CN114414993B - 一种电光强度调制器芯片频率响应测试的方法 - Google Patents

Abstract

一种电光强度调制器芯片频率响应测试的方法，属于光电子技术领域，旨在提供可以实现电光强度调制器芯片本征频率响应测试的方法。本发明利用光学频率梳产生的相干光学梳状谱信号，输入到待测电光强度调制器芯片中，同时微波网络分析模块信号源输出的扫频微波信号经微波探针加载到待测电光强度调制器芯片上对光学频率梳进行调制，调制后的光信号被送入光电探测器中进行光电转换，光电转换得到的电信号被微波网络分析模块的接收机探测，通过分析探测到的低频电信号就能得到只包含微波探针响应和待测电光强度调制器响应的联合响应。随后，进行微波参考面校准、微波功率校准和终端反射系数测试，获得计算微波探针响应所需的各项参数，由此计算得到微波探针的响应。最后，从联合响应中扣减微波探针的响应就可以得到待测电光强度调制器芯片的相对电光频率响应。另外，针对马赫‑曾德尔型电光强度调制器芯片测试，功率校准后还可以获得输入到调制器的微波功率值，由此可以计算出调制器的半波电压。本方法具备电光强度调制器裸芯片测试的能力，无需进行额外的外部封装就可以实现电光强度调制器芯片的频率响应特性测试。

Description

一种电光强度调制器芯片频率响应测试的方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域中的光电子器件测试技术，具体涉及一种电光强度调制器芯片频率响应测试的方法。

背景技术

电光调制器作为最常用的电-光转换器件，其被广泛应用于光通信系统、数据中心、测试测量仪器等地方，不同的应用场景对电光调制器的响应性能要求不同，对其进行相应的测试具有重要的意义。电光调制器芯片在未做封装和匹配电阻之前一般都具有较强的微波反射特性，信号源与待测调制器芯片之间由于存在阻抗失配，信号源输出的信号大部分被反射，无法有效进入调制器参与调制，这不仅会导致测试信号的信噪比劣化，还为计算调制器芯片的本征调制系数带来困难。

目前，电光调制器频率响应测试的方法按测试手段主要可以分成两类：光谱分析法和电谱分析法。光谱分析法作为分析光电子器件响应特性最简单直接的方法之一，被广泛应用于电光调制器的测试，其主要是利用小信号近似的微波信号驱动电光调制器，使用光谱分析仪直接测量调制后的光信号的边带幅度信息，通过分析各调制边带之间的关系来获得调制器的频率响应信息(Y.Shi,et.al,“High-speed electrooptic modulatorcharacterization using optical spectrum analysis,”Journal LightwaveTechnology,2003,21(10):2358-2367)。光谱分析法不仅可以适用于强度型调制器测试还可以应用于相位型调制器进行测试，但是由于光谱分析法一般是基于传统光栅光谱分析仪的，受制于光谱仪的较低的测量分辨率和测量动态范围，其一般较难实现高精度的测试。为了解决这一问题，基于电谱分析技术的测量方法被提出来。电谱分析测试方法一般是基于电光扫频(X.M.Wu,et.al,“Novel method for frequency response measurement ofoptoelectronic devices,”IEEE Photonics Technology Letters,2012,24(7):575-577)、外差谱映射(S.J.Zhang,et.al,“Calibration-free measurement of high-speedMach-Zehnder modulator based on low-frequency detection,”Optics Letters,2016,41(13):460-463)等测量方式实现的，得益于电谱测量的高分辨率，测试可以实现较高的测试精度。然而，上述电域的测试方法对微波信号源和电谱分析仪器的工作带宽都有较高的要求，一般要求信号源和电谱分析仪器需具有相近的工作带宽，要想实现超宽频率范围的测试超高工作带宽的信号源和超高速的测量仪器都是必不可少的。光学频率梳作为连接光和微波的一座桥梁(C.José,et.al,“Microwave photonics combines two worlds,”Nature Photonics,2007,1(6):319-330)，利用它可以便捷地实现微波信号的采样上/下变频，其可以被用于实现光电子器件测试。目前已有使用光频梳实现马赫-曾德型电光调制器频率响应测试的报道(Y.X.Ma,et.al,“Self-Calibrating Microwave Characterizationof Broadband Mach-Zehnder Electro-Optic Modulator Employing Low-SpeedPhotonic Down-Conversion Sampling and Low-Frequency Detection,”JournalLightwave Technology,2019,37(11):2668-2674)，该方案无需使用高速光电探测器，在大大减小探测频率范围的条件下实现了宽带调制器的响应测量。基于光学采样变频技术的测试方法不仅具有一般电域测试方法高分辨率的特性，而且具备实现超宽带测试的能力。

