專利名稱：馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種馬赫曾德爾(Mach-Zehnder)型光調(diào)制器(以下簡稱MZ型光調(diào)制器)的半波長電壓(也稱為AC半波長電壓)的測定方法及測定裝置，特別涉及對(duì)在高速、大容量光纖通信中使用的、適合高頻調(diào)制的MZ型光調(diào)制器的半波長電壓進(jìn)行測定的測定方法及測定裝置。
背景技術(shù)：
光調(diào)制器是在光通信中的發(fā)送部等中使用的主要元器件，特別是使用LiNbo3(LN)制成的MZ型光調(diào)制器，由于具有高速、帶寬、低啁愀等特征，在近年的高速大容量光通信中被廣泛使用。
MZ型光調(diào)制器1，如圖1所示，在具有光電效應(yīng)的電路板上，由對(duì)光波進(jìn)行波導(dǎo)的光波導(dǎo)路2、以及在上述光波上施加微波帶域的高速調(diào)制信號(hào)的電極(圖中未畫出)等所構(gòu)成。MZ型光調(diào)制器的工作原理是從光波導(dǎo)路2的一端輸入的光，在途中被分支后，由于通過按照從信號(hào)源施加的電信號(hào)的電壓的大小改變折射率的電路板，在相互的光之間產(chǎn)生速度差，而在將分支后的光結(jié)合時(shí)，相互之間產(chǎn)生相位上的偏差，因此，合成后的輸出光表示出與該電信號(hào)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度變化。
圖2表示相對(duì)于在MZ型光調(diào)制器1上施加的信號(hào)源3的輸入電壓(V)，輸出光(I)變化的曲線圖。一般，隨著輸入電壓V的增加，輸出光I在一定范圍內(nèi)呈正弦曲線振動(dòng)。如圖2所示，在輸出光的最小值與最大值之間的輸入電壓幅度被稱作半波長電壓Vπ，是在光通信中當(dāng)用光調(diào)制器進(jìn)行ON/OFF控制時(shí)，確定施加在光調(diào)制器上的電信號(hào)的電壓值的重要數(shù)值。
即使是相同的光調(diào)制器，其半波長電壓也隨施加在光調(diào)制器上的電信號(hào)的頻率變化。而且隨著近年來光通信的高速、大容量化，光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)頻率也呈現(xiàn)高頻化，對(duì)10GHZ及其以上頻率也要求正確測定半波長電壓。
作為半波長電壓的測定方法，有如圖3所示的直接觀察輸出光的測定方法(現(xiàn)有技術(shù)例1)、以及在美國專利第6,204,954號(hào)中所述的如圖5所示的利用輸出光的平均輸出值的測定方法(現(xiàn)有技術(shù)例2)等。
在現(xiàn)有技術(shù)例1中，如圖3所示，對(duì)MZ型光調(diào)制器1入射來自激光源4的光，同時(shí)在高頻AC信號(hào)31上由BiasT33重疊來自偏置用的DC電源32偏置電壓之后所產(chǎn)生的電壓也被施加到MZ型光調(diào)制器上。于是，從MZ型光調(diào)制器1射出的光由高速光檢波器檢測，并且所檢測的輸出可以用采樣示波器52進(jìn)行觀察。
現(xiàn)有技術(shù)例1的測定方法，當(dāng)MZ型光調(diào)制器1的輸入電壓V和輸出光I之間的關(guān)系(V-I特性)如圖4所示曲線時(shí)，如果在具有峰—峰電壓振幅值Vp-p的高頻AC信號(hào)上疊加偏置電壓VB，并對(duì)MZ型光調(diào)制器1施加如曲線B所示的輸入電壓，則輸出光就變成如曲線C所示那樣，此曲線C的波形可以用采樣示波器52直接觀察。
而且，一邊進(jìn)行直接觀察，一邊讓曲線C的峰-峰振幅成為最大那樣，調(diào)整Vp-p和VB的電壓值，通過測定最大時(shí)的Vp-p，求出MZ型光調(diào)制器1的半波長電壓Vπ(Vπ＝Vp-p)。
但是，在現(xiàn)有技術(shù)例1的測定方法中，當(dāng)高頻超過10GHZ時(shí)、因高速光檢波器51等感光系的頻率特性的問題，要正確觀察到光波形(圖4的曲線C)是困難的。因此無法精確測定半波長電壓。
