An Analyser of Amplitude-Frequency Characteristics of Wideband Photodetectors Based on a Single Mach-Zehnder Modulator
An Analyser of Amplitude-Frequency Characteristics of Wideband Photodetectors Based on a Single Mach-Zehnder Modulator
Abstract
The main characteristic determining the efficiency of photodetectors application in high-speed fibre optic and radiophotonic communication lines is their broadband amplitude-frequency response (AFR). The article is dedicated to the analysis of methods and means for measuring the AFR of wideband photodetectors (WBPD) with high resolution and the possibility of its obtaining in the full range at a small range of scanning frequency variation. As a rule, such analysers contain at least a special laser diode and two modulating devices, the characteristics of which have a significant influence on the measurement accuracy, and providing the required operating modes – on the complexity of the meter structure. The aim of the work is to construct a new method and analyser with structure minimization and simple control. Unlike the existing ones, the developed analyser uses only one calibrated amplitude Mach-Zehnder modulator (AMMZ) as a basic unit, which is switched on before the WBPD. In this case, the modulator operates in the "zero" operating point with carrier suppression, implementing amplitude-phase modulation to convert single-frequency coherent radiation into four-frequency radiation on equal in amplitude first and third side components of a single modulating radio-frequency radiation with frequency fRF, scanning to obtain the full AFR of the WBPD. According to the results of photo-mixing of four frequency components by means of an electronic vector analyser, the AFR of the WBPD is determined by three frequency components 2fRF, 4fRF and 6fRF at each value of the scanning frequency. As a result, a method and an analyser for its implementation with a minimized structure consisting of one AMMZ controlled by one radio frequency signal have been developed, and its scanning range can be up to six times smaller than the bandwidth of the tested WBPD.
1. Введение
Широкополосные фотодетекторы (ШФД) являются важными элементами оптических приемников в системах оптоволоконной и радиофотонной связи . Контроль частотных характеристик ШФД с высоким разрешением и высокой точностью очень важен для оценки не только характеристик самого устройства, но и характеристик указанных систем в целом . Известны многочисленные методы контроля частотных характеристик ШФД с использованием зондирующих излучений, сформированных полностью оптическими или электрооптическими методами .
Полностью оптические методы позволяют проводить измерения спектральных характеристик ШФД на основе гетеродинных и шумовых зондирующих излучений. Однако гетеродинные оптические методы биений требуют контроля самого зондирующего излучения по дрейфу длины волны и флуктуациям мощности с чрезвычайно высокой точностью . Метод оптических биений с шумовым сигналом характеризуется низким отношением сигнал/шум и недостаточным разрешением по частоте .
Напротив, электрооптические методы эффективно используют модуляционные подходы для улучшения разрешения по частоте. При этом широко используемый метод электрооптической качающейся частоты сам нуждается в проведении периодической калибровки, чтобы исключить влияние нелинейностей формирующего модулятора. Метод качающейся частоты получил широкое распространение благодаря простоте системы и удобству работы. Однако диапазон частот измерения методом качающейся частоты ограничен частотным диапазоном микроволнового источника, а результат измерения, как уже говорилось, содержит в себе отклик частотной характеристики модулятора.
Метод многочастотного анализа , метод двухтональной модуляции интенсивности и метод модуляции с подавлением несущей удваивают частотный диапазон измерений, уменьшая при этом влияние АЧХ модулятора на результаты измерений. Как недостаток последнего метода в приводится аргумент об ограниченности метода по диапазону измерения, хотя это утверждение условно и зависит от решаемых на практике задач, или необходимость использования двух лазеров, биения между которыми всегда представляют проблему.
Основываясь на данном аргументе, в , предложено заменить первый каскад модулятора на специальный лазер. В предложен метод модуляции с подавлением несущей, использующий лазер с прямой модуляцией (DML) на фиксированной частоте в качестве источника света. Для работы используется оптический перестраиваемый фильтр (OTF), выделяющий одну боковую полосы первого порядка модулированного источника света и создания излучения с двумя длинами волн, состоящего из несущей и другой боковой полосы первого порядка. Модулятор, следующий за фильтром и настроенный на «нулевую» рабочую точку, используется для формирования двух пар боковых полос первого порядка, генерируемых в диапазоне измерений, которые смешиваются друг с другом и генерируют различные частотные компоненты в электрической области ФД. Частотная характеристика ФД может быть получена непосредственно из отношения мощностей конкретных частотных составляющих. Таким образом, прямой метод модуляции лазера для генерации двучастотного излучения позволяет избежать проблемы нестабильности частотного интервала, вызванной работой двух лазеров при разных внешних возмущениях, но достаточно сложен в стабильности реализации . Недавно был представлен метод низкоскоростной фотонной выборки для измерения АЧХ в сверхшироком диапазоне частот на основе лазерного диода с синхронизацией мод (MLLD), который также свободен от влияния неравномерности частотных характеристик других элементов в установке . Тем не менее основная трудность этого метода заключается в том, что невозможно получить сверхточное измерение в любой частотной точке, поскольку разрешение по частоте ограничено десятками МГц частоты повторения MLLD.
