基于矢量网络分析仪的光器件S参数测量系统及方法

技术领域

本发明属于光电测试技术领域，涉及一种基于矢量网络分析仪的光器件S参数测量系统、 以及一种基于矢量网络分析仪的光器件S参数测量方法。

背景技术

高速光传输系统对系统中光器件的性能有着很高的要求，所以光器件参数测试手段是目 前高速光传输的重要研究方向之一。现有的光器件S参数测试系统主要有三类：第一类是针 对特定光器件的专用仪器测试系统，如半导体激光器参数测试仪、近红外光电探测器参数测 试仪，该类测试系统存在频率调制范围小、适用性差、品类少的缺点；第二类利用针对特定 功能的分立仪器组成的组合测试系统，如利用信号发生器、激光器、电光调制器、光电转换 器、微波功率计及频谱分析仪组成的组合测试系统，可用于各类光电器件的调制特性测试， 该类测试系统存在集成度差、系统累积误差大、校准困难和测试效率低等缺点；第三类是基 于矢量网络分析仪平台的光波元件分析系统，如杨保国在专利《一种基于矢量网络分析仪的 光波元器件测试的校准方法》中提到的利用矢量网络分析仪、电光转换、光电转换、环形器 组成的光波元件分析仪器，该类测试系统存在校准、操作复杂、端口利用效率低等缺点。由 此可见，现有技术中的测试系统均不能很好地满足高速光器件S参数的测试需求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于矢量网络分析仪的光器件 S参数测量系统，该系统具有集成度高、操作简易等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于矢量网络分析仪的光器件S参数测量系统，包括矢量网络分析仪和光波控制模块； 其中，

矢量网络分析仪包括信号源、信号处理单元、定向耦合器一、定向耦合器二、以及端口 一和端口二；

光波控制模块包括射频开关一、射频开关二、电光转换模块、光电转换模块、以及端口 三、端口四、端口五、端口六、端口七和端口八；

其中，端口一与端口三连接，端口二与端口四连接；

射频开关一用于选择接通端口五所在支路、或端口七所在支路，电光转换模块设置在端 口七所在支路上；

射频开关二用于选择接通端口六所在支路、或端口八所在支路，光电转换模块设置在端 口八所在支路上；

待测光器件的一端分别与端口五或端口七进行连接，待测光器件的另一端分别与端口六 或端口八进行连接。

进一步，所述光器件包括光电器件、电光器件和光光器件；且

当进行光电器件测试时，射频开关一选择接通端口七所在支路，同时射频开关二选择接 通端口六所在支路；

当进行电光器件测试时，射频开关一选择接通端口五所在支路，同时射频开关二选择接 通端口八所在支路；

当进行光光器件测试时，射频开关一选择接通端口七所在支路，同时射频开关二选择接 通端口八所在支路。

此外，本发明还提出了一种基于矢量网络分析仪的光电器件S参数测量方法，该测量方 法基于上述测量系统，其技术方案如下：

信号源产生的测试信号，一部分直接耦合到信号处理单元，另一部分经定向耦合器一由 端口一输出并经端口三进入光波控制模块；

信号进入光波控制模块后，沿着端口七所在支路到达端口七，并经端口七输出到达待测 光电器件，然后由端口六、端口六所在支路到达端口四，由端口四输出并经端口二进入矢量 网络分析仪，经定向耦合器二进入信号处理单元；

信号处理单元对直接耦合的信号和经待测光电器件后的信号进行处理，得出矢量网络分 析仪电平面S参数，经过计算得出待测光电器件的各项S参数信息。

进一步，待测光电器件的各项S参数信息计算过程如下：

根据mason公式得出：

$S_{22}=\frac{S_{22M}-E_{\mathrm{DR}}}{E_{\mathrm{RR}}+S_{22M}{E}_{\mathrm{SR}}-E_{\mathrm{DR}}{E}_{\mathrm{SR}}}---\left(1\right)$

$S_{21}=\frac{(S_{21M}-E_{\mathrm{XR}})(1-{\mathrm{eo}}_{11}{E}_{\mathrm{SF}})}{{\mathrm{eo}}_{21}{E}_{\mathrm{TF}}}(1-S_{22}{E}_{\mathrm{LF}})(1-S_{11}{\mathrm{eo}}_{22})---\left(2\right)$

