CN1247976C - 马赫曾德尔型光调制器的半波长电压测定方法 - Google Patents

Abstract

提供一种可以精密、并且不依赖于光调制器的偏置变动的情况下测定马赫曾德尔型光调制器的半波长电压的方法及其装置。在将被测频率的高频AC信号(34)和检测用低频AC信号(35)叠加后向马赫曾德尔型光调制器(1)施加，或者将两者分别向另外分别构成的电极施加，通过观测光调制器的输出光的低速响应测定马赫曾德尔型光调制器的半波长电压的方法中，让该高频AC信号(34)的电压振幅可变，采用根据该检测用低频AC信号让输出光的强度变化大致为0时的该高频AC信号(34)的电压振幅，测定马赫曾德尔型光调制器(1)的被测频率中的半波长电压。

Description

马赫曾德尔型光调制器的半波长电压测定方法

技术领域

本发明涉及一种马赫曾德尔(Mach-Zehnder)型光调制器(以下简称MZ型光调制器)的半波长电压(也称为AC半波长电压)的测定方法及测定装置，特别涉及对在高速、大容量光纤通信中使用的、适合高频调制的MZ型光调制器的半波长电压进行测定的测定方法及测定装置。

背景技术

光调制器是在光通信中的发送部等中使用的主要元器件，特别是使用LiNbo₃(LN)制成的MZ型光调制器，由于具有高速、带宽、低啁愀等特征，在近年的高速大容量光通信中被广泛使用。

MZ型光调制器1，如图1所示，在具有光电效应的电路板上，由对光波进行波导的光波导路2、以及在上述光波上施加微波带域的高速调制信号的电极(图中未画出)等所构成。MZ型光调制器的工作原理是：从光波导路2的一端输入的光，在途中被分支后，由于通过按照从信号源施加的电信号的电压的大小改变折射率的电路板，在相互的光之间产生速度差，而在将分支后的光结合时，相互之间产生相位上的偏差，因此，合成后的输出光表示出与该电信号对应的强度变化。

图2表示相对于在MZ型光调制器1上施加的信号源3的输入电压(V)，输出光(I)变化的曲线图。一般，随着输入电压V的增加，输出光I在一定范围内呈正弦曲线振动。如图2所示，在输出光的最小值与最大值之间的输入电压幅度被称作半波长电压V_π，是在光通信中当用光调制器进行ON/OFF控制时，确定施加在光调制器上的电信号的电压值的重要数值。

即使是相同的光调制器，其半波长电压也随施加在光调制器上的电信号的频率变化。而且随着近年来光通信的高速、大容量化，光调制器的驱动频率也呈现高频化，对10GHZ及其以上频率也要求正确测定半波长电压。

作为半波长电压的测定方法，有如图3所示的直接观察输出光的测定方法(现有技术例1)、以及在美国专利第6,204,954号中所述的如图5所示的利用输出光的平均输出值的测定方法(现有技术例2)等。

在现有技术例1中，如图3所示，对MZ型光调制器1入射来自激光源4的光，同时在高频AC信号31上由BiasT33重叠来自偏置用的DC电源32偏置电压之后所产生的电压也被施加到MZ型光调制器上。于是，从MZ型光调制器1射出的光由高速光检波器检测，并且所检测的输出可以用采样示波器52进行观察。

现有技术例1的测定方法，当MZ型光调制器1的输入电压V和输出光I之间的关系(V-I特性)如图4所示曲线时，如果在具有峰—峰电压振幅值V_p-p的高频AC信号上叠加偏置电压V_B，并对MZ型光调制器1施加如曲线B所示的输入电压，则输出光就变成如曲线C所示那样，此曲线C的波形可以用采样示波器52直接观察。

而且，一边进行直接观察，一边让曲线C的峰-峰振幅成为最大那样，调整V_p-p和V_B的电压值，通过测定最大时的V_p-p，求出MZ型光调制器1的半波长电压V_π(V_π＝V_p-p)。

但是，在现有技术例1的测定方法中，当高频超过10GHZ时、因高速光检波器51等感光系的频率特性的问题，要正确观察到光波形(图4的曲线C)是困难的。因此无法精确测定半波长电压。

