光器、待测电光强度调制器、光电探测器依次进行光连接，第一信号源与待测电光强度调制器的射频驱动电极进行电连接，第二信号源与待测电光强度调制器的偏置电极进行电连接，光电探测器与频谱分析模块进行电连接，控制与数据处理模块分别与第一信号源、第二信号源和频谱分析模块进行数据连接；

步骤2)：保持第一信号源处于关闭状态，设置第二信号源输出频率为f_b、功率保持不变的正弦信号，第二信号源输出信号加载在待测电光强度调制器的偏置电极上，待测电光强度调制器输出的调制光信号经过光电探测器转换为电信号，利用频谱分析模块测量光电探测器输出电信号中频率为f_b的电信号幅度，记为A(f_b；0)；

步骤3)：打开第一信号源，设置第一信号源输出频率为f₁的正弦信号，将第一信号源输出信号加载在待测电光强度调制器的射频驱动电极上，保持第二信号源设置，输出的调制光信号经过光电探测器转换为电信号，利用频谱分析模块测量光电探测器输出电信号中频率为f_b的电信号幅度，记为A(f_b；m)；

步骤4)：使用频谱分析模块直接测量第一信号源输出正弦信号驱动待测电光强度调制器的功率，记为P，相应的正弦信号驱动幅度为V；

步骤5)：多次改变第一信号源输出功率，重复步骤3)、4)，获得一组第一信号源输出正弦信号功率P_i和频率为f_b的电信号幅度A(f_b；m_i)的数据，其中i＝1，2，3，…；

步骤6)：按照如下公式计算待测电光强度调制器在调制频率为f₁、射频驱动功率为P_i的调制系数m_i：

式中J₀(·)为0阶第一类贝塞尔函数；

步骤7)：按照如下公式对步骤6)中数据组P_i和A(f_b；m_i)进行多项式拟合，通过拟合曲线的高次项系数计算待测电光强度调制器在调制频率为f₁处的半波电压V_π：

式中，Z_L为50Ω特征阻抗；

步骤8)：保持第二信号源输出信号频率、功率不变，利用控制与数据处理模块控制第一信号源在不同功率设置下扫频输出，重复步骤3)、4)、5)、6)、7)得到待测电光强度调制器在不同调制频率f₁的调制系数m与半波电压V_π，即该电光强度调制器的频率响应。

2.根据权利要求1所述一种电光强度调制器频率响应测试方法，其特征在于：所述待测电光强度调制器为马赫-曾德尔干涉仪结构的调制器。

3.根据权利要求1所述一种电光强度调制器频率响应测试方法，其特征在于：所述待测电光强度调制器射频驱动电极和偏置电极分别加载频率不同的单音正弦信号。

4.根据权利要求1所述的一种电光强度调制器频率响应测试方法，其特征在于：步骤2)测量的光电探测器输出电信号中频率为f_b的电信号幅度A(f_b；0)作为步骤6)、7)的参考。

5.根据权利要求1所述的一种电光强度调制器频率响应测试方法，其特征在于：步骤6)中频率为f_b的电信号幅度比A(f_b；m_i)/A(f_b；0)与待测电光强度调制器在调制频率f₁、射频驱动功率P_i处的调制系数m_i相关，通过计算得到在调制频率f₁、射频驱动功率P_i条件下待测电光强度调制器的调制系数m_i。

6.根据权利要求1所述的一种电光强度调制器频率响应测试方法，其特征在于：步骤7)中频率为f_b的电信号幅度比A(f_b；m)/A(f_b；0)与待测电光强度调制器在调制频率f₁处的射频驱动信号功率P呈多项式关系，对步骤7)中多项式进行变形或取高阶近似，可以计算待测电光强度调制器在调制频率为f₁处的半波电压V_π。