Анализатор амплитудно-частотных характеристик широкополосных электрооптических и оптоэлектронных устройств с минимизацией структуры и расширением диапазона измерений
Authors: Соколов В.С. , Мальцев А.В. , Морозов О.Г. , Морозов Г.А. , Ильин Г.И. , Мисбахов Р.Ш. , Мисбахов Р.Ш. 
Published: February 2025

Основной характеристикой, определяющей эффективность применения электрооптических (модуляторы) и оптоэлектронных (фотодетекторы) устройств в высокоскоростных оптоволоконных линиях связи является их широкополосная амплитудно-частотная характеристика. Статья посвящена анализу высокоскоростных и точных методов для измерения амплитудно-частотной характеристики и разработке на их основе универсального метода и анализатора с минимизацией структуры и расширением диапазона измерений. В качестве базового блока анализатора используется калиброванный амплитудный модулятор Маха–Цендера, включаемый перед вторым таким же модулятором, для анализа амплитудно-частотной характеристики широкополосного фотодетектора. При этом оба модулятора работают в «нулевой» рабочей точке, реализуя двухкаскадную амплитудно-фазовую модуляцию по методу Ильина–Морозова для преобразования одночастотного когерентного излучения сначала в двухчастотное, а затем в двухполосное двухчастотное зондирующее излучение. Если второй амплитудный модулятор Маха–Цендера является тестируемым, то для измерения его амплитудно-частотной характеристики применяется калиброванный широкополосный фотодетектор. В обоих случаях на вход широкополосного фотодетектора поступает двухполосное двухчастотное зондирующее излучение, по результатам фотосмешения компонент которого определяется амплитудно-частотная характеристика тестируемого устройства, при сканировании разностной частоты одного из формируемых двухчастотных излучений в заданном диапазоне. В результате разработан анализатор с минимизированной структурой, состоящей из двух АММЦ и широкополосный фотодетектор, при этом в первом случае диапазон измерения увеличен в два, а во втором – в четыре раза по сравнению с диапазоном сканирования.

Introduction. For high-speed fiber optic communication channels, external modulators are usually used to generate wideband optical signals. A number of papers review high-speed modulation with an operating bandwidth of up to 100 GHz using optical modulators based on the electro-optical effect in various materials, such as lithium niobate, gallium arsenide, and indium phosphide. Optical signals generated by optical transmitters, consisting of lasers and modulators, are converted into electrical signals by wideband photodetectors of receivers. The main characteristic that determines the effectiveness of the use of modulators and photodetectors in high-speed fiber optic communication links is their wideband amplitude-frequency characteristic (AFC). AFC analyzers typically use interferometric, heterodyne, multilevel, and multistage modulator circuits. However, these structures are often complex, expensive, and require minimization. Additionally, they may have a limited measurement range. The goal of this paper is to present the results of a study on the development, mathematical modeling, and experimental outcomes of an AFC analyzer for wideband electro-optical and optoelectronic devices used in communication links. The analyzer has a minimized structure and an extended measurement range compared to the scanning range. Methods. To analyze the AFC, a dual-band, dual-frequency sounding radiation will be sequentially produced using the Ilyin-Morozov method. This method allows for minimizing the structure of the analyzer, limiting it to two modulators and a wideband photodetector. The proposed sounding can measure the AFC using a single scan of the characteristic and registering the beat-note signal at the difference frequencies of its components in a photodetector. The measurement is relative to calibration by some reference value. In this case, the measuring range will exceed the scanning range. Conclusion. The new AFC analyzer for wideband electro-optical and optoelectronic devices offers a simple, inexpensive, and reliable solution that overcomes the shortcomings of known solutions. Its advantages become more significant when building an analyzer based on microwave photonic integrated circuit technologies, especially under the influence of external climatic factors. Additionally, this analyzer has potential for use in other areas of radio photonics such as measuring unknown optical and microwave frequencies, photon filtering of microwave signals, radar, and radio navigation.