CN115664512A - 一种电光调制器频响参数测试方法 - Google Patents

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CN115664512A CN202211290604.5A CN202211290604A CN115664512A CN 115664512 A CN115664512 A CN 115664512A CN 202211290604 A CN202211290604 A CN 202211290604A CN 115664512 A CN115664512 A CN 115664512A
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张尚剑
徐映
张雅丽
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Abstract

本发明公开了一种电光调制器频响参数测试方法，将激光器输出的直流光信号通过光分路器分为两路，一路经过待测电光调制器，另一路经过移频器，两路光信号通过光合路器送入光电探测器；信号源与待测电光调制器电连接，光电探测器与频谱分析模块电连接；控制及数据处理模块分别与信号源、频谱分析模块进行数据连接。本发明提供了一种电光调制器频响参数测试方法，利用控制及数据处理模块设置信号源输出正弦信号频率和幅度，并控制频谱分析模块测量移频频率处的信号幅度，通过分析计算可获得电光强度调制器或电光相位调制器的频响参数。

Description

一种电光调制器频响参数测试方法
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，具体是一种电光调制器频响参数测试方法。
背景技术
电光调制器作为光纤通信系统与微波光子系统中的基础核心器件，承载着将微波信号加载到光波信号的作用，因此，其频率响应决定了系统的工作速率及工作带宽。电光调制器频率响应参数主要包括调制系数、半波电压以及响应带宽，其中调制系数与半波电压是电光调制器的绝对频率响应参数，表征其调制效率，响应带宽作为电光调制器的相对频率响应参数，其表征着电光调制器的工作频率范围以及工作速率。电光调制器的相对频率响应可以通过绝对频率响应参数获得，而只知道相对频率响应则无法直接获取到如半波电压、调制系数等绝对频响参数。
目前，同时适用于电光相位调制器与电光强度调制器的测试方法主要有光谱分析法和外差谱映射法。其中光谱分析法主要通过分析光载波与边带的幅值之比来提取调制器的调制系数，再根据调制器的驱动功率计算获得半波电压，该方法主要受限于光谱仪的分辨率，如：商用光栅光谱仪其分辨率极限在2.5GHz(0.02nm@1550nm)，这极大地限制了光谱分析法在低频段的测试。外差谱映射法利用移频外差探测结构将调制器输出调制光谱映射到具有高频谱分辨能力的电谱进行测试，通过配置三个微波信号的频率关系，并分析光电探测器输出的特定频率关系的信号，以极高的频率分辨率对电光调制器的调制系数和半波电压进行测试，但由于该方法使用了三个微波信号源(一个频率范围覆盖测量范围的微波源、一个频率范围至少覆盖测量范围一半的微波源、一个低频微波源)，因此成本较高。
尽管目前针对电光相位调制器和电光强度调制器的频率响应参数测试已经提出了许多方法，但同时满足电光相位调制器和电光强度调制器的频率响应参数测试的方法却很少。与此同时，具有低成本、宽带、高分辨率、自校准、低频检测的测试方法也期待被研究开发。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种同时适用于电光强度调制器与电光相位调制器的测试方法，具有低成本、宽带、高分辨率、自校准、低频检测的特征。
一种电光调制器频响参数测试方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：激光器输出的直流光信号通过光分路器分为两路，一路经过待测电光调制器被信号源输出的正弦信号调制形成调制光信号，另一路经过移频量为fs的移频器后形成移频光信号，上下两路光信号通过光合路器形成合路光信号，再送入光电探测器进行光电转换产生拍频电信号，利用频谱分析模块测量拍频电信号的幅度，该拍频电信号的幅度具有如下形式：
Figure BDA0003901192210000021
步骤2：利用控制及数据处理模块设置直流源，使待测电光调制器偏置相位工作在
Figure BDA0003901192210000022
n＝0,1,2,3,…；设置信号源输出频率为fm、幅度为V1的正弦信号加载到待测电光调制器，利用频谱分析模块测量光电探测器输出频率为fs的拍频电信号的幅度，记为
Figure BDA0003901192210000023
步骤3：保持步骤2中电源设置，利用控制及数据处理模块设置信号源输出频率为fm、幅度为V2的正弦信号加载到待测电光调制器，利用频谱分析模块测量光电探测器输出频率为fs的拍频电信号的幅度，记为
Figure BDA0003901192210000024
步骤4：利用控制及数据处理模块设置直流源，使待测电光调制器偏置相位工作在
Figure BDA0003901192210000025