В также отмечается, что электрооптический метод модуляции с подавлением несущей требует активного управления смещением двух модуляторов интенсивности . Для измерения без калибровки и дрейфа смещения была предложена гетеродинная схема со сдвигом частоты на акустооптическом модуляторе для измерения АЧХ ШФД .
Таким образом, применение специальных лазерных источников и методов устранения дрейфа и смещения рабочей точки не дают возможности решения задачи построения АЧХ ШФД по упрощенной схеме: одночастотный лазер плюс модулятор. Поэтому нами были изучены различные аспекты формирования двухполосных двухчастотных зондирующих излучений с подавленной несущей для создания анализатора АЧХ ШФД с минимизированной структурой.
В работе предлагается использовать, опробованную нами в схему для контроля спектральных характеристик амплитудных модуляторов Маха-Цендера (АММЦ) с рядом модификаций: исключен первый модулятор; тонкий выбор параметров модуляции для второго классического АММЦ позволяет выполнить на его базе формирователь четырехчастотного зондирующего излучения (ЧЧЗИ) с подавленной несущей и равными по амплитуде составляющими на первой и третьей боковых полосах модулирующего радиочастотного сигнала; этот же радиочастотный сигнал позволяет просканировать АЧХ ШФД в полной полосе пропускания, при этом диапазон сканирования будет значительно меньше и позволить использовать относительно узкополосный генератор радиочастот.
Таким образом, целью работы является создание анализатора АЧХ ШФД с минимизацией его структуры до одного АММЦ, а также использованием одного управляющего радиочастотного сигнала как для формирования ЧЧЗИ, так и сканирования полосы пропускания ШФД.
Для достижения цели в первом разделе статьи рассмотрена предлагаемая структура анализатора и принципы его работы для формирования ЧЧЗИ для анализа АЧХ ШФД. Во втором разделе представлены математические модели получения радиочастотной информации с ШФД для построения его АЧХ. В третьем разделе обсуждены результаты экспериментальных исследований и вопросы обеспечения точности и стабильности измерений. В заключении подведены итоги работы и определены направления дальнейших исследований.
2. Структурная схема анализатора АЧХ ШФД
На рис. 1 представлена структурная схема анализатора для демонстрации метода построения АЧХ тестируемого ШФД. На рис. 2 представлены спектрограммы формирования ЧЧЗИ и информационного сигнала радиодиапазона для построения АЧХ тестируемого ШФД.
Рисунок 1 - Структурная схема анализатора
Примечание: КРТ – контроллер рабочей точки; У – усилитель; МК – микроконтроллер; ЭВА – электронный векторный анализатор
Рисунок 2 - Спектрограммы (а, в) и условия (б) формирования ЧЧЗИ для мониторинга ШФД, спектрограмма информационных сигналов радиодиапазона для построения его АЧХ (г)
Полученное ЧЧЗИ поступает далее на ШФД. Обе боковые полосы после фотосмешения позволяют получить информацию о спектральной характеристике исследуемого ШФП в трех точках ,
и
для одного измерения с помощью электронного векторного анализатора (ЭВА) (рис. 2, г). Мощность указанных составляющих является откликом тестируемого ШФД. Следовательно, сканируя частоту зондирования
с помощью генератора G1 можно получить полную АЧХ тестируемого ШФД. При этом диапазон сканирования составит от 0 до
, а диапазон измерений от 0 до
, где
, в принципе, должно быть соизмеримо с шириной полосы пропускания ШФД.
3. Математическое моделирование процедур построения АЧХ ШФД
Анализ отдельных поставленных задач, позволил предположить возможность их решения на основе определения эффективности преобразования зондирующего излучения в ШФД из отношения между оптической мощностью ЧЧЗИ и электрической мощностью одночастотных сигналов биений между его компонентами.
Математически, лазерное излучение на выходе калиброванного АММЦ с учетом малости амплитуды, подавленной несущей может быть описано, следующим выражением:
где коэффициент амплитудно-фазовой модуляции калиброванного модулятора.
При = 3,102 получим
Ток на выходе фотодетектора можно описать с помощью разложения Якоби-Ангера с выделением искомых составляющих на частоте
где спектральный отклик ШФД на частоте
.
Относительный частотный отклик тестируемого ШФД может быть вычислен по отношению каждого слагаемого (3) к значению отклика на максимальной частоте сканирования = 5 ГГц, назовем ее также реперной. При этом может быть исследована АЧХ ШФД с полосой пропускания 30 ГГц.
может быть получен в ходе каждого периода сканирования при использовании
= 1,53 (точка В, рис. 2, б).
