基于小信号的电光调制器半波电压测量方法

闫应星,李淼淼,胡红坤,彭 松,徐鎏婧

(1.重庆光电技术研究所,重庆 400060；2.固体激光技术重点实验室,北京 100015)

1 引 言

马赫-曾德尔(Mach-Zehnder,M-Z)干涉仪是一种被广泛采用的外调制电光调制器结构,具有结构简单、频率覆盖范围宽、开关消光比高等特点,广泛应用于光纤通信和光纤传感等领域[1-3]。半波电压是M-Z型电光调制器的重要参数之一,用于表征在特定频率下器件的驱动功率大小。较低频率下的半波电压可通过任意波形发生器(AWG)输出锯齿波驱动器件,并采集输出功率最大值及最小值对应的电压计算得到,该方法简单直观且测量精度高。但AWG难以产生1 GHz及以上频率的锯齿波,因此,对于较高频率下的半波电压,普遍采用信号发生器产生高频正弦信号并结合以下几种方法进行测量:(1)光谱分析法,即利用光谱分析仪对比输出光谱的奇次或偶次分量强度,计算得到半波电压[4～7]；(2)频谱分析法,即使用探测器和频谱分析仪,对比输出频谱奇次或偶次分量强度,计算得到半波电压[8]；(3)1 dB压缩点或拐点测量法,即使用探测器和频谱分析仪,测量输出信号一次谐波的1 dB压缩点或功率拐点,计算得到半波电压[9]。

上述三方法都存在一定的局限性:方法(1)受光谱分析仪分辨率限制,起测频率较高,一般无法覆盖5 GHz及以下频率；方法(2)需要三倍测量频率的频谱分析仪,同时需要对探测器进行额外校准,测量成本高；方法(3)测量结果准确,是工程应用中测量高频半波电压的常用方法,但随着测量频率的升高,M-Z型电光调制器1 dB压缩点和功率拐点也会快速上升,所需的高频、大功率信号源甚至需要固态功率放大器来产生,不仅仪器昂贵,还增加了被测器件在高功率下的损坏风险。

本文提出了一种仅使用光源、信号发生器、直流信号源及光功率计等基础仪器即可完成高频半波电压测量的方法。这种方法利用光功率计的积分特性,测量有射频信号输入和无射频信号输入情况下器件输出最大、最小光功率值,并通过计算从而实现对该频率下的半波电压的测量。该方法测量过程简单,可测频率范围广,同时所需射频信号功率远小于方法(3),利用普通信号发生器即可完成测量。

2 半波电压测量原理分析

本文提出的基于小信号的M-Z型电光调制器半波电压测量系统构成框图如图1所示。系统由光源、待测M-Z型电光调制器、光功率计、信号发生器和直流电源组成。此外,还需使用微波功率计准确测量信号发生器输出的射频功率值。

图1 M-Z型电光调制器半波电压测量系统框图

设M-Z型电光调制器中上路光振幅为A,下路光振幅为B,波导无损耗,推挽电极结构下,上下两路调制效率相等,效果相反,同时设置电光调制器工作点在极小值点,则上下两路光程差为π。输出光场Eout可以表示为:

(1)

式中,ωc为光信号频率;VPP为信号发生器输出正弦信号的峰峰值;ωe为正弦信号的频率;Vπ为器件的半波电压。此时输出光功率Pout可以写为:

(2)

(3)

(4)

而无射频信号输入时,调制器输出的最大最小光功率Pmax和Pmin可以直接由式(5)表示:

(5)

(6)

整理后即可得到M-Z型电光调制器在小信号输入的情况下,半波电压的近似计算公式:

(7)

为验证测量方法的准确性,用OptiSystem对该方法开展仿真,光路如图2所示,设置光源输出功率为1 mW,信号发生器产生VPP=0.5 V的10 GHz信号,M-Z型电光调制器半波电压4 V,插入损耗3 dB,消光比30 dB,光功率计显示结果,为该条件下器件输出的最小光功率值。