另一方面，在現(xiàn)有技術(shù)例2中，如圖5所示，對(duì)于激光通過的MZ型光調(diào)制器1，施加由BiasT33在高頻AC信號(hào)31上疊加來自DC電源32的偏置電壓后的電壓。于是，MZ型光調(diào)制器1射出的光被光耦合器53分支，一部分光進(jìn)入光功率計(jì)54內(nèi)，其它光被光檢波器檢測，所檢測的輸出被導(dǎo)入頻譜分析儀56。
現(xiàn)有技術(shù)例2的測定方法，當(dāng)MZ型光調(diào)制器1的輸入電壓V和輸出光I之間的關(guān)系(V-I特性)如圖6所示曲線A時(shí)，調(diào)節(jié)偏置電壓VB，讓其成為表示V-I特性曲線A的峰值的輸入電壓(偏置點(diǎn)調(diào)整)，分別測定在偏置電壓VB上疊加具有峰—峰電壓振幅值Vp-p的高頻AC信號(hào)時(shí)(曲線B1)的輸出光的平均輸出值(曲線C1)、不附加高頻AC信號(hào)時(shí)(只有偏置電壓VB。曲線B2)的輸出光值(曲線C2)、以及高頻AC信號(hào)的Vp-p。然后，利用V-I特性成為正弦函數(shù)的事實(shí)，就能求出MZ型光調(diào)制器的半波長電壓Vπ。
在現(xiàn)有技術(shù)例2的測定方法中，雖然在高頻可以精確測定半波長電壓，但需要調(diào)節(jié)MZ型光調(diào)制器的偏置點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)偏置點(diǎn)變動(dòng)引起輸出光不穩(wěn)定時(shí)，就難以準(zhǔn)確測定半波長電壓。并且由于用于半波長電壓計(jì)算時(shí)的參數(shù)很多，計(jì)算變得繁雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了上述問題，其目的在于提供一種在MZ型光調(diào)制器的半波長電壓的測定中，即使在高頻也能精確進(jìn)行測定，不依賴于該光調(diào)制器偏置點(diǎn)的變動(dòng)，而且在計(jì)算中使用的參數(shù)也比較簡潔的測定方法及裝置。
為解決上述課題，有關(guān)本發(fā)明之一的馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定方法，是在將被測頻率的高頻AC信號(hào)與檢測用低頻AC信號(hào)疊加后施加在馬赫曾德爾型光調(diào)制器上，或者分別將兩者施加在分別構(gòu)成的電極上，通過觀測該光調(diào)制器的輸出光的低速響應(yīng)來測定馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓的方法中，讓該高頻AC信號(hào)的電壓振幅可變，采用根據(jù)該檢測用低頻AC信號(hào)讓輸出光強(qiáng)度變化大致為零時(shí)的該高頻AC信號(hào)的電壓振幅，測定馬赫曾德爾型光調(diào)制器的被測頻率中的半波長電壓。
有關(guān)本發(fā)明之二的馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定方法，是在本發(fā)明之一的馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定方法中，根據(jù)該檢測用低頻AC信號(hào)讓輸出光強(qiáng)度變化大致為零時(shí)的該高頻AC信號(hào)的電壓振幅的峰—峰電壓振幅值Vp-p、和馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓Vπ之間的關(guān)系，滿足式J0(πVp-p/(2Vπ))＝0(J0是0次貝塞耳函數(shù))的關(guān)系。
有關(guān)本發(fā)明之三的馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定方法，是在本發(fā)明之一的馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定方法中，采用根據(jù)該檢測用低頻AC信號(hào)讓輸出光強(qiáng)度變化大致為零時(shí)的該高頻AC信號(hào)的電壓振幅，假定其峰—峰電壓振幅值為最小時(shí)的值是Vp-pmin時(shí)、馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓Vπ滿足式(πVp-pmin/(2Vπ))＝2.405的關(guān)系。