n＝0,1,2,3,…；设置信号源输出频率为fm、幅度为V1的正弦信号加载到待测电光调制器，利用频谱分析模块测量光电探测器输出频率为fs的拍频电信号的幅度，记为
Figure BDA0003901192210000026
步骤5：保持步骤4中电源设置，利用控制及数据处理模块设置信号源输出频率为fm、幅度为V2的正弦信号加载到待测电光调制器，利用频谱分析模块测量光电探测器输出频率为fs的拍频电信号的幅度，记为
Figure BDA0003901192210000027
步骤6：利用控制及数据处理模块设置直流源，使待测电光调制器偏置相位工作在
Figure BDA0003901192210000028
设置信号源输出频率为fm、幅度为V1的正弦信号加载到待测电光调制器，利用频谱分析模块测量光电探测器输出频率为fs的拍频电信号的幅度，记为
Figure BDA0003901192210000029
步骤7：保持步骤6中电源设置，利用控制及数据处理模块设置信号源输出频率为fm、幅度为V2的正弦信号加载到待测电光调制器，利用频谱分析模块测量光电探测器输出频率为fs的拍频电信号的幅度，记为
Figure BDA00039011922100000210
步骤8：利用步骤2、3、4、5、6、7中测得的数据，按照如下公式进行计算，可以分别获得待测电光调制器在调制频率为fm的调制系数mu1(fm)、mu2(fm)和ml1(fm)、ml2(fm)：
Figure BDA0003901192210000031
Figure BDA0003901192210000032
Figure BDA0003901192210000033
其中，J0(·)为0阶第一类贝塞尔函数；
步骤9：利用步骤2、3、4、5、6、7的信号源输出正弦信号的幅度V1、V2和步骤8中获得的待测电光调制器在调制频率fm处的调制系数mu1(fm)、mu2(fm)和ml1(fm)、ml2(fm)，按照如下公式可以计算得到待测电光调制器在调制频率fm处的半波电压Vπ,u(fm)和Vπ,l(fm)：
Figure BDA0003901192210000034
或
Figure BDA0003901192210000035
Figure BDA0003901192210000036
或
Figure BDA0003901192210000037
步骤10：利用控制及数据处理模块设置信号源输出正弦信号的频率fm，重复步骤2、3、4、5、6、7、8、9可得到待测电光调制器在不同调制频率fm处的调制系数mu(fm)和ml(fm)与半波电压Vπ,u(fm)和Vπ,l(fm)，即该电光调制器的频响参数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、本发明采用一个高频微波源实现电光调制器半波电压和调制系数的测试，极大地降低了测试成本。
二、本发明适用于电光相位调制器、电光强度调制器频响参数的测试。
三、本发明通过低频检测，消除光电探测器频率影响，降低光电探测器和频谱分析模块的带宽要求，实现宽带、自校准的测试。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。
图2为双平行电光强度调制器结构示意图。
1—子调制器1，2—子调制器2，3—主调制器。
图3为双平行电光强度调制器演化为其它类型电光调制器的示意图。
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，利用激光器输出一束直流光信号，经过光分路器分为上下两路，其中一路进入到待测电光调制器被信号源输出的正弦信号调制并产生相位调制或强度调制的调制光信号，另一路经过移频量为fs的移频器产生移频光信号；两路光信号经过光合路器形成合路光信号，再进入光电探测器进行光电转换产生拍频电信号，利用频谱分析模块测量拍频电信号中频率为fs的信号幅度；通过控制及数据处理模块设置信号源输出频率为fm、幅度为V1的正弦信号，利用频谱分析模块测量拍频电信号中频率为fs的拍频电信号的幅度；通过控制及数据处理模块设置信号源输出频率为fm、幅度为V2的正弦信号，利用频谱分析模块测量拍频电信号中频率为fs的拍频电信号的幅度；通过分析计算获得待测电光调制器的调制系数和半波电压。
为了更好地解释本技术发明方案，下面以如图2所示的双平行电光强度调制器为例，对本发明的测量原理进行简要介绍。
调制光信号和移频光信号合路后的光场表示为：
Figure BDA0003901192210000041
其中，E0和f0分别为直流光信号的幅度和频率；γh和ψh为上下两路的分光比和相位差；γ1、γ2、γ3为双平行电光强度调制器内子调制器1、子调制器2、母调制器3的分光比；
Figure BDA0003901192210000044
Figure BDA0003901192210000045
为双平行电光强度调制器内由Vb1、Vb2、Vb3控制的子调制器1、子调制器2、主调制器3的偏置相位；mu和ml分别对应子调制器1上下两臂的调制系数，表示为
Figure BDA0003901192210000042
合路光信号进入到光电探测器进行光电转换后产生拍频电信号，通过Jacobi-Anger展开为：
Figure BDA0003901192210000043