图2 测量原理仿真光路

3 半波电压测量误差模型构建

OptiSystem的仿真结果与设置的M-Z型电光调制器半波电压存在一定偏差,主要原因是公式推导过程中使用了小信号近似,当输入信号增大时,误差会快速变大。下面将针对输入信号与测量误差之间的关系展开分析,建立半波电压测量的误差模型。

(8)

用MATLAB对相对误差ε进行仿真,变量为输入射频信号峰峰值相对于半波电压的大小,仿真结果如图3所示。

图3 小信号近似下的相对测量误差

从仿真结果来看,当输入信号峰峰值VPP≤0.5Vπ的情况下,小信号近似所引起的误差不超过半波电压真实值的2 %,完全满足实际测量需求；同时还能看出,实际测量中,输入信号越小,测量的相对误差越低。

4 测量方法验证实验及结果

首先用常规方法对M-Z型电光调制器1 kHz下的半波电压进行测量实验,实验装置如图4所示。

图4 半波电压测量示意图

实验所使用的光源为1550 nm的DFB光源,任意波形发生器为KEYSIGHT 33250A,示波器为TEK DPO5054B,待测器件为中国电科第四十四研究所生产的15MZPF8715型铌酸锂电光强度调制器。任意波形发生器输出1 kHz锯齿波,由分路器分为两路,一路进入待测器件,一路进入示波器,测量结果如图5所示,图中,三角函数形曲线为探测器输出信号,锯齿形曲线为任意波形发生器输出电压值。探测器输出信号由最小变到最大所对应的任意波形发生器电压变化量,即为待测器件的半波电压值4.21 V。

图5 1 kHz半波电压测量结果

5 对比实验及结果

用图1所示的方法在10 MHz～40 GHz内进行半波电压测量,测量所需的高频信号由思仪AV3672D矢量网络分析仪产生,设置输出信号功率为0 dBm,频率范围内共测量201个数据点,矢量网络分析仪输出实际功率由思仪AV2438SC微波功率计读取。

由于高频下的信号强度由功率表示,计算中输入信号峰峰值VPP由式(9)计算得到。

(9)

式中,P为输入射频功率,单位为dBm;R为待测器件阻抗,由器件电极结构决定,测量所得结果如图6所示。

图6 10 MHz～40 GHz半波电压测量结果

为验证高频半波电压测量的准确性,我们使用光波原件分析仪测量待测器件的频率响应曲线,结果如图7所示。

图7 带宽测量结果

通过式(10)将图6的半波电压测量结果换算为1 dB压缩点,再与图7的频率响应曲线对比,结果如图8所示。

(10)

图8 测量结果对比

可以看到被测器件的1 dB压缩点从15 dBm左右随频率升高逐渐增大至19 dBm,与光波原件分析仪测得的频率响应曲线在趋势上具有较高的一致性。图9为两条曲线之间的相对差值。

图9 1 dB压缩点与频响曲线相对差值

由图9可以看出,测量所得的1 dB压缩点与频率响应曲线在10 MHz～40 GHz内的相对误差小于±0.3 dB,说明本文所述方法在高频下同样拥有较高的测量准确性。相较于1 kHz下0.48 %的绝对测量误差,增长的误差应该源于微波功率计的测量不确定度及信号源、微波功率计和待测器件之间的阻抗失配。

6 结 论

本文提出了一种基于小信号的M-Z型电光调制器高频半波电压测量方法,仅使用光源、信号发生器、直流电源及光功率计即可完成宽频范围下的高精度半波电压测量；相较于光谱法,该方法解决了频率覆盖范围的问题,相较于频谱法和压缩点测量法,提升了测量精度并且大幅降低测量成本。仿真结果显示,输入射频信号VPP≤0.5Vπ的情况下,测量误差小于2 %；实验结果表明,在1 kHz下半波电压测量的绝对误差仅为0.48 %,10 MHz～40 GHz频率范围内,测量所得的1 dB压缩点相对误差小于±0.3 dB。综上,该方法为M-Z型电光调制器高频半波电压测量提供了一种简单的高精度、低成本解决方案。