本發(fā)明之四的馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定裝置，采用本發(fā)明之一至之三中任一項(xiàng)所述的馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定方法，可以測定馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓。


圖1表示MZ型光調(diào)制器的概略圖。
圖2表示MZ型光調(diào)制器的V-I特性曲線。
圖3表示現(xiàn)有技術(shù)例1測定方法的概略圖。
圖4表示用現(xiàn)有技術(shù)例1的測定方法得到的V-I特性等關(guān)系的曲線。
圖5表示現(xiàn)有技術(shù)例2的測定方法的概略圖。
圖6表示用現(xiàn)有技術(shù)例2的測定方法得到的V-I特性等關(guān)系的曲線。
圖7表示本發(fā)明的測定方法的概略圖。
圖8表示根據(jù)本發(fā)明的測定方法輸出光的低速響應(yīng)狀態(tài)的變化曲線。
圖9表示本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)例的概略圖。
圖10表示利用本發(fā)明的測定結(jié)果時(shí)的MZ型光調(diào)制器光電響應(yīng)特性的曲線。
具體實(shí)施例方式
以下，采用優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明的范圍并不限定于該優(yōu)選實(shí)施例。
在本發(fā)明中，如圖7所示，將已被測定頻率的高頻AC信號(hào)34與檢測用低頻AC信號(hào)35疊加并施加在MZ型光調(diào)制器1上，或者如圖9所示，將兩者分別施加在分別構(gòu)成的電極(具體指RF用信號(hào)電極和偏置端口用接地電極)上，用光檢波器57和示波器58觀測到光調(diào)制器輸出光的低速響應(yīng)(對(duì)應(yīng)低頻AC信號(hào)35的變化)，對(duì)照觀察的波形，調(diào)整高頻AC信號(hào)34的電壓振幅，就能測定MZ型光調(diào)制器1的半波長電壓。
依據(jù)本發(fā)明，不需要進(jìn)行在有關(guān)MZ型光調(diào)制器的測定中成為問題的偏置點(diǎn)的調(diào)整、控制，并且能非常簡單、精確地測定半波長電壓。
對(duì)本發(fā)明的測定原理進(jìn)行說明。
假定1表示高頻AC信號(hào)34的相位變化，2表示低頻AC信號(hào)35的相位變化，MZ型光調(diào)制器1的輸出光可用式1表示。式中，I0是輸出光的最大值，Vp-p是高頻AC信號(hào)34的峰—峰電壓振幅值，f是被測頻率的高頻AC信號(hào)34的頻率。Vπ是被測頻率f的MZ型光調(diào)制器1的半波長電壓。
I=I02[1+cos(Φ1+Φ2)]]]>Φ1=πVp-p2Vπsin(2πft)···(1)]]>其次，式1中輸出光I對(duì)應(yīng)的低速響應(yīng)I′，相當(dāng)于對(duì)高頻AC信號(hào)(頻率f)取時(shí)間平均，可用式2表示。
I′=f∫01/fI02[1+cos(Φ1+Φ2)]dt]]>=f∫01/fI02[1+cosΦ1cosΦ2-sinΦ1sinΦ2]dt···(2)]]>進(jìn)一步，對(duì)式2進(jìn)行級(jí)數(shù)展開并整理后，得到式(3)。
I′=f∫01/fI02[1+cos{πVp-p2Vπsin(2πft)}cosΦ2-sin{πVp-p2Vπsin(2πft)}sinΦ2]dt]]>=f∫01/fI02[1+Σn=0∞ϵncos(2n·2πft)J2n{πVp-p2Vπ}cosΦ2]]>-Σn=0∞ϵnsin{(2n+1)2πft}J2n+1{πVp-p2Vπ}sinΦ2]dt]]>=I02[1+J0{πVp-p2Vπ}cosΦ2]···(3)]]>式中
式3表明，MZ型光調(diào)制器的輸出光的低速響應(yīng)I′可用常數(shù)項(xiàng)、0次的貝塞耳函數(shù)和余弦函數(shù)之積表示。在此，貝塞耳函數(shù)表示的值隨高頻AC信號(hào)34而輸出變化。余弦函數(shù)表示的值隨低頻AC信號(hào)35而輸出變化。
