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)重點實驗室,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)簡單、頻率覆蓋范圍寬、開關(guān)消光比高等特點,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)動器件,并采集輸出功率最大值及最小值對應(yīng)的電壓計算得到,該方法簡單直觀且測量精度高。但AWG難以產(chǎn)生1 GHz及以上頻率的鋸齒波,因此,對于較高頻率下的半波電壓,普遍采用信號發(fā)生器產(chǎn)生高頻正弦信號并結(jié)合以下幾種方法進行測量:(1)光譜分析法,即利用光譜分析儀對比輸出光譜的奇次或偶次分量強度,計算得到半波電壓[4～7]；(2)頻譜分析法,即使用探測器和頻譜分析儀,對比輸出頻譜奇次或偶次分量強度,計算得到半波電壓[8]；(3)1 dB壓縮點或拐點測量法,即使用探測器和頻譜分析儀,測量輸出信號一次諧波的1 dB壓縮點或功率拐點,計算得到半波電壓[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,起測頻率較高,一般無法覆蓋5 GHz及以下頻率；方法(2)需要三倍測量頻率的頻譜分析儀,同時需要對探測器進行額外校準,測量成本高；方法(3)測量結(jié)果準確,是工程應(yīng)用中測量高頻半波電壓的常用方法,但隨著測量頻率的升高,M-Z型電光調(diào)制器1 dB壓縮點和功率拐點也會快速上升,所需的高頻、大功率信號源甚至需要固態(tài)功率放大器來產(chǎn)生,不僅儀器昂貴,還增加了被測器件在高功率下的損壞風(fēng)險。

本文提出了一種僅使用光源、信號發(fā)生器、直流信號源及光功率計等基礎(chǔ)儀器即可完成高頻半波電壓測量的方法。這種方法利用光功率計的積分特性,測量有射頻信號輸入和無射頻信號輸入情況下器件輸出最大、最小光功率值,并通過計算從而實現(xiàn)對該頻率下的半波電壓的測量。該方法測量過程簡單,可測頻率范圍廣,同時所需射頻信號功率遠小于方法(3),利用普通信號發(fā)生器即可完成測量。

2 半波電壓測量原理分析

本文提出的基于小信號的M-Z型電光調(diào)制器半波電壓測量系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。系統(tǒng)由光源、待測M-Z型電光調(diào)制器、光功率計、信號發(fā)生器和直流電源組成。此外,還需使用微波功率計準確測量信號發(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,同時設(shè)置電光調(diào)制器工作點在極小值點,則上下兩路光程差為π。輸出光場Eout可以表示為:

(1)

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

(2)

(3)

(4)

而無射頻信號輸入時,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)制器在小信號輸入的情況下,半波電壓的近似計算公式:

(7)

為驗證測量方法的準確性,用OptiSystem對該方法開展仿真,光路如圖2所示,設(shè)置光源輸出功率為1 mW,信號發(fā)生器產(chǎn)生VPP=0.5 V的10 GHz信號,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,光功率計顯示結(jié)果,為該條件下器件輸出的最小光功率值。

圖2 測量原理仿真光路

3 半波電壓測量誤差模型構(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近似,當輸入信號增大時,誤差會快速變大。下面將針對輸入信號與測量誤差之間的關(guān)系展開分析,建立半波電壓測量的誤差模型。

(8)

用MATLAB對相對誤差ε進行仿真,變量為輸入射頻信號峰峰值相對于半波電壓的大小,仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 小信號近似下的相對測量誤差

從仿真結(jié)果來看,當輸入信號峰峰值VPP≤0.5Vπ的情況下,小信號近似所引起的誤差不超過半波電壓真實值的2 %,完全滿足實際測量需求；同時還能看出,實際測量中,輸入信號越小,測量的相對誤差越低。

4 測量方法驗證實驗及結(jié)果

首先用常規(guī)方法對M-Z型電光調(diào)制器1 kHz下的半波電壓進行測量實驗,實驗裝置如圖4所示。

圖4 半波電壓測量示意圖

實驗所使用的光源為1550 nm的DFB光源,任意波形發(fā)生器為KEYSIGHT 33250A,示波器為TEK DPO5054B,待測器件為中國電科第四十四研究所生產(chǎn)的15MZPF8715型鈮酸鋰電光強度調(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,一路進入待測器件,一路進入示波器,測量結(jié)果如圖5所示,圖中,三角函數(shù)形曲線為探測器輸出信號,鋸齒形曲線為任意波形發(fā)生器輸出電壓值。探測器輸出信號由最小變到最大所對應(yīng)的任意波形發(fā)生器電壓變化量,即為待測器件的半波電壓值4.21 V。

圖5 1 kHz半波電壓測量結(jié)果

5 對比實驗及結(jié)果

用圖1所示的方法在10 MHz～40 GHz內(nèi)進行半波電壓測量,測量所需的高頻信號由思儀AV3672D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生,設(shè)置輸出信號功率為0 dBm,頻率范圍內(nèi)共測量201個數(shù)據(jù)點,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出實際功率由思儀AV2438SC微波功率計讀取。

由于高頻下的信號強度由功率表示,計算中輸入信號峰峰值VPP由式(9)計算得到。

(9)

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

圖6 10 MHz～40 GHz半波電壓測量結(jié)果

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

圖7 帶寬測量結(jié)果

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

(10)

圖8 測量結(jié)果對比

可以看到被測器件的1 dB壓縮點從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得的頻率響應(yīng)曲線在趨勢上具有較高的一致性。圖9為兩條曲線之間的相對差值。

圖9 1 dB壓縮點與頻響曲線相對差值

由圖9可以看出,測量所得的1 dB壓縮點與頻率響應(yīng)曲線在10 MHz～40 GHz內(nèi)的相對誤差小于±0.3 dB,說明本文所述方法在高頻下同樣擁有較高的測量準確性。相較于1 kHz下0.48 %的絕對測量誤差,增長的誤差應(yīng)該源于微波功率計的測量不確定度及信號源、微波功率計和待測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的M-Z型電光調(diào)制器高頻半波電壓測量方法,僅使用光源、信號發(fā)生器、直流電源及光功率計即可完成寬頻范圍下的高精度半波電壓測量；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測量法,提升了測量精度并且大幅降低測量成本。仿真結(jié)果顯示,輸入射頻信號VPP≤0.5Vπ的情況下,測量誤差小于2 %；實驗結(jié)果表明,在1 kHz下半波電壓測量的絕對誤差僅為0.48 %,10 MHz～40 GHz頻率范圍內(nèi),測量所得的1 dB壓縮點相對誤差小于±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量提供了一種簡單的高精度、低成本解決方案。