CN207780105U - 一种电光调制器的半波电压测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电光调制器的半波电压测量装置，该测量装置包括激光器、可调信号源、电光调制器、光纤延时线、光电探测器、移相器、可调放大器和窄带滤波器；激光器连接至电光调制器的光输入端，光调制器的光输出端通过光纤延时线与光电探测器的光输入端电连接，光电探测器的电输出端与移相器的输入端电连接，移相器的输出端与可调放大器的输入端电连接，可调放大器的输出端与窄带滤波器的输入端电连接，电光调制器的电输入端通过转换开关与可调信号源或窄带滤波器的输出端择一电连接。本实用新型解决了传统的交流半波电压的测量方案复杂、不仅需要不同的外置频率源还需要对不同频点的测量进行校准的问题。

Description

一种电光调制器的半波电压测量装置

技术领域

本实用新型涉及光通信及光学信息处理技术领域，尤其指一种电光调制器的半波电压测量装置。

背景技术

电光调制器(Opto-electronic Intensity Modulator，OEIM)是一种将电信号调制到光载波幅度的器件，它在传感、通信、遥感遥测、精确测量等领域得到广泛应用，“半波电压”作为表征电光调制器性能的核心指标，其大小等于使电光调制器两臂产生180°相位差的电压值，且该值会随着工作频率的不同而变化，精确测量电光调制器在不同工作频率时对应的半波电压值是当前科学研究与工程应用的热点。

电光调制器的半波电压分为直流半波电压和交流半波电压，其中直流半波电压值的大小，可通过改变电光调制器的偏置电压进而测量电光调制器输出光功率的大小来确定；而对于交流半波电压值的大小，传统的测量方法可分为光域测量法与电域测量法，光域测量法受限于光谱仪的分辨率，使得测量带宽受限且精度不高；电域测量法是通过构建微波光链路(Microwave Photonic Link，MPL)，基于电光调制器的非线性来分析输入-输出信号特征得出半波电压值，一方面对于不同的测量频率需要不同的外置频率源，另一方面微波光链路对不同工作频率的响应互异性导致对于不同频点的测量均要进行校准，增加了测量过程的复杂性。

实用新型内容

本实用新型提供的一种电光调制器的半波电压测量装置，解决了传统的交流半波电压的测量方法复杂、不仅需要不同的外置频率源还需要对不同频点的测量进行校准的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种电光调制器的半波电压测量装置，包括激光器、可调信号源、电光调制器、光纤延时线、光电探测器、移相器、可调放大器和窄带滤波器；所述激光器连接至电光调制器的光输入端，所述电光调制器的光输出端通过光纤延时线与光电探测器的光输入端电连接，所述光电探测器的电输出端与移相器的输入端电连接，所述移相器的输出端与可调放大器的输入端电连接，所述可调放大器的输出端与窄带滤波器的输入端电连接，所述电光调制器的电输入端通过转换开关与可调信号源或窄带滤波器的输出端择一电连接。

进一步地，所述可调放大器包括低噪声放大器、可调衰减器和功率放大器，所述低噪声放大器的输入端与移相器的输出端电连接，所述低噪声放大器的输出端与可调衰减器的输入端电连接，所述可调衰减器的输出端与功率放大器的输入端电连接，所述功率放大器的输出端与窄带滤波器的输入端电连接。

更进一步地，所述转换开关包括负载接线端c、第一挡接线端a 和第二挡接线端b，所述负载接线端c与电光调制器的电输入端电连接，所述第一挡接线端a与可调信号源电连接，所述第二挡接线端b 与窄带滤波器的输出端电连接。