其中，R为光电探测器频率响应度，Jn(·)为n阶第一类贝塞尔函数。从公式(3)可以看出，光电探测器输出拍频电信号中，频率为fs的频率成分幅度为
Figure BDA0003901192210000051
设置直流源输出电压Vb1、Vb2、Vb3，使双平行电光强度调制器偏置相位分别为
Figure BDA0003901192210000052
在上述三种偏置条件下设置信号源输出正弦信号幅度分别为V1、V2，对频率成分fs的幅度进行分析得到双平行电光强度调制器中子调制器1上下两臂调制系数存在如下关系：
Figure BDA0003901192210000053
式中，mu,1(fm)、mu,2(fm)和ml,1(fm)、ml,2(fm)分别为双平行电光强度调制器中子调制器1在驱动幅度为V1、V2时上下两臂的调制系数。
根据公式(5)中的关系式可以求解出双平行电光强度调制器中子调制器1在调制频率fm、驱动幅度为V1、V2处的调制系数mu,1(fm)、mu,2(fm)和ml,1(fm)、ml,2(fm)，根据公式(2)计算得到双平行电光强度调制器中子调制器1在调制频率为fm处的半波电压Vπ,u和Vπ,l，通过控制及数据处理模块设置信号源输出正弦信号的频率，重复上述步骤，获得双平行电光强度调制器中子调制器1的频响参数曲线：调制系数与半波电压随频率变化的曲线；将信号源输出信号切换至双平行电光强度调制器中子调制器2，重复以上步骤，可获得双平行电光强度调制器中子调制器2的频响参数曲线：调制系数与半波电压随频率变化的曲线。
如图3所示，当γ1＝γ2＝0时，双平行电光强度调制器演化为单驱或双驱电光强度调制器，公式(5)简化为：
Figure BDA0003901192210000054
Figure BDA0003901192210000055
当γ2＝γ3＝0时，双平行电光强度调制器演化为推挽电光强度调制器，公式(5)简化为：
Figure BDA0003901192210000061
Figure BDA0003901192210000062
Figure BDA0003901192210000063
当γ1＝γ2＝γ3＝0时，双平行电光强度调制器演化为电光相位调制器，公式(5)简化为：
Figure BDA0003901192210000064
实施例一
本发明测试装置框图如图1所示。激光器输出频率f0＝193.1THz的直流光信号被光分路器分为两路，一路送入到待测电光相位调制器中，被信号源输出频率fm＝10GHz的正弦信号调制产生调制光信号，另一路被送入移频量fs＝80MHz的移频器中产生移频光信号；两路光信号经过光合路器形成合路光信号，再进入光电探测器进行光电转换，产生的光电流信号进入频谱分析模块被记录和分析。
利用控制及数据处理模块设置信号源输出正弦信号幅度V1＝1.00V，控制频谱分析模块测量光电流信号中80MHz(fs)的幅度A(fs；m1(fm))＝496.59mV；利用控制及数据处理模块设置信号源输出正弦信号幅度V2＝2.00V，控制频谱分析模块测量光电流信号中80MHz(fs)的幅度A(fs；m2(fm))＝359.03mV；通过公式(7)计算获得调制系数m1＝0.564、m2＝1.154；再利用公式(2)计算得到待测电光相位调制器在10GHz处的半波电压Vπ＝5.47V。
实施例二
本发明测试装置框图如图1所示。激光器输出频率f0＝193.1THz的直流光信号被光分路器分为两路，一路送入到待测推挽电光强度调制器中，被信号源输出频率fm＝10GHz的正弦信号调制产生调制光信号，另一路被送入移频量fs＝80MHz的移频器中产生移频光信号；两路光信号经过光合路器形成合路光信号，再进入光电探测器进行光电转换，产生的光电流信号进入频谱分析模块被记录和分析。
调节待测推挽电光强度调制器偏置电压，使待测推挽电光强度调制器工作在最大传输点，即φb＝0，利用控制及数据处理模块设置信号源输出正弦信号幅度V1＝1.00V，控制频谱分析模块测量光电流信号中80MHz(fs)的幅度
Figure BDA0003901192210000065
利用控制及数据处理模块设置信号源输出正弦信号幅度V2＝1.80V，控制频谱分析模块测量光电流信号中80MHz(fs)的幅度
Figure BDA0003901192210000071
调节待测推挽电光强度调制器偏置电压，使待测推挽电光强度调制器工作在最小传输点，即
Figure BDA0003901192210000072
利用控制及数据处理模块设置信号源输出正弦信号幅度V1＝1.00V，控制频谱分析模块测量光电流信号中80MHz(fs)的幅度
Figure BDA0003901192210000073
利用控制及数据处理模块设置信号源输出正弦信号幅度V2＝1.80V，控制频谱分析模块测量光电流信号中80MHz(fs)的幅度
Figure BDA0003901192210000074
通过公式(6)计算获得调制系数mu,1＝0.255、mu,2＝0.458、ml,1＝0.261、ml,2＝0.469；再利用公式(2)计算得到待测推挽电光强度在10GHz处的上臂半波电压Vπ,u＝12.34V，下臂半波电压Vπ,l＝12.05V。

Claims (5)