实际上，待测光电器件的光端口反射和电光转换模块的光端口反射均比较微弱，故此处 S₁₁eo₂₂取0，即有：

$S_{21}=\frac{(S_{21M}-E_{\mathrm{XR}})(1-{\mathrm{eo}}_{11}{E}_{\mathrm{SF}})}{{\mathrm{eo}}_{21}{E}_{\mathrm{TF}}}(1-S_{22}{E}_{\mathrm{LF}})---\left(3\right)$

式(1)中，S_22M为矢量网络分析仪测得的矢量网络分析仪电平面S参数，可从矢量网络分 析仪得出；

E_DR、E_RR、E_SR为矢量网络分析仪误差，其中，E_DR表示方向性后向误差，E_RR表示反 射跟踪后向误差，E_SR表示源匹配后向误差；

由式(1)求得光电器件的S₂₂参数；

式(3)中，S_21M为矢量网络分析仪测得的矢量网络分析仪电平面S参数，可从矢量网络分 析仪得出；

eo₁₁、eo₂₁均为电光转换模块的S参数，通过计量得到；

E_XR、E_SF、E_TF、E_LF为矢量网络分析仪误差，其中，E_XR表示隔离后向误差，E_SF表示 源匹配前向误差，E_TF表示传输跟踪前向误差，E_LF表示负载匹配前向误差；

由式(3)求得光电器件的S₂₁参数。

此外，本发明还提出了一种基于矢量网络分析仪的电光器件S参数测量方法，该测量方 法基于上述测量系统，其技术方案如下：

信号源产生的测试信号，一部分直接耦合到信号处理单元，另一部分经定向耦合器一由 端口一输出并经端口三进入光波控制模块；

信号进入光波控制模块后，沿着端口五所在支路到达端口五，并经端口五输出到达待测 电光器件，然后由端口八、端口八所在支路到达端口四，由端口四输出并经端口二进入矢量 网络分析仪，经定向耦合器二进入信号处理单元；

信号处理单元对直接耦合的信号和经待测电光器件后的信号进行处理，得出矢量网络分 析仪电平面S参数，经过计算得出待测电光器件的各项S参数信息。

进一步，待测电光器件的各项S参数信息的计算过程如下：

根据mason公式得出：

$S_{11}=\frac{S_{11M}-E_{\mathrm{DF}}}{E_{\mathrm{RF}}+S_{11M}{E}_{\mathrm{SF}}-E_{\mathrm{DF}}{E}_{\mathrm{SF}}}---\left(4\right)$

$S_{21}=\frac{(S_{21M}-E_{\mathrm{XF}})(1-{\mathrm{oe}}_{22}{E}_{\mathrm{LF}})}{{\mathrm{oe}}_{21}{E}_{\mathrm{TF}}}(1-S_{11}{E}_{\mathrm{SF}})(1-{\mathrm{oe}}_{11}{S}_{22})---\left(5\right)$

实际上，光电转换模块的光端口反射和待测电光器件的光端口反射均比较微弱，故此处 取oe₁₁S₂₂为0，即有：

$S_{21}=\frac{(S_{21M}-E_{\mathrm{XF}})(1-{\mathrm{oe}}_{22}{E}_{\mathrm{LF}})}{{\mathrm{oe}}_{21}{E}_{\mathrm{TF}}}(1-S_{11}{E}_{\mathrm{SF}})---\left(6\right)$

式(4)中，S_11M为矢量网络分析仪测得的矢量网络分析仪电平面S参数，可从矢量网络分 析仪得出；

E_DF、E_RF、E_SF为矢量网络分析仪误差，其中，E_DF表示方向性前向误差，E_RF表示反 射跟踪前向误差，E_SF表示源匹配前向误差；

由式(4)求得被测电光器件的S₁₁参数；

式(6)中，S_21M为矢量网络分析仪测得的矢量网络分析仪电平面S参数，可从矢量网络 分析仪得出；

oe₂₁、oe₂₂均为光电转换模块的S参数，通过计量得到；

E_XF、E_LF、E_TF、E_SF为矢量网络分析仪误差，其中，E_XF表示隔离前向误差，E_LF表示 负载匹配前向误差，E_TF表示传输跟踪前向误差，E_SF表示源匹配前向误差；

