CN115021813A - 一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种马赫‑曾德尔调制器相对频率响应的测量装置及方法,涉及光电技术,将直流激光器发出的连续光波与其移频副本相结合,产生双载波,利用单音微波信号通过偏置在最小传输点的被测马赫‑曾德尔调制器对双光载波进行载波抑制双边带调制,改变单音微波信号频率可以实现对双载波进行扫描调制,光电探测器检测后产生一个固定的低频外差信号,该信号携带了电光调制响应信息,由此可以得到马赫‑曾德尔调制器的相对频率响应。该方法具有自校准、高频率分辨率、低频率探测和仅使用单个频率扫描微波源的特点,有利于表征主干网光通信和微波光子系统中马赫‑曾德尔调制器的微波性能。

Description

一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域,更具体的是涉及一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量装置及方法。
背景技术
高速电光马赫-曾德尔调制器是光通信和微波光子系统中必不可少的基本组件,以高频率分辨率表征马赫-曾德尔调制器的频率响应对提高系统性能具有重要意义。首先,数字信号处理技术在高速光通信中得到了广泛的应用,以提升系统的传输性能,它能够补偿由马赫-曾德尔调制器的频率响应引起的信号失真。其次,宽带微波光子系统的链路增益与马赫-曾德尔调制器的频率响应密切相关,但可以通过均衡使马赫-曾德尔调制器的频率响应变平。因此,为了实现这些功能,必须预先很好地表征马赫-曾德尔调制器的频率响应。
基于光谱分析仪的光谱分析法是测量电光调制器频率响应的一种经典方法(Y.Q.Shi,et al.“High-speed electrooptic modulator characterization usingoptical spectrum analysis,”J.Lightw.Technol.2003,21(10):2358-2367.)。通过监测调制边带和载波的相对光功率并反解贝塞尔函数,可以得到被测调制器的频率响应。然而,受限于商用基于光栅的光谱分析仪的光谱分辨率,该方法的起始测量频率和测量分辨率通常被限制在2.5GHz左右(即0.02nm@1550nm)。为了实现高频率分辨率的测量,电谱分析方法在微波网络分析仪的辅助下被提出并广泛应用(X.M.Wu,et al.“Novel method forfrequency response measurement of optoelectronic devices,”IEEEPhoton.Technol.Lett.,2012,24(7):575-577.),这些方法通过在被测马赫-曾德尔调制器上施加频率扫描的单音微波信号,并对从辅助光电探测器中恢复的信号进行分析,从而测得调制器的频率响应。然而,光电探测器的工作带宽必须覆盖所要测量的频率范围,并且为了得到调制器的固有频率响应特性,必须对辅助光电探测器的频率响应进行标定。
为了简化测量过程,研究人员提出了一种基于移频外差的自校准方法(S.J.Zhang,et al.“Calibration-free electrical spectrum analysis for microwavecharacterization of optical phase modulators using frequency-shiftedheterodyning,”IEEE Photon.J.,2014,6(4):5501008.)。在此方法中,将所需的光谱分量高精度地转换到电谱上,进而在电域中进行高分辨率测量。这种方法减小了对所用辅助光电探测器一半的带宽需求,并且避免了光电探测器频率响应不平坦的校准问题。为了降低对光电探测器检测带宽的要求,一种利用低速光电探测器实现高速马赫-曾德尔调制器频响测量的双音调制方法被提出(S.J.Zhang,et al.“Calibration-free measurement ofhigh-speed Mach-Zehnder modulator based on low-frequency detection,”Opt.Lett.,2016,41(3):460-463.),该方法通过低频检测实现自校准测量,但代价是需使用频率同步扫描的双音微波信号激励。另一种基于低重频超短脉冲序列实现光子下变频采样的低频检测方法(Y.X.Ma,et al.“Self-calibrating microwave characterization ofbroadband Mach-Zehnder electro-optic modulator employing low-speed photonicdown-conversion sampling and low-frequency detection,”.J.Lightw.Technol.37(11),2019:2668-2674.),通过单一微波源就可以对马赫-曾德尔调制器进行自校准频率响应测试。但是由于被动锁模激光器的谱宽较大,在大波长范围内,测量到的马赫-曾德尔调制器的频率响应为平均值。此外,被动锁模激光器可能存在重复频率漂移,必须对重复频率漂移进行精确控制,以获得精确的马赫-曾德尔调制器频率响应。
