一种光电探测器的频率响应测试装置及方法与流程

1.本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种基于双波长抑制载波调制的光电探测器频率响应测试装置及方法。


背景技术：

2.光电探测器作为一种实现光信号转换成电信号的器件，已广泛应用于光通信链路以及微波光子系统的信号检测中，是进行光-电转换必不可少的光电子器件。光电探测器的频率响应度作为其重要的频域特性参数，反映了光电探测器将不同的调制频率光信号转换成电信号的效率，随着高带宽光电探测器的需求不断增长，对高速光电探测器响应度的测试的需求也越发突出。
3.光电探测器响应度的测试方法可分为全光激励混频法和电光调制混频法。全光激励混频法不需借助电-光器件即可获得光电探测器的响应度，当前全光激励混频法主要为光外差探测法和强度噪声探测法。光外差分析法适用于高速光电探测器响应度的高频测试(s.kawanishi,a.takada,m.saruwatari.wideband frequency-response measurement of optical receivers using optical heterodyne detection[j].journal of lightwave technology,1989,7(1):92-98)，通过两束独立光源的外差拍频，实现宽频带光电探测器的频率响应，但该方法受到两束光波长漂移和功率不稳定的影响，而且需要高性能的可调谐激光器。强度噪声测试法能简单，快速获得高速光电探测器响应度(d.m.baney,w.v.sorin.broadband frequency characterization of optical receivers using intensity noise[j].hewlett-packard journal,1995,46(1):6-12)但受到电谱仪的带宽限制和具有很低的测量精度和动态范围，使其无法灵活的实现高速光电探测器响应度的高精细测试。电光调制混频法通过调制光边带的混频响应，实现宽带光电探测器响应度的测试(k.inagaki,t.kawanishi,m.izutsu.optoelectronic frequency response measurement of photodiodes by using high-extinction ratio optical modulator[j].ieice electronics express,2012,9(4):220-226)，但该方法需要额外校准电光调制器的频率响应，否则将引入较大误差。近年来，在电光调制混频法的基础上，提出了一种基于移频外差检测法，可实现光电探测器的自校准测试，消除额外器件的频率响应，但是，该类方法需要额外的辅助器件(宽带微波源、宽带辅助调制器等)，大大增加了测试成本。