由式(6)求得电光器件的S₂₁参数。

此外，本发明还提出了一种基于矢量网络分析仪的光光器件S参数测量方法，该测量方 法基于上述测量系统，其技术方案如下：

信号源产生的测试信号，一部分直接耦合到信号处理单元，另一部分经定向耦合器一由 端口一输出并经端口三进入光波控制模块；

信号进入光波控制模块后，沿着端口七所在支路到达端口七，并经端口七输出到达待测 光光器件，然后由端口八、端口八所在支路到达端口四，由端口四输出并经端口二进入矢量 网络分析仪，经定向耦合器二进入信号处理单元；

信号处理单元对直接耦合的信号和经待测光光器件后的信号进行处理，得出矢量网络分 析仪电平面S参数，经过计算得出待测光光器件的各项S参数信息。

进一步，待测光光器件的各项S参数信息的计算过程如下：

根据mason公式得出：

$S_{21}=\frac{(S_{21M}-E_{\mathrm{XF}})(1-{\mathrm{eo}}_{11}{E}_{\mathrm{SF}})(1-{\mathrm{oe}}_{22}{E}_{\mathrm{LF}})}{E_{\mathrm{TF}}{\mathrm{eo}}_{21}{\mathrm{oe}}_{21}}·(1-S_{11}{\mathrm{eo}}_{22})(1-{\mathrm{oe}}_{11}{S}_{22})---\left(7\right)$

实际上，电光转换模块的光端口反射、待测光光器件的光端口反射和光电转换模块的光 端口反射均比较微弱，故此处S₁₁eo₂₂、oe₁₁S₂₂均取0，可得：

$S_{21}=\frac{(S_{21M}-E_{\mathrm{XF}})(1-{\mathrm{eo}}_{11}{E}_{\mathrm{SF}})(1-{\mathrm{oe}}_{22}{E}_{\mathrm{LF}})}{E_{\mathrm{TF}}{\mathrm{eo}}_{21}{\mathrm{oe}}_{21}}---\left(8\right)$

式(8)中，S_21M为矢量网络分析仪测得的矢量网络分析仪电平面S参数，可从矢量网络分 析仪得出；

eo₂₁、eo₁₁为电光转换模块的S参数，oe₂₁、oe₂₂为光电转换模块的S参数，eo₂₁、eo₁₁、 oe₂₁、oe₂₂均通过计量得到；

E_XF、E_LF、E_TF、E_SF为矢量网络分析仪误差，其中，E_XF表示隔离前向误差，E_LF表示 负载匹配前向误差，E_TF表示传输跟踪前向误差，E_SF表示源匹配前向误差；

由式(8)求得光光器件的S₂₁参数。

本发明具有如下优点：

在高速光器件S参数测量中，采用基于矢量网络分析仪的测量系统及方法，只需要对矢 量网络分析仪进行双端口电校准，无需进行光校准，简化了校准过程；将矢量网络分析仪与 光波控制模块连接带来的误差综合考虑，建立适用于测量系统的新误差模型，提高了系统的 精度；光器件S参数的计算只需在矢量网络分析仪测得结果的基础上进行简单计算，算法简 单；采用射频开关控制信号流向，增加了矢量网络分析仪端口的利用率。与现有技术相比， 本发明测量系统集成度高，测量方法操作简易、计算简单且精度高。

附图说明

图1为本发明中基于矢量网络分析仪的光器件S参数测量系统的结构图；

图2为本发明中矢量网络分析仪12项误差模型图；

图3为本发明中光电器件测量误差模型图；

图4为本发明中电光器件测量误差模型图；

图5为本发明中光光器件测量误差模型图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图1所示，基于矢量网络分析仪的光器件S参数测量系统，包括矢量网络分析仪和 光波控制模块。其中，