上述诸多测试方法主要是针对已经封装成型的分立器件，对于芯片测试场景，由于阻抗失配的影响，微波信号源输出的微波信号功率与实际加载到调制器芯片上作用于调制的微波功率存在较大的差异，一般的测试方法得到的结果将会存在较大的偏差。

发明内容

本发明提供了一种可用于电光强度调制器芯片频率响应测试的方法。该方法所基于的测试装置包括光学频率梳、待测电光强度调制器芯片、微波探针、光电探测器和包含内建信号源和接收机的微波网络分析模块。微波校准需要用到的器件还包括同轴标准件、共面标准片和微波功率计。

一种电光强度调制器芯片的频率响应的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：测得光学频率梳(1)输出光频梳信号的间隔频率f_r，按间隔频率设置微波网络分析模块(7)信号源(5)输出扫频微波信号f’(n)＝nf_r/2+Δf’，其中n为正整数，代表所检测光频梳梳齿的阶数，Δf’为一个频率极低的微波信号，以保证近似条件f’(n)≈nf_r/2成立；再依次设置微波网络分析模块(7)的接收机(6)的接收频率为f’(n)和nf_r–f’(n)，测得相应频率的电信号功率P[f’(n)]和P[nf_r–f’(n)]，由此可以计算出光学频率梳(1)输出光频梳信号梳齿之间的相对不平坦响应：

步骤2：设置微波网络分析模块(7)信号源(5)的输出功率为P₀，扫频微波信号为f(n)＝nf_r+Δf，其中Δf为一个频率较低的微波信号，其满足Δf<f_r/2。同时设置微波网络分析模块(7)接收机(6)的接收频率固定为Δf，测得相应电信号功率P_n(Δf)；

步骤3：利用步骤1和步骤2测得的电信号幅度谱可以计算出待测电光强度调制器芯片(3)和微波探针(4)两者的联合响应：

S[f(n)]＝P_n(Δf)K(nf_r)； (2)

步骤4：将微波网络分析模块(7)的信号源(5)和接收机(6)设置在同频模式下工作，按步骤2中设置的扫频频率f(n)和微波功率P₀，进行后续的校准和测试；使用同轴标准件对微波网络分析模块(7)的信号源(5)端口进行微波参考面校准，校准后再将微波功率计与微波网络分析模块(7)的信号源(5)电连接进行微波功率校准，经过微波参考面校准和微波功率校准获得微波网络分析模块(7)信号源(5)的反射系数Г_Tx和传输路径的损耗δ；

步骤5：将微波探针(4)的共面端分别连接开路、短路、匹配三种共面标准片和待测电光强度调制器芯片(2)，并用微波网络分析模块(7)测量微波探针(4)同轴端的反射系数依次记为Г_MS,Г_MO,Г_ML和Г_MD；

步骤6：根据步骤4测得的反射系数计算微波探针(4)的微波网络参数α，β和γ和待测光电探测器芯片共面端的反射系数Г_mod：

β＝Γ_ML，(3b)

步骤7：根据步骤4和步骤6计算微波探针(4)的响应A：

步骤8：根据步骤3得到的联合响应S[f(n)]和步骤7得到的微波探针(4)的响应A[f(n)]计算电光强度调制器芯片(3)的相对电光频率响应：

针对马赫-曾德尔干涉结构的强度调制器，可以继续采用以下步骤来获得待测电光强度调制器的半波电压；

步骤9：根据步骤3和步骤5测得的参数，计算得到调制信号频率为f(1)时输入到待测电光强度调制器芯片的微波信号幅值：

步骤10：设置微波网络分析模块(7)的信号源(5)输出功率为P₀的微波信号f(1)，同时设置接收机(6)测试频率为f(1)和f_r处的电信号的功率值P[f(1)]和P(f_r)，根据下面的第一类1阶贝塞尔函数关系式：

计算得到待测电光强度调制器工作在频率f(1)处的调制系数m[f(1)]；

步骤11：根据步骤6、步骤7和步骤8计算得到的待测电光调制器芯片的相对电光频率响应M[f(n)]、微波信号幅值A_in[f(1)]和调制系数m[f(1)]，计算出待测电光强度调制器芯片的半波电压：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明充分利用了光学频率梳的宽谱特性和各频率谱线高度相干的特性，同时借助于采样下变频的方式，在保证测试精度的前提条件下，将待测电光强度调制器芯片的高频响应特性映射到较低频率的固定频率成分上进行测试，仅需使用低速的电谱分析仪器就可以实现超大带宽的测试，相对于传统的电光扫频测试方法减少了测试对接收端仪器带宽的要求；

