一种马赫-曾德尔调制器频率响应测试装置与方法

1.本发明属于光电子技术领域，更具体的是涉及一种马赫-曾德尔调制器频率响应的测试装置与方法。


背景技术：

2.马赫-曾德尔调制器作为最为典型的电光强度调制器，被广泛应用于光通信与微波光子系统中，精确测量其频率响应参数(如调制系数、半波电压)，在器件的应用与制造中都有着重要的指导意义。
3.光谱分析法作为测量马赫-曾德尔调制器频率响应一种最经典的方法(y.q.shi,l.s.yan and a.e.willner.high-speed electrooptic modulator characterization using optical spectrum analysis[j].journal of lightwave technology,2003,21(10):2358-2367.)，通过使马赫-曾德尔调制器偏置在特定状态下，利用光谱分析仪对载波和调制边带的光功率进行检测，对含有贝塞尔函数的方程进行求解，从而得到待测调制器的调制系数；但是该方法受限于商用光栅光谱分析仪的分辨本领，其分辨率仅有1.25ghz@1550nm。电谱分析法由于采用了电谱仪或微波网络分析仪在电域中进行测试(p.d.hale and d.f.williams.calibrated measurement of optoelectronic frequency response[j],ieee transactions on microwave theory and techniques,2003,51(4):1422-1429.)，所以该方法有着非常高的频率分辨率。利用该方法直接测试得到待测调制器和光电探测器级联的频率响应，但需要对光电探测器进行额外的测试以扣除掉光电探测器不平坦响应所带来的影响，且光电探测器的工作带宽要对测试的频率范围进行全覆盖。为了实现马赫-曾德尔调制器频率响应的自校准测试，且降低对光电探测器工作带宽的需求，研究人员提出了一种基于双音调制外差的测试方法(h.wang,s.zhang,x.zou,y.zhang,s.liu and y.liu.bias-independent and self-calibrated electrical method for microwave characterization of dual-parallel mach
–
zehnder modulators based on two-tone and bias-swing modulation[j],ieee transactions on microwave theory and techniques,2017,65(7):2636-2643.)，该方法通过分析低频外差谱中的两个低频分量，从而避免了对光电探测器不平坦响应的校准，测试结果不受偏置漂移的影响；但该方法需要配置双音信号的频率同步扫描，测试系统较为复杂。另外一种基于单音驱动和偏置调制的低频检测方法(y.xu,m.k.wang,y.t.he,c.y.gu,z.y.zhang,y.l.zhang,s.j.zhang,and y.liu.self-referenced electro-optic response measurement of dual-parallel mach-zehnder modulators employing single-tone level control and low-frequency bias swing[j],optics express,2022,30(8):12596-12604.)，与双音调制外差法相比该方法只需一个微波源，通过对固定低频分量进行检测，实现待测调制器的自校准测试。
[0004]
经过上述测试方案的发展，已基本形成了具有高分辨率、自校准测试、低频探测这几个优点的马赫-曾德尔调制器频率响应测试方案，但是，采用简单的测试装置，并通过单音驱动实现马赫-曾德尔调制器频率响应的自校准测试仍具有很大的发展空间。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于，提供一种马赫-曾德尔调制器频率响应的测试装置与方法，以实现简单、自校准测试、低频检测的目标。
[0006]
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
[0007]
一种马赫-曾德尔调制器频率响应的测试装置，包括低频光载波模块、待测马赫-曾德尔调制器、光电探测器、数据采集模块、低频信号源、射频信号源、控制与数据处理模块，所述低频调制光载波模块、待测马赫-曾德尔调制器、光电探测器依次进行光连接，低频信号源与低频调制光载波模块的射频驱动电极进行电连接，射频信号源与待测马赫-曾德尔调制器的射频驱动电极进行电连接，光电探测器的电输出端连接至数据采集模块，控制与数据处理模块与低频信号源、射频信号源与数据采集模块进行数据连接；低频调制光载波模块为直接调制激光器或者电吸收调制激光器或者直流光源经过低频外调制；数据采集模块为具有频谱分析功能的仪器或者锁相放大器，用于采集低频电信号的幅值。
[0008]
一种马赫-曾德尔调制器频率响应测试方法，包括以下步骤：步骤1：设置低频信号源输出频率为f1、功率保持不变的正弦信号，将低频信号源的输出信号加载在低频调制光载波模块的射频驱动电极上，低频调制光载波模块产生调制光信号并送入到待测马赫-曾德尔调制器中，待测马赫-曾德尔调制器的射频驱动电极上加载射频信号源的输出正弦信号，将待测马赫-曾德尔调制器输出的调制光信号输入光电探测器进行拍频；步骤2：保持低频信号源的状态不变，设置射频信号源处于关闭的状态，利用数据采集模块测量光电探测器输出电信号中频率为f1的电信号幅值，记为a(f1；0)；步骤3：保持低频信号源的状态不变，设置射频信号源输出频率为f2的正弦信号，利用数据采集模块测量光电探测器输出电信号中频率为f1的电信号幅值，记为a(f1；m2)；步骤4：保持射频信号源的设置不变，使用数据采集模块直接测量射频信号源输出正弦信号的功率，记为p