更进一步地，所述激光器采用型号为EM650-193500-100-PM900-FCA-NA 的DFB激光器。

更进一步地，所述电光调制器采用型号为IM-1550-20-PM的马赫增德尔调制器。

更进一步地，所述光电探测器采用型号为PD-30的光电探测器。

优选地，所述可调信号源采用网络分析仪，将所述网络分析仪的内置源作为TSS信号输入电光调制器中。

本实用新型提供的一种电光调制器的半波电压测量装置，利用微波光链路的“开环”与“闭环”特性来对电光调制器的半波电压进行测量，当微波光链路“开环”时，可通过电光调制器的直流特性测出电光调制器的直流半波电压；当微波光链路“开环”时，通过调节电光调制器的直流偏置电压，让电光调制器处于正交工作状态，再使微波光链路“闭环”，通过“闭环”的振荡特性即可求出交流半波电压。该测量装置在测量电光调制器的交流半波电压时，不需要外置不同的微波源，而且系统不需要在不同频率进行校准，与传统的测量方案相比，该测量装置可使电光调制器的半波电压测量更加简单，且该测量装置的测量精度高，能够在工程实践中得到广泛应用，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为传统的IM-DD微波光链路的示意图；

图2为本实用新型中半波电压测量装置的结构示意图；

图3为使用本测量装置测量得到的振荡信号的频谱图；

图4为使用本测量装置测量得到的半波电压值与使用传统方案测量得到的半波电压值的对比图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本实用新型的限定。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解所述术语的具体含义。

如图1所示，传统的IM-DD微波光链路包括激光器、电光调制器、光纤延时线以及光电探测器，射频信号通过电光调制器对激光器输出的光载波实现强度调制后通过光纤延时线输送至光电探测器，最终还原成射频信号，在此微波光链路中，如果将输出端与输入端首尾相连，即构成了一个环形光电混合电路结构，根据巴克豪森定理，只要链路增益大于1，输入-输出信号对应的相位差为2π的整数倍时，便构成了正反馈振荡电路，能够产生自激振荡，即所谓的“光电振荡器”，本实用新型是基于光电振荡器的振荡信号功率来对电光调制器的半波电压进行测量求解。

如图2所示，本实用新型的一种电光调制器的半波电压测量装置，包括激光器、可调信号源、电光调制器、光纤延时线、光电探测器、移相器、可调放大器和窄带滤波器；激光器连接至电光调制器的光输入端，光调制器的光输出端通过光纤延时线与光电探测器的光输入端电连接，光电探测器的电输出端与移相器的输入端电连接，移相器的输出端与可调放大器的输入端电连接，可调放大器的输出端与窄带滤波器的输入端电连接，电光调制器的电输入端通过转换开关与可调信号源或窄带滤波器的输出端择一电连接。

在上述测量装置中，激光器、可调信号源、电光调制器、光纤延时线、光电探测器组成一条典型的IM-DD微波光链路，由可调信号源发送射频信号给电光调制器，与传统的IM-DD微波光链路相比，上述测量装置增设了移相器、可调放大器和窄带滤波器，使用本测量装置时可通过移相器对线路中振荡信号的相位值进行调控，使各模式频点信号能在一个自由谱范围移动，便于后期测量中振荡信号的频率微调，而可调放大器可有效补偿微波光链路中由于电光或是光电转换、器件间的耦合与传输而产生的损耗，窄带滤波器则能进一步抑制链路噪声、对有用频谱进行选频，因此，在上述测量装置中，当可调信号源与电光调制器的电输入端电连接时，激光器、可调信号源、电光调制器、光纤延时线、光电探测器、移相器、可调放大器和窄带滤波器构建成一条链路增益大于1并能实现精确选频的微波光链路；而当窄带滤波器的输出端与电光调制器的电输入端电连接时，激光器、电光调制器、光纤延时线、光电探测器、移相器、可调放大器和窄带滤波器构建成一条环形光电混合电路结构(光电混合环路)，该环形光电混合电路结构只要满足巴克豪森条件即可产生振荡。

使用光电振荡器的振荡信号功率来对电光调制器的半波电压进行求解的原理如下：

光电振荡信号源于光电混合环路内的噪声，采用近似线性理论进行分析，设进入电光调制器的单频交流电压信号V_RF为：

V_RF＝V₀cosωt (1)

其中，V₀表示交流电压信号电压的峰值；t表示时间；ω表示交流电压信号角频率。该信号通过电光调制器对激光器的强度进行调制，然后在光电探测器末端还原成电信号，最后经放大、滤波后输出信号的表达式Vout为：