2.本发明通过设置与光学频梳梳齿频率具有固定频差关系的扫频微波信号，实现了高频响应信息采样下变频到固定频率上进行检测，消除了接收端网络对测试的影响，同时借助于光学频率梳的不平坦响应校准过程消除了光学频率梳地不平坦响应，测试过程中不需要进行额外的光-电转换标准进行校准，测试方案具备光电自校准能力；

3.本发明借助微波参考面校准、微波功率校准和终端反射系数测试，提取并计算出了微波探针的引入地响应，可以实现电光强度调制器裸芯片的相对频率响应测试，另外，对于马赫-曾德尔型电光强度调制器的测试，经过功率校准之后可以实现对输入到调制器芯片上的微波功率进行追踪测试，由此可以计算调制器的半波电压。

附图说明

图1为本发明的电光强度调制器芯片频率响应测试装置的原理图。

图2为本发明实验测试提取待测电光强度调制器芯片相对频率响应的过程。

图3为基于本发明测算出的待测电光强度调制器芯片的半波电压。

其中附图1标记：(1)光学频率梳、(2)待测电光强度调制器芯片、(3)光电探测器、(4)微波探针、(5)信号源、(6)接收机、(7)微波网络分析模块。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的解释说明，所描述的实施例仅是本发明涉及到的实施方式中的一部分，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施方式，都属于本发明专利保护的范围。

实施例

本实施例中使用被动锁模光纤激光器作为光学频率梳源，测得其发出的脉冲光的重复频率为21.939MHz，其光的中心波长约为1559nm、3-dB谱宽度为0.9nm。由此可知测试的扫描频率步长为f_r＝21.939MHz，设置微波网络分析模块的信号源输出扫频信号的频点为：f’(n)＝nf_r/2-0.5MHz(其中，n＝1,2,3…,1140)，扫频范围约为10MHz 12.5GHz，此时微波网络分析模块接收机的接收频点对应设置在f’(n)和nf_r-f’(n)，依次测得两组电信号的幅度谱P[f’(n)]和P[nf_r-f’(n)]，根据公式(1)计算得到光学频梳的不平坦响应K(nf_r)。再设置微波网络分析模块的信号源输出功率为0dBm的扫频信号的，扫频的频点为：f(n)＝nf_r/2+10MHz(其中，Δf＝10MHz)，扫频范围约为21.9MHz 25GHz，此时微波网络分析模块接收机的接收频点固定设置在Δf，测得电信号的幅度谱P_n(Δf)，由此可以得到包含了微波探针响应、待测调制器芯片响应和光学频率梳不平坦响应的相对响应P_n(Δf)/P₁(Δf)，再根据公式(2)计算得到联合响应S[f(n)]，计算结果如附图二所示。

将微波网络分析模块的信号源和接收机设置在同频模式下工作，设置扫频频点为f(n)，输出功率为0dBm。通过微波参考面校准获得微波网络分析模块信号源的反射系数Г_Tx，微波参考面校准后将微波功率计连接到微波网络分析模块的信号源进行源功率校准，获得微波网络分析模块信号源的传输路径损耗δ。

保持微波网络分析模块的工作模式(扫频频点和输出功率)不变，将微波探针的共面端分别连接到开路、短路、负载共面标准片和待测电光强度调制器芯片，在微波网络分析模块的同轴端测试得到对应的反射系数Г_MS，Г_MO，Г_ML和Г_MD，根据公式(3a)-(3d)计算微波探针的微波网络参数α、β、γ和待测电光强度调制器芯片共面端的反射系数Г_mod。由公式(4)就可以得到微波探针的响应A[f(n)]，根据公式(5)从联合响应S[f(n)]中扣减微波探针响应A[f(n)]就可以得到待测电光强度调制器芯片的相对电光频率响应M[f(n)]，其计算结果如附图二所示。附图二给出了提取待测电光强度调制器芯片相对电光频率响应的过程。另外，进行步骤9和步骤10的操作获得的参数可以测算出待测电光强度调制器芯片的半波电压，计算出的半波电压如附图三所示。从附图二和附图三的测试结果可以看出，本方案对电光强度调制器芯片具有较好的测试能力。

Claims (5)

1.一种电光强度调制器芯片频率响应测试的方法，包括以下操作步骤：

步骤1：构建测试装置；本测试方法所基于的测试装置包括：光学频率梳(1)、待测电光强度调制器芯片(2)、光电探测器(3)、微波探针(4)和微波网络分析模块(7)，其中微波网络分析模块(7)包含内建的信号源(5)和接收机(6)，所述光学频率梳(1)输出端、待测电光强度调制器芯片(2)光端口与光电探测器(3)光端口依次光连接，所述微波网络分析模块(7)的信号源(5)输出端与微波探针(4)同轴端电连接，所述微波探针(4)共面端与待测电光强度调制器芯片(2)电端口电连接，所述光电探测器(3)的电端口与微波网络分析模块(7)的接收机(6)电连接；