1.一种电光调制器频响参数测试方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：激光器输出的直流光信号通过光分路器分为两路，一路经过待测电光调制器被信号源输出的正弦信号调制形成调制光信号，另一路经过移频量为fs的移频器后形成移频光信号，上下两路光信号通过光合路器形成合路光信号，再送入光电探测器进行光电转换产生拍频电信号，利用频谱分析模块测量拍频电信号的幅度，该拍频电信号的幅度具有如下形式：
Figure FDA0003901192200000011
步骤2：利用控制及数据处理模块设置直流源，使待测电光调制器偏置相位工作在
Figure FDA0003901192200000012
设置信号源输出频率为fm、幅度为V1的正弦信号加载到待测电光调制器，利用频谱分析模块测量光电探测器输出频率为fs的拍频电信号的幅度，记为
Figure FDA0003901192200000013
步骤3：保持步骤2中电源设置，利用控制及数据处理模块设置信号源输出频率为fm、幅度为V2的正弦信号加载到待测电光调制器，利用频谱分析模块测量光电探测器输出频率为fs的拍频电信号的幅度，记为
Figure FDA0003901192200000014
步骤4：利用控制及数据处理模块设置直流源，使待测电光调制器偏置相位工作在
Figure FDA0003901192200000015
设置信号源输出频率为fm、幅度为V1的正弦信号加载到待测电光调制器，利用频谱分析模块测量光电探测器输出频率为fs的拍频电信号的幅度，记为
Figure FDA0003901192200000016
步骤5：保持步骤4中电源设置，利用控制及数据处理模块设置信号源输出频率为fm、幅度为V2的正弦信号加载到待测电光调制器，利用频谱分析模块测量光电探测器输出频率为fs的拍频电信号的幅度，记为
Figure FDA00039011922000000111
步骤6：利用控制及数据处理模块设置直流源，使待测电光调制器偏置相位工作在
Figure FDA0003901192200000018
设置信号源输出频率为fm、幅度为V1的正弦信号加载到待测电光调制器，利用频谱分析模块测量光电探测器输出频率为fs的拍频电信号的幅度，记为
Figure FDA00039011922000000110
步骤7：保持步骤6中电源设置，利用控制及数据处理模块设置信号源输出频率为fm、幅度为V2的正弦信号加载到待测电光调制器，利用频谱分析模块测量光电探测器输出频率为fs的拍频电信号的幅度，记为
Figure FDA0003901192200000019
步骤8：利用步骤2、3、4、5、6、7中测得的数据，按照如下公式进行计算，可以分别获得待测电光调制器在调制频率为fm的调制系数mu1(fm)、mu2(fm)和ml1(fm)、ml2(fm)：
Figure FDA0003901192200000021
Figure FDA0003901192200000022
Figure FDA0003901192200000023
其中，J0(·)为0阶第一类贝塞尔函数；
步骤9：利用步骤2、3、4、5、6、7的信号源输出正弦信号的幅度V1、V2和步骤8中获得的待测电光调制器在调制频率fm处的调制系数mu1(fm)、mu2(fm)和ml1(fm)、ml2(fm)，按照如下公式可以计算得到待测电光调制器在调制频率fm处的半波电压Vπ,u(fm)和Vπ,l(fm)：
Figure FDA0003901192200000024
或
Figure FDA0003901192200000025
Figure FDA0003901192200000026
或
Figure FDA0003901192200000027
步骤10：利用控制及数据处理模块设置信号源输出正弦信号的频率fm，重复步骤2、3、4、5、6、7、8、9可得到待测电光调制器在不同调制频率fm处的调制系数mu(fm)和ml(fm)与半波电压Vπ,u(fm)和Vπ,l(fm)，即该电光调制器的频响参数。
2.根据权利要求1所述的一种电光调制器频响参数测试方法，其特征在于：所述待测电光调制器包含电光强度调制器、电光相位调制器。
3.根据权利要求1所述的一种电光调制器频响参数测试方法，其特征在于：当γ1＝γ2＝0时，所述待测电光调制器为单驱或双驱电光强度调制器，步骤8中公式简化为
Figure FDA0003901192200000028
Figure FDA0003901192200000029
4.根据权利要求1所述的一种电光调制器频响参数测试方法，其特征在于：当γ2＝γ3＝0时，所述待测电光调制器为推挽电光强度调制器，步骤8中公式简化为
Figure FDA0003901192200000031
Figure FDA0003901192200000032
Figure FDA0003901192200000033
5.根据权利要求1所述的一种电光调制器频响参数测试方法，其特征在于：当γ1＝γ2＝γ3＝0时，所述待测电光调制器为电光相位调制器，步骤8中公式简化为
Figure FDA0003901192200000034
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