综上所述,目前已报道的马赫-曾德尔调制器的频率响应测量方法存在如下问题:第一,需要大带宽光电探测器;第二,需要双音微波信号激励;第三,测量值为调制器频响的平均值。上述问题将会增加马赫-曾德尔调制器的频率响应测量装置的复杂度或降低其测试精度。
发明内容
本发明的目的在于:为了解决上述技术问题,本发明提供一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量装置及方法。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案:
一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量装置,包括激光器,光耦合,声光移频器,光耦合器,被测马赫-曾德尔调制器,光电探测器和微波网络分析;
其中,激光器的输出端连接光耦合器的输入端,光耦合器的一个输出端连接声光移频器的输入端,声光移频器的输出端连接光耦合器的一个输入端,光耦合器的另一个输出端连接光耦合器的另一个输入端,光耦合器的输出端连接被测马赫-曾德尔调制器的光输入端,被测马赫-曾德尔调制器的光输出端连接光电探测器的光输入端,光电探测器的电输出端连接微波网络分析仪的输入端,微波网络分析仪的输出端连接被测马赫-曾德尔调制器的电输入端。
一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量方法,基于权利要求1的自校准测量装置,包括以下步骤:
步骤1:激光器输出频率为fc的直流光,经过光耦合器分为两路,上支路通过声光移频器对载波进行上移频到fc+f0,f0是声光移频器的移频频率,下支路不做任何处理;
步骤2:声光移频器输出频率为fc+f0的载波与光耦合器的下支路输出频率为fc的载波经过光耦合器合为一路,形成双光载波;
步骤3:光耦合器输出的双载波输入到偏置在最小点的被测马赫-曾德尔调制器中,将微波网络分析仪输出频率为fs的微波信号加载到被测马赫-曾德尔调制器的射频口,对光双载波进行载波抑制双边带调制,产生±1阶边带,其中+1阶边带的频率成分包括fc+fs和fc+f0+fs,-1阶边带的频率成分包括fc-fs和fc+f0-fs,所有这些调制边带都携带了被测马赫-曾德尔调制器在fs处的频率响应信息;
步骤4:通过光电探测器对被测马赫-曾德尔调制器输出的光信号进行平方律探测,其中输出频率为f0的射频信号携带了被测马赫-曾德尔调制器在频率fs处的频率响应信息;
步骤5:通过微波网络分析仪测量光电探测器输出的频率为f0的射频信号功率;
步骤6:利用微波网络分析仪对输出频率fs进行扫频,测量光电探测器输出的固定低频分量f0对应的功率,即可计算得到被测马赫-曾德尔调制器的频率响应信息。
作为一种可选方案,所述步骤2中的双光载波Ein,如公式一所示:
Figure BDA0003750384510000041
其中,γ为光耦合器上下支路的分光比,E0为激光器输出的光振幅,j为虚数单位,t为时间,
Figure BDA0003750384510000042
为双光载波之间的相位差,e表示自然常数。
作为一种可选方案,所示步骤3中对双光载波进行载波抑制双边带调制,被测马赫-曾德尔调制器输出的光场Eout,如公式二所示:
Figure BDA0003750384510000043
其中,m(fs)为被测马赫-曾德尔调制器在频率fs处的调制系数。
作为一种可选方案,通过光电探测器进行光电转换后,可得到输出光电流I,其正比于光电探测器的响应度,如公式三所示:
Figure BDA0003750384510000044
其中,R(f)为光电探测器在频率f处的响应度,
Figure BDA0003750384510000045
为Eout的共轭。
作为一种可选方案,通过贝塞尔函数展开,可得频率f0处的光电流大小,如公式四所示:
Figure BDA0003750384510000046
其中,fs为输入待测马赫-曾德尔调制器的微波信号频率,I(f0;fs)表示当输入待测马赫-曾德尔调制器的微波信号频率为fs时,光电探测器输出频率为f0的光电流的大小,R(f0)为光电探测器在频率f0处的响应度,J0(·)为零阶贝塞尔函数,m(fs)代表马赫-曾德尔调制器在频率fs处的调制系数。
则被测马赫-曾德尔调制器的相对频率响应可被计算得出,如公式五所示:
Figure BDA0003750384510000051
其中,S21(fs)表示被测马赫-曾德尔调制器在频率fs处的相对频响数值,fsr为被测马赫-曾德尔调制器相对频率响应的参考频率,m2(fs)和m2(fsr)分别表示被测马赫-曾德尔调制器在频率fs和fsr处的调制系数平方值。
作为一种可选方案,在所述步骤6中,马赫-曾德尔调制器的相对频率响应是以fsr处的响应作为参考进行归一化计算。
作为一种可选方案,激光器(1)采用任意能输出直流光的结构。
本发明的有益效果如下:
1、与移频外差法相比,该测量方法对光电探测器的带宽要求大大降低;
2、与双音调制法相比,该测量方法只需要一个可调谐微波源,简化了测量装置;
3、与光子下变频采样法相比,该测量方法在测量中避免了宽光谱导致的平均效应
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
