一种基于矢量网络分析仪的光波元器件测试的校准方法

摘要

本发明提出了一种基于矢量网络分析仪的光波元器件测试的校准方法，矢量网络分析仪的信号源产生测试信号，一路测试信号通过耦合器耦合至矢量网络分析仪接收机R1通道接收，另一路测试信号进入电光转换模块，电光转换模块输出的光信号加载于被测光波元器件，被测光波元器件的传输信号由光电转换模块转换为电信号，由矢量网络分析仪接收机B通道接收，被测光波元器件的反射信号经环形器由另一光电转换模块转换为电信号后由矢量网络分析仪接收机C通道接收；所述接收机R1通道为端口1，接收机B通道为端口2，接收机C通道为端口3。本发明的系统成本更低，校准精度更高，操作简单。

说明书

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种基于矢量网络分析仪的光波元器 件测试的校准方法。

背景技术

随着光通信技术的发展，光波元器件测试和分析的重要性越加凸显出来。 目前已有的测试方法分为两种：一种是使用专门的光波元器件分析仪，即使用 光波直接激励被测元器件，分析其反射与传输波，直接测定被测元器件特性， 这种方法的优点是仪器校准技术成熟，但频率(波长)分辨率较低；另一种是 使用光电子的方法，使用微波调制到光波波长激励被测件，再将传输和反射信 号解调至微波频段进行分析，它的优点是频率(波长)分辨率较高，但系统误 差难以校准。

还有一种简便的实现方法，直接使用矢量网络分析仪和光电子转换器件搭 建光波分析平台，但其校准只能初步校准，其相位测试结果精度不高。目前基 于矢量网络分析仪的光波元器件校准只能进行直通校准。

发明内容

针对上述三种光波元器件测试方法的缺点，本发明提出了一种基于矢量网 络分析仪的光元器件测试校准方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于矢量网络分析仪的光波元器件测试的校准方法，矢量网络分析仪 的信号源产生测试信号，一路测试信号通过耦合器耦合至矢量网络分析仪接收 机R1通道接收，另一路测试信号进入电光转换模块，电光转换模块输出的光信 号加载于被测光波元器件，被测光波元器件的传输信号由光电转换模块转换为 电信号，由矢量网络分析仪接收机B通道接收，被测光波元器件的反射信号经 环形器由另一光电转换模块转换为电信号后由矢量网络分析仪接收机C通道接 收；所述接收机R1通道为端口1，接收机B通道为端口2，接收机C通道为端 口3：

端口1微波误差包括方向性误差EDF、传输跟踪误差ESTF、源失配误差 ESF和反射跟踪误差ESRF；

E/O转换器件模型包括电光转换传输误差系数ESOTF和E/O器件微波端的 方向性误差EEODF；

O/E转换器件模型包括O/E器件的传输误差系数EOSTF、O/E器件的匹配 误差EOESF和一个内部的微波匹配误差；

端口2和端口3的微波误差包括接收机传输跟踪误差ERTF和接收机失配误 差ELF；

被测光波元器件模型仅包括传输误差系数OS₂₁和反射误差系数OS₁₁两个参 数；

以被测光波元器件为测试平面，将E/O和O/E器件的误差和端口1、端口2、 端口3的微波误差合并，输入端使用矢量网络分析仪内部接收机C/R1，传输端 口为矢量网络分析仪接收机B/R1，简化基于矢量网络分析仪的光波元器件测试 误差模型；

校准过程包括：

步骤(a)，将测试E/O转换器后端空置，矢量网络分析仪中测试量S_31M和 S_21M为：

$S_{31M}=\frac{C}{R_1}=e_{00}=M_1---\left(1\right)$

$S_{21M}=\frac{B}{R_1}=e_{31}=M_2---\left(2\right)$

步骤(b)，接入光全反射计，其反射特性系数OS₁₁＝1，矢量网络分析仪中 测试量S_31M为：

$S_{31M}=\frac{C}{R_1}=e_{00}+\frac{e_{10}*e_{01}}{1-e_{41}*e_{14}}=M_3---\left(3\right)$

步骤(c)，将E/O转换器后端测试端口和O/E转换器前端测试端口直接相 连，传输特性系数OS₂₁＝1，矢量网络分析仪中测试量S_21M为：

$S_{21M}=\frac{B}{R_1}=e_{31}+\frac{e_{10}*e_{32}}{1-e_{35}*e_{53}}=M_4---\left(4\right)$

校准完毕，接入被测光波元器件，被测光波元器件的传输特性测试值OS_11M和反射特性测试值OS_21M的表达式为：

$S_{31M}=\frac{C}{R_1}=e_{00}+\frac{e_{10}*e_{01}}{1-e_{41}*e_{14}}*O{S}_{11}---\left(5\right)$

$S_{21M}=\frac{B}{R_1}=e_{31}+\frac{e_{10}*e_{32}}{1-e_{35}*e_{53}}*O{S}_{21}---\left(6\right)$

校准后的测试结果为：

${\mathrm{OS}}_{11}=\frac{S_{31M}-M_1}{M_3-M_1}---\left(7\right)$

${\mathrm{OS}}_{21}=\frac{S_{21M}-M_2}{M_4-M_2}---\left(8\right).$

本发明的有益效果是：

(1)同时对矢量网络分析仪内部误差和光电子转换模块误差进行校准；

(2)同时提高相位和幅度测试精度；

(3)提高平台测试动态范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于矢量网络分析仪的光波元器件测试的校准方法的测试原 理图；