步骤2：测得光学频率梳(1)输出光频梳信号的间隔频率f_r，按间隔频率f_r设置微波网络分析模块(7)信号源(5)输出扫频微波信号f’(n)＝nf_r/2+Δf’，其中n为正整数，代表所检测光频梳梳齿的阶数，Δf’为一个频率极低的微波信号，以保证近似条件f’(n)≈nf_r/2成立；再依次设置微波网络分析模块(7)的接收机(6)的接收频率为f’(n)和nfr–f’(n)，测得相应频率的电信号功率P[f’(n)]和P[nf_r–f’(n)]；

步骤3：设定微波网络分析模块(7)信号源(5)的输出功率为P₀，输出扫频微波信号f(n)＝nf_r+Δf，其中Δf为一个频率较低的微波信号，其满足Δf<f_r/2；同时设置微波网络分析模块(7)接收机(6)的接收频率固定为Δf，测得相应电信号功率P_n(Δf)；

步骤4：按步骤3中设置的扫频频率f(n)和微波功率P₀进行后续的校准和测试，将微波网络分析模块(7)的信号源(5)和接收机(6)设置在同频模式下工作，使用同轴标准件对微波网络分析模块(7)的信号源(5)端口进行微波参考面校准，校准后再将微波功率计与微波网络分析模块(7)的信号源(5)电连接进行微波功率校准，经过微波参考面校准和微波功率校准获得微波网络分析模块(7)信号源(5)的反射系数Г_Tx和传输路径的损耗δ；

步骤5：将微波探针(4)的共面端分别连接开路、短路、匹配共面标准片和待测电光强度调制器芯片(2)，并用微波网络分析模块(7)测量微波探针(4)同轴端的反射系数依次记为Г_MS,Г_MO,Г_ML和Г_MD；

步骤6：根据步骤5测得的反射系数计算微波探针(4)的微波网络参数α，β和γ和待测光电探测器芯片共面端的反射系数Г_mod：

β＝Γ_ML，

步骤7：根据上述步骤测算得到的参数计算待测电光强度调制器的相对电光频率响应M[f(n)]：

另外，针对马赫-曾德尔干涉结构的强度调制器芯片的测试，可以继续进行以下步骤来获得其半波电压；

步骤8：根据步骤4和步骤6测得的参数，计算得到加载在待测电光强度调制器芯片上的微波信号幅值：

步骤9：设置微波网络分析模块(7)的信号源(5)输出功率为P0的连续波微波信号f(1)，同时设置接收机(6)测试频率为f(1)和f_r处的电信号的功率值P[f(1)]和P(f_r)，根据下面的第一类1阶贝塞尔函数关系式：

步骤10：根据步骤7、步骤8和步骤9计算得到的待测电光调制器芯片的相对电光频率响应M[f(n)]、微波信号幅值A_in[f(1)]和调制系数m[f(1)]，计算出待测电光强度调制器芯片的半波电压：

2.根据权利要求1所述的一种电光强度调制器芯片频率响应测试的方法，其特征在于待测电光强度调制器芯片(2)其可以是集总参数的调制器，也可以是集成了终端负载的行波电极结构调制器，其电端口一般为共面电极结构，以方便与微波探针(4)连接，其光端口一般为光栅结构或者端面结构，以方便与耦合光纤进行垂直的或者水平的光耦合。

3.根据权利要求1所述的一种电光强度调制器芯片频率响应测试的方法，其特征在于微波网络分析模块(7)应至少包含一组信号源(5)和接收机(6)。

4.根据权利要求1所述的一种电光强度调制器芯片频率响应的测试方法，其特征在于，根据步骤2测得的电信号功率，可以计算出光学频率梳(1)输出光频梳信号各个梳齿强度值的不均一响应：

对于谱宽度足够宽的光学频率梳光电转换之后获得的电学频率梳，可以认为K(nf_r)≈1，此时可以省略以上不均一响应的计算步骤。

5.根据权利要求1所述的一种电光强度调制器芯片频率响应测试的方法，其特征在于，微波网络分析模块(7)信号源(5)输出的微波信号为与光学频率梳信号梳齿频率nf_r为有固定频率偏差的微波信号，偏差频率为一个低频频率Δf，微波网络分析模块(7)接收机(6)检测的频率为该固定的低频频率Δf。

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