當(dāng)輸入讓貝塞耳函數(shù)項(xiàng)為0的電壓Vp-p的高頻AC信號(hào)34時(shí)，式3的第2項(xiàng)為0，無論低頻AC信號(hào)35是否輸入，輸出光的低速響應(yīng)I′都是I0/2，成為恒定輸出。此狀態(tài)如圖8(b)所示。
即，當(dāng)加在MZ型光調(diào)制器1上的高頻AC信號(hào)34的電壓振幅連續(xù)變化時(shí)，MZ型光調(diào)制器1的輸出光的低速響應(yīng)可在示波器58上觀測，如圖8(a)所示由于低頻AC信號(hào)的影響，輸出光的變動(dòng)狀況如圖8(b)所示當(dāng)輸出光為恒定時(shí)，通過測定輸入到MZ型光調(diào)制器1上的高頻AC信號(hào)34的電壓Vp-p，就能算出被測頻率f對(duì)應(yīng)的半波長電壓Vπ。
輸出光的低速響應(yīng)I′為恒定時(shí)Vp-p和Vπ的關(guān)系，可以根據(jù)式3的貝塞爾函數(shù)項(xiàng)為0的條件J0(πVp-p/(2Vπ))＝0 (J0是0次的貝塞爾函數(shù))所導(dǎo)出。
但是，因?yàn)槭?次貝塞爾函數(shù)為0的條件有多個(gè)，通常所需要的信號(hào)電壓為最小，根據(jù)最初輸出光為最小的峰—峰電壓振幅值Vp-pmin，利用關(guān)系式πVp-pmin/(2Vπ)＝2.405，可以計(jì)算出半波長電壓Vπ。
有關(guān)本發(fā)明的的實(shí)驗(yàn)例，如圖9、圖10所示。
激光源發(fā)射的1.55μm的激光，通過偏振波調(diào)節(jié)器42后，調(diào)整偏振波狀態(tài)，入射到MZ型的LN光調(diào)制器11。
被測頻率f的高頻AC信號(hào)和檢測器用低頻AC信號(hào)疊加后輸入到LN光調(diào)制器11。對(duì)于高頻AC信號(hào)的輸入，從高頻信號(hào)發(fā)生器34-1輸出的高頻微波由高頻放大器34-2可改變電壓振幅，并輸入到LN光調(diào)制器11的高頻用(RF)端口。同時(shí)，對(duì)于低頻AC信號(hào)的輸入，從低頻信號(hào)發(fā)生器35-1輸出的1kHz正弦波輸入到LN光調(diào)制器11的偏置(BIAS)端口。通過將低頻AC信號(hào)的振幅電壓設(shè)定為半波長電壓的2倍以上，始終可以得到輸出光的最大振幅，便于觀測，使測定更加精確。
LN光調(diào)制器11的輸出光用光檢波器57檢測，在示波器58中觀測檢測信號(hào)。
本實(shí)驗(yàn)的測定結(jié)果是對(duì)應(yīng)1GHz、5GHz、10GHz的檢測頻率，其半波長電壓分別為4.9V、5.7V、6.4V。
圖10表示將利用該測定結(jié)果時(shí)的LN光調(diào)制器11的光電響應(yīng)特性、和用光構(gòu)成分析儀得到的LN光調(diào)制器11的光電響應(yīng)特性的測定結(jié)果進(jìn)行比較的結(jié)果。比較結(jié)果顯示，兩者非常一致。本發(fā)明的測定方法與以往相比，盡管大幅度簡化了測定，也可以準(zhǔn)確捕捉LN光調(diào)制器11的特性，這可以說本發(fā)明的測定精度非常優(yōu)異。
此外，本發(fā)明的測定方法和裝置也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。比如高頻AC信號(hào)的電壓振幅Vp-p能從0開始自動(dòng)增加，輸出光的低速響應(yīng)I′的變動(dòng)幅度在規(guī)定值以內(nèi)(規(guī)定值接近0時(shí)可得到更正確的測定結(jié)果，因測定誤差等因素的影響要正好為0存在困難，因此應(yīng)根據(jù)測定結(jié)果的用途，希望設(shè)定進(jìn)行有效測定的值)時(shí)的Vp-p值被記錄，利用該值由另外設(shè)置的運(yùn)算裝置計(jì)算半波長電壓Vπ。然后，一邊依次變更被測頻率，一邊反復(fù)進(jìn)行同樣的測定方法，可以測定任意頻率范圍的半波長電壓。
根據(jù)本發(fā)明，利用檢測用低頻AC信號(hào)測定輸出光強(qiáng)度變化大致為0時(shí)的高頻AC信號(hào)的電壓振幅最小值Vp-pmin，只要代入式πVp-pmin/(2Vπ)＝2.405，就能簡單地測定MZ型光調(diào)制器的半波長電壓Vπ。