另一方面，在现有技术例2中，如图5所示，对于激光通过的MZ型光调制器1，施加由BiasT33在高频AC信号31上叠加来自DC电源32的偏置电压后的电压。于是，MZ型光调制器1射出的光被光耦合器53分支，一部分光进入光功率计54内，其它光被光检波器检测，所检测的输出被导入频谱分析仪56。

现有技术例2的测定方法，当MZ型光调制器1的输入电压V和输出光I之间的关系(V-I特性)如图6所示曲线A时，调节偏置电压V_B，让其成为表示V-I特性曲线A的峰值的输入电压(偏置点调整)，分别测定在偏置电压V_B上叠加具有峰—峰电压振幅值V_p-p的高频AC信号时(曲线B1)的输出光的平均输出值(曲线C1)、不附加高频AC信号时(只有偏置电压V_B。曲线B2)的输出光值(曲线C2)、以及高频AC信号的V_p-p。然后，利用V-I特性成为正弦函数的事实，就能求出MZ型光调制器的半波长电压V_π。

在现有技术例2的测定方法中，虽然在高频可以精确测定半波长电压，但需要调节MZ型光调制器的偏置点，当出现偏置点变动引起输出光不稳定时，就难以准确测定半波长电压。并且由于用于半波长电压计算时的参数很多，计算变得繁杂。

发明内容

本发明解决了上述问题，其目的在于提供一种在MZ型光调制器的半波长电压的测定中，即使在高频也能精确进行测定，不依赖于该光调制器偏置点的变动，而且在计算中使用的参数也比较简洁的测定方法及装置。

为解决上述课题，有关本发明之一的马赫曾德尔型光调制器的半波长电压测定方法，是在将被测频率的高频AC信号与检测用低频AC信号叠加后施加在马赫曾德尔型光调制器上，或者分别将两者施加在分别构成的电极上，通过观测该光调制器的输出光的低速响应来测定马赫曾德尔型光调制器的半波长电压的方法中，让该高频AC信号的电压振幅可变，采用根据该检测用低频AC信号让输出光强度变化大致为零时的该高频AC信号的电压振幅，测定马赫曾德尔型光调制器的被测频率中的半波长电压。

有关本发明之二的马赫曾德尔型光调制器的半波长电压测定方法，是在本发明之一的马赫曾德尔型光调制器的半波长电压测定方法中，根据该检测用低频AC信号让输出光强度变化大致为零时的该高频AC信号的电压振幅的峰—峰电压振幅值V_p-p、和马赫曾德尔型光调制器的半波长电压V_π之间的关系，满足

式J₀(πV_p-p/(2V_π))＝0(J₀是0次贝塞耳函数)的关系。

有关本发明之三的马赫曾德尔型光调制器的半波长电压测定方法，是在本发明之一的马赫曾德尔型光调制器的半波长电压测定方法中，采用根据该检测用低频AC信号让输出光强度变化大致为零时的该高频AC信号的电压振幅，假定其峰—峰电压振幅值为最小时的值是V_p-pmin时、马赫曾德尔型光调制器的半波长电压V_π满足

式(πV_p-pmin/(2V_π))＝2.405的关系。

本发明之四的马赫曾德尔型光调制器的半波长电压测定装置，采用本发明之一至之三中任一项所述的马赫曾德尔型光调制器的半波长电压测定方法，可以测定马赫曾德尔型光调制器的半波长电压。

附图说明

图1表示MZ型光调制器的概略图。

图2表示MZ型光调制器的V-I特性曲线。

图3表示现有技术例1测定方法的概略图。

图4表示用现有技术例1的测定方法得到的V-I特性等关系的曲线。

图5表示现有技术例2的测定方法的概略图。

图6表示用现有技术例2的测定方法得到的V-I特性等关系的曲线。

图7表示本发明的测定方法的概略图。

图8表示根据本发明的测定方法输出光的低速响应状态的变化曲线。

图9表示本发明的实验例的概略图。

图10表示利用本发明的测定结果时的MZ型光调制器光电响应特性的曲线。

具体实施方式

以下，采用优选实施例对本发明进行详细说明，但本发明的范围并不限定于该优选实施例。

在本发明中，如图7所示，将已被测定频率的高频AC信号34与检测用低频AC信号35叠加并施加在MZ型光调制器1上，或者如图9所示，将两者分别施加在分别构成的电极(具体指RF用信号电极和偏置端口用接地电极)上，用光检波器57和示波器58观测到光调制器输出光的低速响应(对应低频AC信号35的变化)，对照观察的波形，调整高频AC信号34的电压振幅，就能测定MZ型光调制器1的半波长电压。

