基于小信號(hào)的電光調(diào)制器半波電壓測(cè)量方法

閆應(yīng)星,李淼淼,胡紅坤,彭 松,徐鎏婧

(1.重慶光電技術(shù)研究所,重慶 400060；2.固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100015)

1 引 言

馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder,M-Z)干涉儀是一種被廣泛采用的外調(diào)制電光調(diào)制器結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率覆蓋范圍寬、開關(guān)消光比高等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于光纖通信和光纖傳感等領(lǐng)域[1-3]。半波電壓是M-Z型電光調(diào)制器的重要參數(shù)之一,用于表征在特定頻率下器件的驅(qū)動(dòng)功率大小。較低頻率下的半波電壓可通過任意波形發(fā)生器(AWG)輸出鋸齒波驅(qū)動(dòng)器件,并采集輸出功率最大值及最小值對(duì)應(yīng)的電壓計(jì)算得到,該方法簡(jiǎn)單直觀且測(cè)量精度高。但AWG難以產(chǎn)生1 GHz及以上頻率的鋸齒波,因此,對(duì)于較高頻率下的半波電壓,普遍采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)并結(jié)合以下幾種方法進(jìn)行測(cè)量:(1)光譜分析法,即利用光譜分析儀對(duì)比輸出光譜的奇次或偶次分量強(qiáng)度,計(jì)算得到半波電壓[4～7]；(2)頻譜分析法,即使用探測(cè)器和頻譜分析儀,對(duì)比輸出頻譜奇次或偶次分量強(qiáng)度,計(jì)算得到半波電壓[8]；(3)1 dB壓縮點(diǎn)或拐點(diǎn)測(cè)量法,即使用探測(cè)器和頻譜分析儀,測(cè)量輸出信號(hào)一次諧波的1 dB壓縮點(diǎn)或功率拐點(diǎn),計(jì)算得到半波電壓[9]。

上述三方法都存在一定的局限性:方法(1)受光譜分析儀分辨率限制,起測(cè)頻率較高,一般無(wú)法覆蓋5 GHz及以下頻率；方法(2)需要三倍測(cè)量頻率的頻譜分析儀,同時(shí)需要對(duì)探測(cè)器進(jìn)行額外校準(zhǔn),測(cè)量成本高；方法(3)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,是工程應(yīng)用中測(cè)量高頻半波電壓的常用方法,但隨著測(cè)量頻率的升高,M-Z型電光調(diào)制器1 dB壓縮點(diǎn)和功率拐點(diǎn)也會(huì)快速上升,所需的高頻、大功率信號(hào)源甚至需要固態(tài)功率放大器來產(chǎn)生,不僅儀器昂貴,還增加了被測(cè)器件在高功率下的損壞風(fēng)險(xiǎn)。

本文提出了一種僅使用光源、信號(hào)發(fā)生器、直流信號(hào)源及光功率計(jì)等基礎(chǔ)儀器即可完成高頻半波電壓測(cè)量的方法。這種方法利用光功率計(jì)的積分特性,測(cè)量有射頻信號(hào)輸入和無(wú)射頻信號(hào)輸入情況下器件輸出最大、最小光功率值,并通過計(jì)算從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該頻率下的半波電壓的測(cè)量。該方法測(cè)量過程簡(jiǎn)單,可測(cè)頻率范圍廣,同時(shí)所需射頻信號(hào)功率遠(yuǎn)小于方法(3),利用普通信號(hào)發(fā)生器即可完成測(cè)量。

2 半波電壓測(cè)量原理分析

本文提出的基于小信號(hào)的M-Z型電光調(diào)制器半波電壓測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。系統(tǒng)由光源、待測(cè)M-Z型電光調(diào)制器、光功率計(jì)、信號(hào)發(fā)生器和直流電源組成。此外,還需使用微波功率計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)發(fā)生器輸出的射頻功率值。

圖1 M-Z型電光調(diào)制器半波電壓測(cè)量系統(tǒng)框圖

設(shè)M-Z型電光調(diào)制器中上路光振幅為A,下路光振幅為B,波導(dǎo)無(wú)損耗,推挽電極結(jié)構(gòu)下,上下兩路調(diào)制效率相等,效果相反,同時(shí)設(shè)置電光調(diào)制器工作點(diǎn)在極小值點(diǎn),則上下兩路光程差為π。輸出光場(chǎng)Eout可以表示為:

(1)

式中,ωc為光信號(hào)頻率;VPP為信號(hào)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)的峰峰值;ωe為正弦信號(hào)的頻率;Vπ為器件的半波電壓。此時(shí)輸出光功率Pout可以寫為:

(2)

(3)

(4)

而無(wú)射頻信號(hào)輸入時(shí),調(diào)制器輸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型電光調(diào)制器在小信號(hào)輸入的情況下,半波電壓的近似計(jì)算公式:

(7)

為驗(yàn)證測(cè)量方法的準(zhǔn)確性,用OptiSystem對(duì)該方法開展仿真,光路如圖2所示,設(shè)置光源輸出功率為1 mW,信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生VPP=0.5 V的10 GHz信號(hào),M-Z型電光調(diào)制器半波電壓4 V,插入損耗3 dB,消光比30 dB,光功率計(jì)顯示結(jié)果,為該條件下器件輸出的最小光功率值。

圖2 測(cè)量原理仿真光路

3 半波電壓測(cè)量誤差模型構(gòu)建

OptiSystem的仿真結(jié)果與設(shè)置的M-Z型電光調(diào)制器半波電壓存在一定偏差,主要原因是公式推導(dǎo)過程中使用了小信號(hào)近似,當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí),誤差會(huì)快速變大。下面將針對(duì)輸入信號(hào)與測(cè)量誤差之間的關(guān)系展開分析,建立半波電壓測(cè)量的誤差模型。