矢量网络分析仪包括信号源、信号处理单元、定向耦合器一、定向耦合器二、以及端口 一和端口二。

光波控制模块包括射频开关一、射频开关二、电光转换模块、光电转换模块、以及端口 三、端口四、端口五、端口六、端口七和端口八。

其中，端口一与端口三连接，端口二与端口四连接。

射频开关一用于选择接通端口五所在支路、或端口七所在支路，电光转换模块设置在端 口七所在支路上。

射频开关二用于选择接通端口六所在支路、或端口八所在支路，光电转换模块设置在端 口八所在支路上。

待测光器件的一端分别与端口五或端口七进行连接，待测光器件的另一端分别与端口六 或端口八进行连接。

具体的，待测光器件包括光电器件、电光器件和光光器件三类。其中，

当进行光电器件测试时，射频开关一选择接通端口七所在支路，同时射频开关二选择接 通端口六所在支路；

当进行电光器件测试时，射频开关一选择接通端口五所在支路，同时射频开关二选择接 通端口八所在支路；

当进行光光器件测试时，射频开关一选择接通端口七所在支路，同时射频开关二选择接 通端口八所在支路。

图2示出了矢量网络分析仪12项误差模型，其中，各项误差介绍如表1所示。

表1

以上误差项的确定采用常用的SOLT法，即短路器、开路器、匹配负载、直通法，此方 法比较常见，此处不在赘述。

经过标定后，12项误差系数可以得出。

注意此处标定的端口为端口五和端口六，这样可以将矢量网络分析仪与光波控制模块之 间的连接线缆带来的误差同时进行标定，减少了系统误差。

1下面针对光电器件介绍其S参数测量方法

信号源产生的测试信号，一部分直接耦合到信号处理单元，另一部分经定向耦合器一由 端口一输出并经端口三进入光波控制模块；

信号进入光波控制模块后，沿着端口七所在支路到达端口七，并经端口七输出到达待测 光电器件，然后由端口六、端口六所在支路到达端口四，由端口四输出并经端口二进入矢量 网络分析仪，经定向耦合器二进入信号处理单元；

信号处理单元对直接耦合的信号和经待测光电器件后的信号进行处理，得出矢量网络分 析仪电平面S参数，经过计算得出待测光电器件的各项S参数信息。具体的，

系统误差模型如图3所示，根据mason公式得出：

$S_{22}=\frac{S_{22M}-E_{\mathrm{DR}}}{E_{\mathrm{RR}}+S_{22M}{E}_{\mathrm{SR}}-E_{\mathrm{DR}}{E}_{\mathrm{SR}}}---\left(1\right)$

$S_{21}=\frac{(S_{21M}-E_{\mathrm{XR}})(1-{\mathrm{eo}}_{11}{E}_{\mathrm{SF}})}{{\mathrm{eo}}_{21}{E}_{\mathrm{TF}}}(1-S_{22}{E}_{\mathrm{LF}})(1-S_{11}{\mathrm{eo}}_{22})---\left(2\right)$

实际上，待测光电器件的光端口反射和电光转换模块的光端口反射均比较微弱，故认为 S₁₁eo₂₂为0，即有：

$S_{21}=\frac{(S_{21M}-E_{\mathrm{XR}})(1-{\mathrm{eo}}_{11}{E}_{\mathrm{SF}})}{{\mathrm{eo}}_{21}{E}_{\mathrm{TF}}}(1-S_{22}{E}_{\mathrm{LF}})---\left(3\right)$

式(1)中，S_22M为矢量网络分析仪测得的矢量网络分析仪电平面S参数，可从矢量网络分 析仪得出。

E_DR、E_RR、E_SR为矢量网络分析仪误差，如表1所示。

由式(1)可以求得光电器件的S₂₂参数。

式(3)中，S_21M为矢量网络分析仪测得的矢量网络分析仪电平面S参数，可从矢量网络分 析仪得出。

eo₁₁、eo₂₁均为电光转换模块的S参数，可通过计量得到。

E_XR、E_SF、E_TF、E_LF为矢量网络分析仪误差，如表1所示。

由式(3)可以求得光电器件的S₂₁参数。

2下面针对电光器件介绍其S参数测量方法

信号源产生的测试信号，一部分直接耦合到信号处理单元，另一部分经定向耦合器一由 端口一输出并经端口三进入光波控制模块；

信号进入光波控制模块后，沿着端口五所在支路到达端口五，并经端口五输出到达待测 电光器件，然后由端口八、端口八所在支路到达端口四，由端口四输出并经端口二进入矢量 网络分析仪，经定向耦合器二进入信号处理单元；