ρ表示光电探测器的响应度；R表示光电探测器输出端的匹配阻抗； G_A表示放大器的增益；P_in表示输入光载波功率；φ_Bias为电光调制器的直流偏置角，可表示为：

V_DC表示直流电压信号的电压；V_π表示半波电压；π为常数；φ₀为调制器两臂干涉叠加后产生的角度相位差；t表示时间。调节电光调制器的直流偏置电压，让调制器工作在正交工作点，即令 k为正整数，公式(2)简化为：

根据贝塞尔级数展开得：

其中，J_m(x)称为第一类贝塞尔函数，可表示为：

上式中，Γ(1)＝1，Γ(2)＝1，当n为正整数时Γ(n+1)＝n！。由上式可以看出，由于电光调制器的非线性，使得输出信号含其他频率成分。去除高阶成分、剩余基波，输出信号可表示为：

将公式(6)取k＝0与k＝1两项，代入公式(7)可得

根据正反馈振荡电路的基本原理，当且ωτ＝n·2π同时满足时，系统产生振荡，经过多次循环，系统的非线性对增益进行压缩，最终为1时系统达到稳定，形成稳定输出，即

振荡信号功率P_osc与信号幅度V₀的关系可表示为

P_osc＝V₀ ²/2R (10)

综合公式(9)与(10)，可得

考虑到实际电路中其它无源器件的引入，它们的插入损耗会带来MPL 的附加损耗，可在公式(11)中引入损耗因子α，故公式(11)可修正为

需要说明的是，α与ρ均为频率相关因子，所以对于不同的测量频率，都应进行修正，这也是采用传统方法测量的弊端所在。在本实用新型的测量装置中，固定输入光功率P_in，P_osc的大小仅取决于可调放大器的幅度增益G_A。改变G_A的大小，使之再次振荡可得到两次振荡功率 P_osc1与P_osc2对应的增益分别为G_A1与G_A2。可得

令k₂₁＝G_A2:G_A1，基于公式(13)可得：

由上式可知，只需要测量两次起振的功率与对应的可调放大器的电压增益，就能对电光调制器的半波电压进行测量，而不需要考虑α与ρ的取值，较传统测量方案而言，在降低测量的复杂性的同时提高了测量精度，当然，为了提高测量精度，可调整可调放大器的电压增益，让系统多次起振，对多次测量的V_π值取平均值。

基于上述数学理论，使用本实用新型的测量装置测量电光调制器的直流半波电压和交流半波电压的工作原理如下：

1、直流半波电压：将本测量装置的电光调制器的电输入端与可调信号源电连接，调节电光调制器的直流偏置电压，并相应地探测光电探测器末端的直流电流的大小，记录电流最小时所对应地偏置电压值及电流最大时所对应地偏置电压值，而该两偏置电压值的差值即为直流半波电压值；

2、交流半波电压：如图2所示，在本测量装置中设置三个射频功率探测点，分别为PP1、PP2、PP3，其中PP2与PP1探测点对应的功率比值即为可调放大器的幅度增益的平方G_A ²，而PP3探测点对应地功率即为振荡信号的功率P_OSC，先将本测量装置的电光调制器的电输入端与可调信号源电连接，构成微波光链路，通过调节电光调制器的直流偏置电压并测量微波光链路的增益来确定电光调制器的正交工作点，然后将本测量装置的电光调制器的电输入端与窄带滤波器的输出端电连接，构成光电混合环路，利用可调放大器来对微波信号的增益进行调节，直到产生振荡，记录多次振荡所测PP1-PP3的功率值，最后依据公式(14)求得交流半波电压。

进一步，可调放大器包括低噪声放大器、可调衰减器和功率放大器，低噪声放大器的输入端与移相器的输出端电连接，低噪声放大器的输出端与可调衰减器的输入端电连接，可调衰减器的输出端与功率放大器的输入端电连接，功率放大器的输出端与窄带滤波器的输入端电连接，通过调节可调衰减器可调节上述微波光链路和光电混合环路的增益。