其中,1-半导体激光器,2-光耦合器,3-声光移频器,4-光耦合器,5-被测马赫-曾德尔调制器,6-光电探测器,7-微波网络分析仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示,本实施例提供一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量装置,包括半导体激光器(1),光耦合器(2),声光移频器(3),光耦合器(4),被测马赫-曾德尔调制器(5),光电探测器(6)和微波网络分析仪(7);
其中,直流光激光器(1)的输出端连接光耦合器(2)的输入端,光耦合器(2)的一个输出端连接声光移频器(3)的输入端,声光移频器(3)的输出端连接光耦合器(4)的一个输入端,光耦合器(2)的另一个输出端连接光耦合器(4)的另一个输入端,光耦合器(4)的输出端连接被测马赫-曾德尔调制器(5)的光输入端,被测马赫-曾德尔调制器(5)的光输出端连接光电探测器(6)的光输入端,光电探测器(6)的电输出端连接微波网络分析仪(7)的输入端,微波网络分析仪(7)的输出端连接被测马赫-曾德尔调制器(5)的电输入端。
本方案将激光器发出的连续光波与其移频副本相结合,产生双载波,利用单音微波信号通过偏置在最小传输点的被测马赫-曾德尔调制器对双光载波进行载波抑制双边带调制,改变单音微波信号频率可以实现对双载波进行扫描调制,光电探测器检测后产生一个固定的低频外差信号,该信号携带了电光调制响应信息,由此可以得到马赫-曾德尔调制器的相对频率响应。该方法具有自校准、高频率分辨率、低频率探测和仅使用单个频率扫描微波源的特点,有利于表征主干网光通信和微波光子系统中马赫-曾德尔调制器的微波性能。
实施例2
如图1所示,分布反馈式半导体激光器输出频率为fc的直流光信号,经过光耦合器分成两路,上支路通过声光移频器对频率为fc的光载波进行上移频,输出的频率为fc+f0(f0为声光移频器的移频频率),下支路不做任何处理。声光移频器输出频率为fc+f0的载波与光耦合器下支路输出频率为fc的载波通过光耦合器合为一路,形成频率差为f0的双光载波:
Figure BDA0003750384510000071
其中,γ为光耦合器上下支路的分光比,E0为激光器输出的光振幅,j为虚数单位,t为时间,
Figure BDA0003750384510000072
为双光载波之间的相位差,e表示自然常数。
光耦合器输出的双光载波输入到偏置在最小点的被测马赫-曾德尔调制器中,将微波网络分析仪输出频率为fs的微波信号加载到被测马赫-曾德尔调制器的射频口,对双光载波进行载波抑制双边带调制,被测马赫-曾德尔调制器输出的光场表示为:
Figure BDA0003750384510000073
其中,m(fs)为被测马赫-曾德尔调制器在频率fs处的调制系数。。通过光电探测器进行光电转换后,可得到输出光电流I,其正比于光电探测器的响应度:
Figure BDA0003750384510000074
其中,R(f)为光电探测器在频率f处的响应度,
Figure BDA0003750384510000075
为Eout的共轭。通过贝塞尔函数展开,可得频率f0处的光电流大小为:
Figure BDA0003750384510000076
其中,fs为输入待测马赫-曾德尔调制器的微波信号频率,I(f0;fs)表示当输入待测马赫-曾德尔调制器的微波信号频率为fs时,光电探测器输出频率为f0的光电流的大小,R(f0)为光电探测器在频率f0处的响应度,J0(·)为零阶贝塞尔函数,m(fs)代表马赫-曾德尔调制器在频率fs处的调制系数。
则被测马赫-曾德尔调制器的相对频率响应可被计算得出:
Figure BDA0003750384510000077
其中,S21(fs)表示被测马赫-曾德尔调制器在频率fs处的相对频响数值,fsr为被测马赫-曾德尔调制器相对频率响应的参考频率,m2(fs)和m2(fsr)分别表示被测马赫-曾德尔调制器在频率fs和fsr处的调制系数平方值。一般情况下,fsr设置在较低的频率范围内。可以看出,所提出的马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量装置及实现方法,可以测量马赫-曾德尔调制器的相对频率响应,具有单微波源扫描、固定低频检测和无需校准光电探测器响应的特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明的保护范围,任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量装置,其特征在于,包括激光器(1),光耦合器(2),声光移频器(3),光耦合器(4),被测马赫-曾德尔调制器(5),光电探测器(6)和微波网络分析仪(7);
其中,激光器(1)的输出端连接光耦合器(2)的输入端,光耦合器(2)的一个输出端连接声光移频器(3)的输入端,声光移频器(3)的输出端连接光耦合器(4)的一个输入端,光耦合器(2)的另一个输出端连接光耦合器(4)的另一个输入端,光耦合器(4)的输出端连接被测马赫-曾德尔调制器(5)的光输入端,被测马赫-曾德尔调制器(5)的光输出端连接光电探测器(6)的光输入端,光电探测器(6)的电输出端连接微波网络分析仪(7)的输入端,微波网络分析仪(7)的输出端连接被测马赫-曾德尔调制器(5)的电输入端。
2.一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量方法,其特征在于,基于权利要求1的自校准测量装置,包括以下步骤:
步骤1:激光器(1)输出频率为fc的直流光,经过光耦合器(2)分为两路,上支路通过声光移频器(3)对载波进行上移频到fc+f0,f0是声光移频器(3)的移频频率,下支路不做任何处理;
步骤2:声光移频器(3)输出频率为fc+f0的载波与光耦合器(2)的下支路输出频率为fc的载波经过光耦合器(4)合为一路,形成双光载波;
步骤3:光耦合器(4)输出的双载波输入到偏置在最小点的被测马赫-曾德尔调制器(5)中,将微波网络分析仪(7)输出频率为fs的微波信号加载到被测马赫-曾德尔调制器(5)的射频口,对光双载波进行载波抑制双边带调制,产生±1阶边带,其中+1阶边带的频率成分包括fc+fs和fc+f0+fs,-1阶边带的频率成分包括fc-fs和fc+f0-fs,所有这些调制边带都携带了被测马赫-曾德尔调制器(5)在fs处的频率响应信息;
步骤4:通过光电探测器(6)对被测马赫-曾德尔调制器(5)输出的光信号进行平方律探测,其中输出频率为f0的射频信号携带了被测马赫-曾德尔调制器(5)在频率fs处的频率响应信息;
步骤5:通过微波网络分析仪(7)测量光电探测器(6)输出的频率为f0的射频信号功率;
步骤6:利用微波网络分析仪(7)对输出频率fs进行扫频,测量光电探测器(6)输出的固定低频分量f0对应的功率,即可计算得到被测马赫-曾德尔调制器(5)的频率响应信息。
3.根据权利要求2所述的一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量方法,其特征在于:所述步骤2中的双光载波Ein,如公式一所示:
Figure FDA0003750384500000021
其中,γ为光耦合器上下支路的分光比,E0为激光器输出的光振幅,j为虚数单位,t为时间,
Figure FDA0003750384500000025
为双光载波之间的相位差,e表示自然常数。
4.根据权利要求3所述的一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量方法,其特征在于:所示步骤3中对双光载波进行载波抑制双边带调制,被测马赫-曾德尔调制器输出的光场Eout,如公式二所示:
Figure FDA0003750384500000022
其中,m(fs)为被测马赫-曾德尔调制器在频率fs处的调制系数。
5.根据权利要求4所述的一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量方法,其特征在于:通过光电探测器进行光电转换后,可得到输出光电流I,其正比于光电探测器的响应度,如公式三所示:
Figure FDA0003750384500000023
其中,R(f)为光电探测器在频率f处的响应度,
Figure FDA0003750384500000024
为Eout的共轭。
6.根据权利要求5所述的一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量方法,其特征在于:通过贝塞尔函数展开,可得频率f0处的光电流大小,如公式四所示:
Figure FDA0003750384500000031
其中,fs为输入待测马赫-曾德尔调制器的微波信号频率,I(f0;fs)表示当输入待测马赫-曾德尔调制器的微波信号频率为fs时,光电探测器输出频率为f0的光电流的大小,R(f0)为光电探测器在频率f0处的响应度,J0(·)为零阶贝塞尔函数,m(fs)代表马赫-曾德尔调制器在频率fs处的调制系数。
则被测马赫-曾德尔调制器的相对频率响应可被计算得出,如公式五所示:
Figure FDA0003750384500000032
其中,S21(fs)表示被测马赫-曾德尔调制器在频率fs处的相对频响数值,fsr为被测马赫-曾德尔调制器相对频率响应的参考频率,m2(fs)和m2(fsr)分别表示被测马赫-曾德尔调制器在频率fs和fsr处的调制系数平方值。
7.根据权利要求2-6任一所述的一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量方法,其特征在于:在所述步骤6中,马赫-曾德尔调制器的相对频率响应是以fsr处的响应作为参考进行归一化计算。
8.根据权利要求2-6任一所述的一种马赫-曾德尔调制器相对频率响应的测量方法,其特征在于:激光器(1)采用任意能输出直流光的结构。
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CN113933586A (zh) * 2021-09-29 2022-01-14 重庆邮电大学 一种光电探测器的频率响应测试装置及方法

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Title
YUJIA ZHANG: "Frequency response measurement of Mach-Zehnder modulators utilizing double carrier based on low frequency detection", 《SPIE/COS PHOTONICS ASIA》, pages 1 - 3 *
张尚剑;王梦珂;张雅丽;张旨遥;刘永;: "基于移频外差的高速光电子器件自校准高频分析", 应用科学学报, no. 04 *

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