依据本发明，不需要进行在有关MZ型光调制器的测定中成为问题的偏置点的调整、控制，并且能非常简单、精确地测定半波长电压。

对本发明的测定原理进行说明。

假定1表示高频AC信号34的相位变化，2表示低频AC信号35的相位变化，MZ型光调制器1的输出光可用式1表示。式中，I₀是输出光的最大值，Vp-p是高频AC信号34的峰—峰电压振幅值，f是被测频率的高频AC信号34的频率。V_π是被测频率f的MZ型光调制器1的半波长电压。

$I=\frac{I_0}{2}[1+\cos ({\mathrm{\Φ}}_1+{\mathrm{\Φ}}_2)]$

${\mathrm{\Φ}}_1=\frac{\mathrm{\π}{V}_{p-p}}{2V_{\mathrm{\π}}}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\·\·\·\left(1\right)$

其次，式1中输出光I对应的低速响应I′，相当于对高频AC信号(频率f)取时间平均，可用式2表示。

$I^{\′}=f{\∫}_0^{1-f}\frac{I_0}{2}[1+\cos ({\mathrm{\Φ}}_1+{\mathrm{\Φ}}_2)]\mathrm{dt}$

$=f{\∫}_0^{1-f}\frac{I_0}{2}[1+\cos {\mathrm{\Φ}}_1\cos {\mathrm{\Φ}}_2-\sin {\mathrm{\Φ}}_1\sin {\mathrm{\Φ}}_2]\mathrm{dt}\·\·\·\left(2\right)$

进一步，对式2进行级数展开并整理后，得到式(3)。

$I^{\′}=f{\∫}_0^{1/f}\frac{I_0}{2}[1+\cos \{\frac{\mathrm{\π}{V}_{p-p}}{2V_{\mathrm{\π}}}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\}\cos {\mathrm{\Φ}}_2-\sin \{\frac{\mathrm{\π}{V}_{p-p}}{2V_{\mathrm{\π}}}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\left\}\sin {\mathrm{\Φ}}_2\right]\mathrm{dt}$

$=f{\∫}_0^{1/f}\frac{I_0}{2}[1+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_n\cos (2n\·2\mathrm{\πft})J_{2n}\{\frac{\mathrm{\π}{V}_{p-p}}{2V_{\mathrm{\π}}}\}\cos {\mathrm{\Φ}}_2$

$-\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_n\sin \left\{(2n+1)2\mathrm{\πft}\right\}{J}_{2n+1}\left\{\frac{\mathrm{\π}{V}_{p-p}}{2V_{\mathrm{\π}}}\right\}\sin {\mathrm{\Φ}}_2]\mathrm{dt}$

$=\frac{I_0}{2}[1+J_0\{\frac{\mathrm{\π}{V}_{p-p}}{2V_{\mathrm{\π}}}\left\}\cos {\mathrm{\Φ}}_2\right]\·\·\·\left(3\right)$

式中 ${\mathrm{\ϵ}}_n=\left\{\begin{array}{c}1\·\·\·n=0\\ 2\·\·\·n\≠0\end{array}\right.$

式3表明，MZ型光调制器的输出光的低速响应I′可用常数项、0次的贝塞耳函数和余弦函数之积表示。在此，贝塞耳函数表示的值随高频AC信号34而输出变化。余弦函数表示的值随低频AC信号35而输出变化。

当输入让贝塞耳函数项为0的电压V_p-p的高频AC信号34时，式3的第2项为0，无论低频AC信号35是否输入，输出光的低速响应I′都是I₀/2，成为恒定输出。此状态如图8(b)所示。

即，当加在MZ型光调制器1上的高频AC信号34的电压振幅连续变化时，MZ型光调制器1的输出光的低速响应可在示波器58上观测，如图8(a)所示由于低频AC信号的影响，输出光的变动状况如图8(b)所示当输出光为恒定时，通过测定输入到MZ型光调制器1上的高频AC信号34的电压V_p-p，就能算出被测频率f对应的半波长电压V_π。