并且，即使被測頻率是高頻，因沒有必要直接觀測高頻波形，所以能夠進(jìn)行精確測量，同時(shí)由于是不依存偏置點(diǎn)的測定方法，因此，不需要進(jìn)行偏置點(diǎn)的調(diào)整，也不會(huì)受到光調(diào)制器偏置點(diǎn)變動(dòng)的影響進(jìn)一步，半波長電壓Vπ的計(jì)算只要用到參數(shù)Vp-pmin等，就可以提供非常有效的馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定方法及其裝置。
權(quán)利要求
1.一種馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定方法，在將被測頻率的高頻AC信號(hào)與檢測用低頻AC信號(hào)疊加后施加在馬赫曾德爾型光調(diào)制器上，或者分別將兩者施加在分別構(gòu)成的電極上，通過觀測該光調(diào)制器的輸出光的低速響應(yīng)來測定馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓的方法中，其特征在于讓該高頻AC信號(hào)的電壓振幅可變，采用根據(jù)該檢測用低頻AC信號(hào)讓輸出光強(qiáng)度變化大致為零時(shí)的該高頻AC信號(hào)的電壓振幅，測定馬赫曾德爾型光調(diào)制器的被測頻率中的半波長電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定方法，其特征在于根據(jù)該檢測用低頻AC信號(hào)讓輸出光強(qiáng)度變化大致為零時(shí)的該高頻AC信號(hào)的電壓振幅的峰—峰電壓振幅值Vp-p、和馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓Vπ之間的關(guān)系，滿足式J0(πVp-p/(2Vπ)＝0(J0是0次貝塞耳函數(shù))的關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定方法，其特征在于采用根據(jù)該檢測用低頻AC信號(hào)讓輸出光強(qiáng)度變化大致為零時(shí)的該高頻AC信號(hào)的電壓振幅，假定其峰—峰電壓振幅值為最小時(shí)的值是Vp-pmin時(shí)、馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓Vπ滿足式(πVp-pmin(2Vπ))＝2.405的關(guān)系。
4.一種馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定裝置，其特征在于采用權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓測定方法，可以測定馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓。
全文摘要
提供一種可以精密、并且不依賴于光調(diào)制器的偏置變動(dòng)的情況下測定馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓的方法及其裝置。在將被測頻率的高頻AC信號(hào)(34)和檢測用低頻AC信號(hào)(35)疊加后向馬赫曾德爾型光調(diào)制器(1)施加，或者將兩者分別向另外分別構(gòu)成的電極施加，通過觀測光調(diào)制器的輸出光的低速響應(yīng)測定馬赫曾德爾型光調(diào)制器的半波長電壓的方法中，讓該高頻AC信號(hào)(34)的電壓振幅可變，采用根據(jù)該檢測用低頻AC信號(hào)讓輸出光的強(qiáng)度變化大致為0時(shí)的該高頻AC信號(hào)(34)的電壓振幅，測定馬赫曾德爾型光調(diào)制器(1)的被測頻率中的半波長電壓。
文檔編號(hào)G02F1/225GK1539078SQ02815480
公開日2004年10月20日 申請日期2002年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月10日
發(fā)明者宮崎德一, 清水亮 申請人:住友大阪水泥股份有限公司