更进一步地，转换开关包括负载接线端c、第一挡接线端a和第二挡接线端b，负载接线端c与电光调制器的电输入端电连接，第一挡接线端a与可调信号源电连接，第二挡接线端b与窄带滤波器的输出端电连接，当转换开关的第一挡接线端a与负载接线端c连接时，上述测量装置形成微波光链路，当转换开关的第二挡接线端b与负载接线端c连接时，上述测量装置形成光电混合环路。

在本测量装置的一个实施例中，采用EM4公司型号为 EM650-193500-100-PM900-FCA-NA的DFB激光器(最大输出功率可达到100mW)，Optilab公司型号为IM-1550-20-PM的马赫增德尔调制器 (3dB带宽为20GHz)，Optilab公司型号为PD-30的光电探测器(3dB 带宽为30GHz)，此外，其他非全频段器件根据工作频率选定，以国产为主，并采用网络分析仪(Rohde&Schwar ZNB20)的内置源作为 TSS信号，采用Rohde&Schwarz公司型号为FLS18的频谱仪来对微波信号的频谱进行测试，调节电压增益让该实施例中的环路产生自激振荡，测量的部分振荡信号频谱如图3所示，振荡信号功率为20.7、 23.8与24.7dBm对应的电压增益分别为12、16与20dB，代入公式(13) 求得半波电压V_π在10GHz的均值为6.2V。不仅如此，对待测电光调制器在DC-20GHz进行了测量，并对比了出厂标称数据(仅给出了DC、 10GHz与20GHz)与采用传统的测量方案“三阶截点技术(Third Order Intercept Technology，TOIT)”得出的测量数据进行了对比，如图 4所示，其中，黑色空心圆圈所示为使用传统方案所测数据，实心三角为使用本实用新型的测量装置所测数据，空心五角形为出厂标称数据，显然，三者所测的数据大体一致。

上述实施例为本实用新型较佳的实现方案，除此之外，本实用新型还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本实用新型的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本实用新型相对于现有技术的改进之处，本实用新型的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本实用新型的内容。

Claims (7)

1.一种电光调制器的半波电压测量装置，其特征在于：包括激光器、可调信号源、电光调制器、光纤延时线、光电探测器、移相器、可调放大器和窄带滤波器；所述激光器连接至电光调制器的光输入端，所述电光调制器的光输出端通过光纤延时线与光电探测器的光输入端电连接，所述光电探测器的电输出端与移相器的输入端电连接，所述移相器的输出端与可调放大器的输入端电连接，所述可调放大器的输出端与窄带滤波器的输入端电连接，所述电光调制器的电输入端通过转换开关与可调信号源或窄带滤波器的输出端择一电连接。

2.根据权利要求1所述的电光调制器的半波电压测量装置，其特征在于：所述可调放大器包括低噪声放大器、可调衰减器和功率放大器，所述低噪声放大器的输入端与移相器的输出端电连接，所述低噪声放大器的输出端与可调衰减器的输入端电连接，所述可调衰减器的输出端与功率放大器的输入端电连接，所述功率放大器的输出端与窄带滤波器的输入端电连接。

3.根据权利要求2所述的电光调制器的半波电压测量装置，其特征在于：所述转换开关包括负载接线端c、第一挡接线端a和第二挡接线端b，所述负载接线端c与电光调制器的电输入端电连接，所述第一挡接线端a与可调信号源电连接，所述第二挡接线端b与窄带滤波器的输出端电连接。

4.根据权利要求3所述的电光调制器的半波电压测量装置，其特征在于：所述激光器采用型号为EM650-193500-100-PM900-FCA-NA的DFB激光器。

5.根据权利要求4所述的电光调制器的半波电压测量装置，其特征在于：所述电光调制器采用型号为IM-1550-20-PM的马赫增德尔调制器。

6.根据权利要求5所述的电光调制器的半波电压测量装置，其特征在于：所述光电探测器采用型号为PD-30的光电探测器。

7.根据权利要求6所述的电光调制器的半波电压测量装置，其特征在于：所述可调信号源采用网络分析仪，将所述网络分析仪的内置源作为TSS信号输入电光调制器中。