Учитывая (3) получим:
где – нагрузка тестируемого фотоприемника, (4) – мощность тестируемого фотоприемника на частоте
, (5) – отклик тестируемого фотоприемника на частотах
, (6) – отклик тестируемого фотоприемника на частотах
, (7) – отклик тестируемого фотоприемника на частотах
.
Из (4-7) видно, что АЧХ тестируемого ШФД может быть получена с помощью предложенного метода, заключающегося в формировании ЧЧЗИ с подавленной несущей, разовом сканировании в диапазоне от 0 до
и регистрации информационных сигналов на частотах биений ее компонент
,
и
на выходе фотодетектора с самокалибровкой по реперной частоте
.
4. Результаты экспериментальных исследований
Для проверки работоспособности предлагаемого анализатора АЧХ ШФД был проведен макетный эксперимент в диапазоне до 0-30 ГГц при диапазоне сканирования 0-5 ГГц. В макете использован ПЛД на C+L диапазон (Quantifi Photonics), настроенный на длину волны 1550,108 нм для генерации непрерывного излучения мощностью 10 дБм. Для достижения ЧЧЗИ с подавленной несущей в качестве калиброванного АММЦ использован коммерческий амплитудный модулятор с полосой до 10 ГГц (MXAN-LN-10), напряжение смещения постоянного напряжения которого в «нулевой» рабочей точке точно регулировалось с помощью контроллера рабочей точки КРТ1 (рис. 1). Калиброванный ЭВА цепей FSH8 (R&S) использовался для генерации одночастотного микроволнового сигнала с частотным сканированием, подаваемого на АММЦ, обеспечения коэффициента модуляции = 3,102 и измерения мощности восстановленных из ЧЧЗИ сигналов биений на разностных частотах
,
и
.
В качестве тестируемого использовался ШФД Р30А (Apic). Обоснованный выбор значения разностной частоты шага частоты сводился к определению по рис. 3 точки пересечения кривых шумовой характеристики типового ШФД и разрешающей способности измерений и составил с учетом ширины линии излучения лазера 50 МГц. Данный выбор был сделан на основе рекомендаций теории сверхузкополосного пакета дискретных частот (СПДЧ) . При использовании сверхузкополосного лазера (доли кГц) она может быть определена частотами 0,5-5 кГц.
Рисунок 3 - К выбору шага сканирования для измерения АЧХ
Сканирование осуществлялось в диапазоне от 0,1 до 5 ГГц с шагом и разрешением в 50 МГц. Ширину полосы тестируемого ШФД определяли до частот чуть более 20 ГГц. Точки измерения (кружки) показаны с шагом 500 МГц. Для регистрации частот свыше 5 ГГц использовался разработанный на кафедре РФМТ измеритель мгновенных частот, основанный на анализе множества неизвестных частот по неплоской гребенке, сформированной в фазовом электрооптическом модуляторе .
Рисунок 4 - Относительная АЧХ тестируемого ШФД
5. Заключение
В работе был предложен метод и экспериментально продемонстрирован реализующий его анализатор АЧХ ШФД с минимизацией структуры и управлением с помощью одного радиочастотного сигнала.
При анализе АЧХ ШФД достигнуто учетверение диапазона измерения, основанное на формировании ЧЧЗИ на особенностях модуляционной характеристики АММЦ. АЧХ ШФД в частотном диапазоне 20 ГГц, были получены с помощью компонент сканирования с частотой 5 ГГц. При дальнейших исследованиях при тех же параметрах сканирования может быть достигнут диапазон измерений в 30 ГГц, что будет свидетельствовать об ушестерении диапазона измерений по сравнению с диапазоном сканирования.
Можно предположить, что проведенные измерения нечувствительны к смещению рабочей точки ММЦ, потому что они основаны на относительной амплитуде, а не на абсолютной амплитуде ЧЧЗИ. По сравнению с обычным гетеродинным методом, метод обеспечивает очень узкую ширину линии компонент ЧЧЗИ из-за полностью когерентных оптических боковых полос, и обеспечивает самокалибровку без коррекции изменения мощности ЧЧЗИ.
В отличие от существующих устройств достигнута упрощенная структура анализатора на базе одного универсального лазера и модулятора, что делает анализатор экономически эффективными для практического применения. Кроме того, формирование ЧЧЗИ применимо для различных уровней зондирования и рабочих длин волн. АЧХ на радиочастотах были получены из мощности продуктов биений компонент ЧЧЗИ, соотнесенных к значениям мощности реперной частоты.
Новый анализатор АЧХ ШФД с минимизацией структуры и расширением диапазона измерений представляет собой простое, недорогое и надежное решение, которое преодолевает недостатки известных решений. Его преимущества могут стать более существенными при построении анализатора по технологиям микроволновых фотонных интегральных схем, особенно при условиях влияния внешних климатических факторов. Следует отметить и возможность применения указанных схем в других областях радиофотоники: для измерения неизвестных оптических и микроволновых частот, что также существенно для практики широкополосных линий волоконно-оптической и радиофотонной связи , , , радиолокации и радионавигации , .