rf
，对应电压幅值记为vm；步骤5：按照如下公式计算待测马赫-曾德尔调制器在调制频率f2、驱动功率p
rf
处的调制系数m2：式中j0(
·
)为0阶第一类贝塞尔函数；步骤6：按照如下公式计算待测马赫-曾德尔调制器在频率f2处的半波电压：其中，z
l
为50ω特征阻抗；步骤7：保持低频信号源输出信号的频率、功率不变，通过控制与数据处理模块对射频信号源进行扫频控制，重复步骤2、3、4、5、6，得到待测马赫-曾德尔调制器在不同调制频率f2处的调制系数m2与半波电压v
π
，即为该马赫-曾德尔调制器的频率响应。
[0009]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0010]
1.本发明的光源采用低频调制光载波模块，在低频调制光载波模块的射频驱动电
极上加载低频信号源输出的固定低频正弦信号，形成光载波与调制边带，测试系统十分简单。
[0011]
2.本发明采用两个信号源，其中射频信号源输出的正弦信号加载在待测马赫-曾德尔调制器的射频驱动电极，通过控制待测马赫-曾德尔调制器的射频驱动电极上的驱动功率施加与否，对光电探测器输出电信号中频率等于低频信号源输出频率的分量进行检测，可以将探测频率降低到低频信号源输出信号频率的量级，极大地节约了光电探测器的带宽。
[0012]
3.本发明通过对固定低频分量进行检测，有效扣除了光电探测器不平坦响应的影响，实现自校准测试。
附图说明
[0013]
图1为本发明的装置示意图。
具体实施方式
[0014]
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所表述的范围，不应以此限制本发明的保护范围。
[0015]
如图1所示，在低频调制光载波模块的射频驱动电极上接低频信号源，在待测马赫-曾德尔调制器的射频驱动电极上接射频信号源，低频信号源输出频率为f1的固定低频的正弦信号对光载波进行直接调制，射频信号源输出频率为f2的正弦信号，对调制光信号进行二次调制。调整施加在待测马赫-曾德尔调制器偏置电极上的直流电压使其偏置在最大传输点。当射频信号源处于打开与关闭两种状态时，数据采集模块分别对光电探测器输出信号中的频率为固定低频频率f1的电信号幅值进行检测，根据两次幅值的测量结果，可以计算得到待测马赫-曾德尔调制器在单个调制频率处的调制系数与半波电压。通过控制与数据处理模块对射频信号源的输出频率进行扫描，重复上述几个步骤，即可得到待测马赫-曾德尔调制器的频率响应。
[0016]
为了更好地解释本技术发明方案，下面以直接调制激光器为例作为低频调制光载波模块，对本发明的测量原理进行简要介绍：
[0017]
经过频率为f1的正弦信号调制后，低频调制光载波模块的输出光场表达式为：其中，e0和f0分别为光载波的幅度和频率，m1和β1分别为低频信号源输出正弦信号v1sin(2πf1t)时低频调制光载波模块的幅度调制系数和频率调制系数，θ为幅度调制与频率调制之间的相位差。
[0018]
当待测马赫-曾德尔调制器偏置在最大传输点时，低频调制光载波模块输出的调制光信号经过待测马赫-曾德尔调制器调制后形成的调制信号表达式为：其中，m2为射频信号源输出正弦信号v2sin(2πf2t+φ)所引起的待测调制器的调制系数，可表示为
其中，p
rf
为射频信号源输出正弦信号驱动待测马赫-曾德尔调制器的功率，z
l
为50ω的特征阻抗。
[0019]
待测马赫-曾德尔调制器输出的光信号经过光电探测器进行光电转换后产生的电信号经过jacobi-anger展开后的表达式为：其中，r为光电探测器的响应度，jn(
·
)为n阶第一类贝塞尔函数。则光电探测器输出的拍频信号中频率为f1的电信号幅值表达式为
[0020]
当低频信号源输出设置不变、射频信号源处于关闭的状态，此时光电探测器输出信号中频率为f1的光电流幅值表达式为
[0021]
根据公式(5)、(6)，有以下关系：
[0022]
从公式(7)可以看出，电信号幅值之比a(f1；m2)/a(f1；0)与调制系数m2的函数有关，则通过保持低频信号源输出设置不变，由数据采集模块分别提取射频信号源处于开启与关闭状态下频率为f1的拍频分量的幅值a(f1；m2)与a(f1；0)，则可以通过求解含有第一类贝塞尔函数的方程计算得到待测马赫-曾德尔调制器的调制系数m2。由数据采集模块直接检测射频信号源输出正弦信号驱动待测马赫-曾德尔调制器的功率p
rf
，由公式(3)计算得到半波电压v
π
。由控制与数据处理模块对射频信号源进行扫频控制，重复上述几个步骤，得到待测马赫-曾德尔调制器半波电压随频率变化的曲线，即获得待测马赫-曾德尔调制器在扫频范围内的频率响应。
[0023]
实施例
[0024]
本发明的测试装置框图如图1所示。低频调制光载波模块的光载波频率为f0＝194.0thz(对应波长1546.62nm)，低频信号源输出固定低频频率f1＝100mhz的正弦信号施加在低频调制光载波模块的射频驱动电极上，经过调制的光载波输入到偏置在最大传输点的待测马赫-曾德尔调制器中，射频信号源输出频率f2＝10ghz的正弦信号施加在待测马赫-曾德尔调制器的射频驱动电极，经过待测马赫-曾德尔调制器调制后的光信号由光电探
测器进行光电转换，再由数据采集模块得到其中固定低频分量f1＝100mhz的幅值。
[0025]
射频信号源处于关闭状态时，数据采集模块得到低频分量100mhz的幅值为a(f1；0)＝11.84mv；射频信号源输出正弦信号驱动待测马赫-曾德尔调制器的功率为p
rf
＝17.78mw时，数据采集模块得到低频分量100mhz的幅值为a(f1；m2)＝10.72mv，代入公式(7)得到调制系数为m＝0.8889，将调制系数m与功率p
rf
代入公式(3)中，得到待测马赫-曾德尔调制器在频率为10ghz处的半波电压v
π
为4.713v。控制与数据处理模块对射频信号源的输出频率进行扫描，得到待测马赫-曾德尔调制器在扫频范围内的频率响应。