输出光的低速响应I′为恒定时V_p-p和V_π的关系，可以根据式3的贝塞尔函数项为0的条件

J₀(πV_p-p/(2V_π))＝0(J₀是0次的贝塞尔函数)所导出。

但是，因为使0次贝塞尔函数为0的条件有多个，通常所需要的信号电压为最小，根据最初输出光为最小的峰—峰电压振幅值V_p-pmin，利用关系式πV_p-pmin/(2V_π)＝2.405，可以计算出半波长电压V_π。

有关本发明的的实验例，如图9、图10所示。

激光源发射的1.55μm的激光，通过偏振波调节器42后，调整偏振波状态，入射到MZ型的LN光调制器11。

被测频率f的高频AC信号和检测器用低频AC信号叠加后输入到LN光调制器11。对于高频AC信号的输入，从高频信号发生器34-1输出的高频微波由高频放大器34-2可改变电压振幅，并输入到LN光调制器11的高频用(RF)端口。同时，对于低频AC信号的输入，从低频信号发生器35-1输出的1kHz正弦波输入到LN光调制器11的偏置(BIAS)端口。通过将低频AC信号的振幅电压设定为半波长电压的2倍以上，始终可以得到输出光的最大振幅，便于观测，使测定更加精确。

LN光调制器11的输出光用光检波器57检测，在示波器58中观测检测信号。

本实验的测定结果是：对应1GHz、5GHz、10GHz的检测频率，其半波长电压分别为4.9V、5.7V、6.4V。

图10表示将利用该测定结果时的LN光调制器11的光电响应特性、和用光构成分析仪得到的LN光调制器11的光电响应特性的测定结果进行比较的结果。比较结果显示，两者非常一致。本发明的测定方法与以往相比，尽管大幅度简化了测定，也可以准确捕捉LN光调制器11的特性，这可以说本发明的测定精度非常优异。

此外，本发明的测定方法和装置也可实现自动化。比如高频AC信号的电压振幅V_p-p能从0开始自动增加，输出光的低速响应I′的变动幅度在规定值以内(规定值接近0时可得到更正确的测定结果，因测定误差等因素的影响要正好为0存在困难，因此应根据测定结果的用途，希望设定进行有效测定的值)时的V_p-p值被记录，利用该值由另外设置的运算装置计算半波长电压V_π。然后，一边依次变更被测频率，一边反复进行同样的测定方法，可以测定任意频率范围的半波长电压。

根据本发明，利用检测用低频AC信号测定输出光强度变化大致为0时的高频AC信号的电压振幅最小值V_p-pmin，只要代入式πV_p-pmim/(2V_π)＝2.405，就能简单地测定MZ型光调制器的半波长电压V_π。

并且，即使被测频率是高频，因没有必要直接观测高频波形，所以能够进行精确测量，同时由于是不依存偏置点的测定方法，因此，不需要进行偏置点的调整，也不会受到光调制器偏置点变动的影响

进一步，半波长电压V_π的计算只要用到参数V_p-pmin等，就可以提供非常有效的马赫曾德尔型光调制器的半波长电压测定方法及其装置。

Claims (3)

1.一种马赫曾德尔型光调制器的半波长电压测定方法，在将被测频率的高频AC信号与检测用低频AC信号叠加后施加在马赫曾德尔型光调制器上，或者分别将两者施加在分别构成的电极上，通过观测该光调制器的输出光的低速响应来测定马赫曾德尔型光调制器的半波长电压的方法中，其特征在于：

让该高频AC信号的电压振幅可变，采用根据该检测用低频AC信号让输出光强度变化大致为零时的该高频AC信号的电压振幅，测定马赫曾德尔型光调制器的被测频率中的半波长电压。

2.根据权利要求1所述的马赫曾德尔型光调制器的半波长电压测定方法，其特征在于：根据该检测用低频AC信号让输出光强度变化大致为零时的该高频AC信号的电压振幅的峰-峰电压振幅值V_p-p、和马赫曾德尔型光调制器的半波长电压V_π之间的关系，满足

式J₀(πV_p-p/(2V_π))＝0

的关系，其中J₀是0次贝塞耳函数。

3.根据权利要求1所述的马赫曾德尔型光调制器的半波长电压测定方法，其特征在于：采用根据该检测用低频AC信号让输出光强度变化大致为零时的该高频AC信号的电压振幅，假定其峰-峰电压振幅值为最小时的值是V_p-pmin时、马赫曾德尔型光调制器的半波长电压V_π满足

式(πV_p-pmin/(2V_π))＝2.405的关系。

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