图2为基于矢量网络分析仪的光波元器件测试误差模型图；

图3为基于矢量网络分析仪的光波元器件测试误差等效模型图；

图4为E/O后端测试端口空置误差模型图；

图5为E/O后端测试端口接入光全反射计误差模型图；

图6为测试端口直接相连接误差模型图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前基于矢量网络分析仪的光波元器件校准只进行了直通校准。本发明使 用矢量网络分析仪和光电子转换器件搭建光波分析平台，建立其测试误差模型， 给出一种精度较高、可以对矢量网络分析仪内部和光电子模块误差同时校准的 方法。

本发明基于矢量网络分析仪的光波元器件测试的校准方法的测试原理如图 1所示。矢量网络分析仪VNA的信号源产生测试信号，使用耦合器耦合一路测 试信号至VNA接收机R1通道接收。另一路测试信号进入电光转换模块E/O， E/O输出的光信号加载于被测光电元器件DUT。被测光电元器件的传输信号由 光电转换模块O/E转换为电信号，由VNA接收机B通道接收。被测光电元器 件的反射信号经环形器至另一光电转换模块O/E转换为电信号后由接收机C通 道接收。矢量网络分析内部信号源和一路本振源Lo由同一频率参考产生；调制 源为电光转换模块E/O提供调制信号；解调源为光电转换模块O/E提供解调信 号。上述耦合器也可使用电桥替代。

矢量网络分析仪VNA包括4个端口，本发明的VNA使用了其中三个端口， 端口1、端口2和端口3的选取是随机性的，并不作为对本发明保护范围的限制。 端口1使用了R1接收机，为R1通道；端口2使用了接收机B，为B通道；端 口3使用了接收机C，为C通道。

基于矢量网络分析仪光波元器件测试误差模型如图2所示，端口1微波误 差中包括方向性误差EDF、传输跟踪误差ESTF、源失配误差ESF和反射跟踪 误差ESRF。

E/O转换器件中由于光不存在匹配问题，光的反射回波不引起E/O微波入 射信号的变化，因此E/O转换器件模型包括电光转换传输系数ESOTF和E/O器 件微波端的方向性误差EEODF。

O/E转换器件模型中由于光不存在匹配问题，无发射光回波，因此其模型包 括O/E器件的传输系数EOSTF、O/E器件的匹配误差EOESF和一个内部的微波 匹配误差。O/E内部的微波匹配误差无光波输出，因此为一个闭合环路。

端口2和端口3的微波误差包括接收机传输跟踪误差ERTF和接收机失配误 差ELF。

被测光波器件不存在匹配问题，且O/E器件无反射光，因此被测光波器件 模型只包括传输误差系数OS₂₁和反射误差系数OS₁₁两个参数。

环行器耦合度非常高，可以认为被测光波器件的反射光均反射进入另一O/E 器件。

以被测光波器件DUT为测试平面，将E/O和O/E器件的误差和端口1、端 口2、端口3的微波误差合并，输入端使用VNA内部接收机C/R1，传输端口为 VNA接收机B/R1，此时可简化得到基于VNA的光波元器件测试误差模型，如 图3所示。

校准过程包括以下步骤：

步骤(a)，将测试E/O转换器后端空置。此时E/O转换器的光输出进入空 气中，并无反射，相当于微波学中测试端口连接理想负载，此时误差模型如图4 所示。

VNA中测试量S_31M和S_21M为

$S_{31M}=\frac{C}{R_1}=e_{00}=M_1---\left(1\right)$

$S_{21M}=\frac{B}{R_1}=e_{31}=M_2---\left(2\right)$

步骤(b)，接入光全反射计。光全反射计的原理可类比与微波测试中的理 想开路器，其反射误差系数OS₁₁＝1，因此误差模型如图5所示。

VNA中测试量S_31M为

$S_{31M}=\frac{C}{R_1}=e_{00}+\frac{e_{10}*e_{01}}{1-e_{41}*e_{14}}=M_3---\left(3\right)$

步骤(c)，将E/O转换器后端测试端口和O/E转换器前端测试端口直接相 连，此时可类比于微波测试中的直通，传输误差系数OS₂₁＝1，因此误差模型如 图6所示。

VNA中测试量S_21M为：

$S_{21M}=\frac{B}{R_1}=e_{31}+\frac{e_{10}*e_{32}}{1-e_{35}*e_{53}}=M_4---\left(4\right)$

至此校准完毕，接入待测器件，如图3所示，光波元器件的传输特性测试 值OS_11M和反射特性测试值OS_21M的表达式为：

$S_{31M}=\frac{C}{R_1}=e_{00}+\frac{e_{10}*e_{01}}{1-e_{41}*e_{14}}*O{S}_{11}---\left(5\right)$

$S_{21M}=\frac{B}{R_1}=e_{31}+\frac{e_{10}*e_{32}}{1-e_{35}*e_{53}}*O{S}_{21}---\left(6\right)$

因此校准后的测试结果为

${\mathrm{OS}}_{11}=\frac{S_{31M}-M_1}{M_3-M_1}---\left(7\right)$

${\mathrm{OS}}_{21}=\frac{S_{21M}-M_2}{M_4-M_2}---\left(8\right)$

上述校准过程中，步骤(a)、步骤(b)和步骤(c)的先后顺序可以调整， 这些变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

本发明基于矢量网络分析仪的光波元器件测试的校准方法，基于VNA和一 个电光转换器和两个光电转换器，因此系统成本更低；本发明同时考虑矢量网 络分析仪和光电转换器的电学误差，校准精度更高，因此测量精度更高；只需 使测试端口空置、连接光全反射计和直通即可完成校准，操作简单；由于是矢 量校准，因此可给出被测元器件的幅值和相位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。