信号处理单元对直接耦合的信号和经待测电光器件后的信号进行处理，得出矢量网络分 析仪电平面S参数，经过计算得出待测电光器件的各项S参数信息。具体的，

系统误差模型如图4所示，根据mason公式得出：

$S_{11}=\frac{S_{11M}-E_{\mathrm{DF}}}{E_{\mathrm{RF}}+S_{11M}{E}_{\mathrm{SF}}-E_{\mathrm{DF}}{E}_{\mathrm{SF}}}---\left(4\right)$

$S_{21}=\frac{(S_{21M}-E_{\mathrm{XF}})(1-{\mathrm{oe}}_{22}{E}_{\mathrm{LF}})}{{\mathrm{oe}}_{21}{E}_{\mathrm{TF}}}(1-S_{11}{E}_{\mathrm{SF}})(1-{\mathrm{oe}}_{11}{S}_{22})---\left(5\right)$

实际上，光电转换模块的光端口反射和待测电光器件的光端口反射均比较微弱，故认为 oe₁₁S₂₂为0，即有：

$S_{21}=\frac{(S_{21M}-E_{\mathrm{XF}})(1-{\mathrm{oe}}_{22}{E}_{\mathrm{LF}})}{{\mathrm{oe}}_{21}{E}_{\mathrm{TF}}}(1-S_{11}{E}_{\mathrm{SF}})---\left(6\right)$

式(4)中，S_11M为矢量网络分析仪测得的矢量网络分析仪电平面S参数，可从矢量网络分 析仪得出。

E_DF、E_RF、E_SF为矢量网络分析仪误差，如表1所示。

由式(4)可以得到被测电光器件的S₁₁参数。

式(6)中，S_21M为矢量网络分析仪测得的矢量网络分析仪电平面S参数，可从矢量网络 分析仪得出。

oe₂₁、oe₂₂均为光电转换模块的S参数，可通过计量得到。

E_XF、E_LF、E_TF、E_SF为矢量网络分析仪误差，如表1所示。

由式(6)可以求得电光器件的S₂₁参数。

3下面针对光光器件介绍其S参数测量方法

信号源产生的测试信号，一部分直接耦合到信号处理单元，另一部分经定向耦合器一由 端口一输出并经端口三进入光波控制模块；

信号进入光波控制模块后，沿着端口七所在支路到达端口七，并经端口七输出到达待测 光光器件，然后由端口八、端口八所在支路到达端口四，由端口四输出并经端口二进入矢量 网络分析仪，经定向耦合器二进入信号处理单元；

信号处理单元对直接耦合的信号和经待测光光器件后的信号进行处理，得出矢量网络分 析仪电平面S参数，经过计算得出待测光光器件的各项S参数信息。具体的，

系统误差模型如图5所示，根据mason公式得出：

$S_{21}=\frac{(S_{21M}-E_{\mathrm{XF}})(1-{\mathrm{eo}}_{11}{E}_{\mathrm{SF}})(1-{\mathrm{oe}}_{22}{E}_{\mathrm{LF}})}{E_{\mathrm{TF}}{\mathrm{eo}}_{21}{\mathrm{oe}}_{21}}·(1-S_{11}{\mathrm{eo}}_{22})(1-{\mathrm{oe}}_{11}{S}_{22})---\left(7\right)$

实际上，电光转换模块的光端口反射、待测光光器件的光端口反射和光电转换模块的光 端口反射均比较微弱，故认为S₁₁eo₂₂、oe₁₁S₂₂为0，可得：

$S_{21}=\frac{(S_{21M}-E_{\mathrm{XF}})(1-{\mathrm{eo}}_{11}{E}_{\mathrm{SF}})(1-{\mathrm{oe}}_{22}{E}_{\mathrm{LF}})}{E_{\mathrm{TF}}{\mathrm{eo}}_{21}{\mathrm{oe}}_{21}}---\left(8\right)$

式(8)中，S_21M为矢量网络分析仪测得的矢量网络分析仪电平面S参数，可从矢量网络分 析仪得出。

eo₂₁、eo₁₁为电光转换模块的S参数，oe₂₁、oe₂₂为光电转换模块的S参数，eo₂₁、eo₁₁、 oe₂₁、oe₂₂均可通过计量得到。

E_XF、E_LF、E_TF、E_SF为矢量网络分析仪误差，如表1所示。

由式(8)可以求得光光器件的S₂₁参数。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说 明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变 形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。