(8)

用MATLAB對(duì)相對(duì)誤差ε進(jìn)行仿真,變量為輸入射頻信號(hào)峰峰值相對(duì)于半波電壓的大小,仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 小信號(hào)近似下的相對(duì)測(cè)量誤差

從仿真結(jié)果來看,當(dāng)輸入信號(hào)峰峰值VPP≤0.5Vπ的情況下,小信號(hào)近似所引起的誤差不超過半波電壓真實(shí)值的2 %,完全滿足實(shí)際測(cè)量需求；同時(shí)還能看出,實(shí)際測(cè)量中,輸入信號(hào)越小,測(cè)量的相對(duì)誤差越低。

4 測(cè)量方法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

首先用常規(guī)方法對(duì)M-Z型電光調(diào)制器1 kHz下的半波電壓進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 半波電壓測(cè)量示意圖

實(shí)驗(yàn)所使用的光源為1550 nm的DFB光源,任意波形發(fā)生器為KEYSIGHT 33250A,示波器為TEK DPO5054B,待測(cè)器件為中國(guó)電科第四十四研究所生產(chǎn)的15MZPF8715型鈮酸鋰電光強(qiáng)度調(diào)制器。任意波形發(fā)生器輸出1 kHz鋸齒波,由分路器分為兩路,一路進(jìn)入待測(cè)器件,一路進(jìn)入示波器,測(cè)量結(jié)果如圖5所示,圖中,三角函數(shù)形曲線為探測(cè)器輸出信號(hào),鋸齒形曲線為任意波形發(fā)生器輸出電壓值。探測(cè)器輸出信號(hào)由最小變到最大所對(duì)應(yīng)的任意波形發(fā)生器電壓變化量,即為待測(cè)器件的半波電壓值4.21 V。

圖5 1 kHz半波電壓測(cè)量結(jié)果

5 對(duì)比實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

用圖1所示的方法在10 MHz～40 GHz內(nèi)進(jìn)行半波電壓測(cè)量,測(cè)量所需的高頻信號(hào)由思儀AV3672D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生,設(shè)置輸出信號(hào)功率為0 dBm,頻率范圍內(nèi)共測(cè)量201個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出實(shí)際功率由思儀AV2438SC微波功率計(jì)讀取。

由于高頻下的信號(hào)強(qiáng)度由功率表示,計(jì)算中輸入信號(hào)峰峰值VPP由式(9)計(jì)算得到。

(9)

式中,P為輸入射頻功率,單位為dBm;R為待測(cè)器件阻抗,由器件電極結(jié)構(gòu)決定,測(cè)量所得結(jié)果如圖6所示。

圖6 10 MHz～40 GHz半波電壓測(cè)量結(jié)果

為驗(yàn)證高頻半波電壓測(cè)量的準(zhǔn)確性,我們使用光波原件分析儀測(cè)量待測(cè)器件的頻率響應(yīng)曲線,結(jié)果如圖7所示。

圖7 帶寬測(cè)量結(jié)果

通過式(10)將圖6的半波電壓測(cè)量結(jié)果換算為1 dB壓縮點(diǎn),再與圖7的頻率響應(yīng)曲線對(duì)比,結(jié)果如圖8所示。

(10)

圖8 測(cè)量結(jié)果對(duì)比

可以看到被測(cè)器件的1 dB壓縮點(diǎn)從15 dBm左右隨頻率升高逐漸增大至19 dBm,與光波原件分析儀測(cè)得的頻率響應(yīng)曲線在趨勢(shì)上具有較高的一致性。圖9為兩條曲線之間的相對(duì)差值。

圖9 1 dB壓縮點(diǎn)與頻響曲線相對(duì)差值

由圖9可以看出,測(cè)量所得的1 dB壓縮點(diǎn)與頻率響應(yīng)曲線在10 MHz～40 GHz內(nèi)的相對(duì)誤差小于±0.3 dB,說明本文所述方法在高頻下同樣擁有較高的測(cè)量準(zhǔn)確性。相較于1 kHz下0.48 %的絕對(duì)測(cè)量誤差,增長(zhǎng)的誤差應(yīng)該源于微波功率計(jì)的測(cè)量不確定度及信號(hào)源、微波功率計(jì)和待測(cè)器件之間的阻抗失配。

6 結(jié) 論

本文提出了一種基于小信號(hào)的M-Z型電光調(diào)制器高頻半波電壓測(cè)量方法,僅使用光源、信號(hào)發(fā)生器、直流電源及光功率計(jì)即可完成寬頻范圍下的高精度半波電壓測(cè)量；相較于光譜法,該方法解決了頻率覆蓋范圍的問題,相較于頻譜法和壓縮點(diǎn)測(cè)量法,提升了測(cè)量精度并且大幅降低測(cè)量成本。仿真結(jié)果顯示,輸入射頻信號(hào)VPP≤0.5Vπ的情況下,測(cè)量誤差小于2 %；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在1 kHz下半波電壓測(cè)量的絕對(duì)誤差僅為0.48 %,10 MHz～40 GHz頻率范圍內(nèi),測(cè)量所得的1 dB壓縮點(diǎn)相對(duì)誤差小于±0.3 dB。綜上,該方法為M-Z型電光調(diào)制器高頻半波電壓測(cè)量提供了一種簡(jiǎn)單的高精度、低成本解決方案。