技术实现要素：

[0004]
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种光电探测器的频率响应测试装置及方法，实现光电探测器参数的低成本、宽频带、高精度、自校准的频率响应测试，无需的额外辅助器件。
[0005]
本发明的技术方案如下：
[0006]
一种光电探测器的频率响应测试装置，其包括双波长光发射模块、抑制载波双边带调制模块、待测光电探测器和电信号分析模块；其中，所述双波长光发射模块、抑制载波
双边带调制模块和待测光电探测器依次光连接；所述光电探测器和电信号分析模块依次电路连接；所述微波信号源与抑制载波双边带调制模块的输入端为电连接；双波长光发射模块用于产生两束频率间隔fs的双波长光波，微波信号源用于产生频率为f1的微波信号，微波信号通过抑制载波双边带调制模块加载到双波长光波上，抑制载波双边带调制光信号通过待测光电探测器进行光电转换成电信号，电信号分析模块用于记录混频信号中频率成分fs的光电流，得到待测光电探测器在不同频率处相对于固定低频fs的频率响应，高频成分相对于固定低频成分的幅度比为待测光电探测器的频率响应。
[0007]
进一步的，所述双波长光发射模块用于产生两个频率间隔固定且频率差fs为mhz量级的双波长相干光源。
[0008]
进一步的，所述抑制载波双边带调制模块，可通过马赫曾德尔调制器工作于最低偏置点产生或通过电光调制器与光带阻滤波器组合产生。
[0009]
一种基于所述装置的测试方法，其包括以下步骤：
[0010]
1)双波长光发射模块产生两束频率间隔fs的双波长光波，微波信号源产生频率为f1的微波信号，通过抑制载波双边带调制模块加载到双波长光波上，抑制载波双边带调制光信号通过待测光电探测器进行光电转换，获得混频信号2f1±fs
，利用电信号分析模块记录混频信号中2f1±fs
的光电流；
[0011]
2)同时，利用电信号分析模块记录混频信号中频率成分fs的光电流；
[0012]
3)通过两次混频信号光电流的比值获得待测光电探测器中频率2f1±fs
相对于固定fs频率响应的函数，通过反算可以获得频率响应h；
[0013]
4)改变微波信号源的频率f1，并重复上述过程，得到待测光电探测器在不同频率处相对于固定低频fs的频率响应。
[0014]
进一步的，所述步骤1)利用电信号分析模块记录混频信号中2f1±fs
的光电流为；
[0015][0016]
式中，a1、a2分别表示双波长光发射模块产生两束光波的幅值，j1(
·
)为第1阶的第一类贝塞尔函数，m为抑制载波双边带调制模块中调制器的调制系数，r(2f1±fs
)为光电探测器在频率2f1±fs
处的响应度；
[0017]
所述步骤2)利用电信号分析模块记录混频信号中频率成分fs的光电流为：
[0018][0019]
所述步骤3)通过两次混频信号光电流的比值获得待测光电探测器中频率2f1±fs
相对于固定fs频率响应的函数，通过反算可以获得相对频率响应h，为：
[0020][0021]
式中，h(2f1±fs
)为待测光电探测器在频率2f1±fs
的相对频率响应；
[0022]
进一步的，只考虑小信号调制情况下时，即只存在
±
1阶光边带，输出调制光信号为：
[0023][0024]
式中，j1(
·
)为第1阶的第一类贝塞尔函数。
[0025]
本发明的优点及有益效果如下：
[0026]
一、本发明通过探测抑制载波双边带调制信号的混频成分，实现了两倍于调制带宽的光电探测器频率响应测试，即为2f1±fs
，同时，利用高精度的电谱分析能力，可实现高精度的频率响应测试。
[0027]
二、相比目前的电光调制混频检测法，本发明测试结构简单，无需额外的辅助宽带微波源或额外的辅助宽带电光调制器件，大大降低了测量成本；
[0028]
三、通过调制光信号不同频率的光电流的比值，消除了额外器件的频率响应的影响，实现了一种自校准的宽频带光电探测器频率响应测试。
附图说明
[0029]
图1是本发明提供优选实施例基于双波长抑制载波调制的光电探测器频率响应测试装置连接结构图。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
[0031]
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
[0032]
如图1所示，一种基于双波长抑制载波调制的光电探测器频率响应测试装置包括：双波长光发射模块、抑制载波双边带调制模块，待测光电探测器，信号采集与数据处理模块。双波长光发射模块，抑制载波双边带调制模块，待测光电探测器依次光连接。光电探测器、信号采集与数据处理模块依次电路连接。微波信号源与抑制载波双边带调制模块为电连接。双波长光发射模块输出两个光波频率间隔fs较小且固定，两次光电流都含有抑制载波双边带调制模块的频率响应参量，即二者比值可去除抑制载波双边带调制模块中调制器频率响应对测量的影响，实现一种宽范围、高精度、自校准的频率响应测试。
[0033]
本发明一种基于双波长抑制载波调制的光电探测器频率响应测试原理及方法如下：
[0034]
(1)双波长光发射模块产生两束频率间隔为fs的双波长光波，微波信号源产生频率为f1的微波信号，通过抑制载波双边带调制模块加载到双波长光波上，只考虑小信号调制情况下时，即只存在
±
1阶光边带，输出调制光信号为：
[0035][0036]
式中，j1(
·
)分别为第1阶的第一类贝塞尔函数。
[0037]
(2)抑制载波双边带调制光信号经过光电探测器进行光电转换后，混频信号中fs信号光电流为：
[0038][0039]
2f1 fs信号的光电流为：
[0040][0041]
2f
1-fs信号光电流为：
[0042][0043]f1-fs信号光电流为：
[0044][0045]
f1 fs信号光电流为：
[0046][0047]
(3)取混频信号中2f1 fs信号和fs信号的光电流做比获得待测光电探测器2f1 fs信号相对于fs信号的频率响应h为：
[0048][0049]
i(2f1±fs
)和i(fs)除了探测器响应度参量不同之外，其他参量都相同，其中，抑制载波双边带调制模块中调制器频率响应j
12
(m/2)以及双波长光发射模块光源幅度的影响可以通过这两个光电流比值进行消除，并获得待测光电探测器在频率2f1 fs处相对于频率fs处的相对频率响应。
[0050]
(4)改变微波信号源的频率f1，并重复上述过程，得到待测光电探测器在不同频率时相对于fs的频率响应。
[0051]
优选的，所述抑制载波双边带调制模块，可通过马赫-曾德尔调制器工作于最小偏置点产生或通过电光调制器与光带阻滤波器组合产生,即将马赫-曾德尔调制器工作偏置电压设置成vπ(此时为最小偏置点)，实现光载波的抑制，产生抑制载波双边带光信号；以及利用光带阻滤波器将电光调制光信号的中心载波滤除，实现抑制载波双边带调制信号的产生。
[0052]
实施例
[0053]
激光器输出功率为12mw、频率f0＝193.1thz(波长约为1550nm)的光载波，利用声光移频器产生了波长间隔为80mhz的双波长光源，微波信号源产生频率为f1＝0.5ghz的正弦信号对抑制载波双边带调制模块进行调制，经过光电探测器和电信号分析模块获得fs＝80mhz的信号功率为-45.65dbm,同理，2f1 fs＝0.58ghz的信号功率为-70.65dbm，两次获得信号的功率差值为-25db，即待测光电探测器2f1 fs相对于fs的相对频率响应为-25db。
[0054]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的
包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0055]
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。