专利名称：通过光缆远程激励和测量电子信号的设备的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及远程电子测试和测量，更具体而言，涉及通过光缆远程激励和测量电子信号的系统和方法。
背景技术：
当正在发出或者检测的电信号快速变化时，即当它们包含高频成分时，通常很难使用传统装置将这些信号传送到远程位置或者从远程位置传送过来。一般地，无论有没有重发放大器的帮助，高频信号都经由同轴电缆或者其他输电线传送。传统的输送线都是频率分散的，这意味着通过相对于信号的低频成分削弱或者过度延迟信号的高频成分，它们使得传送的信号相对于发出或者检测的信号失真。此外，传统的输送线可能通过由沿着输送线的阻抗不均匀性引起的反射而使信号失真。在通信系统中可以容许一定程度的失真，但是在测量系统中信号失真必须被最小化。此外，在测试仪器和被测试的设备之间存在很大的直流电压差的情况下，或者在诸如同轴电缆的导电元件的出现可能扰乱测量(例如天线测试)的情况下，诸如同轴电缆的连接是不可行的。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种光电系统。该系统包括光学信号调制器、连接到所述光学信号调制器的输入光波导和输出光波导。该系统还包括在所述光学信号调制器中的反射光学元件，所述元件布置成将通过所述输入光波导入射的输入光束反射为通过所述输出光波导的输出光束。该系统还包括在所述光学信号调制器中的电端子。所述电端子配置成所述电端子上的电信号可以操作来与所述输入光束互相作用。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种远程传送调制信号的方法。所述方法包括使用光学信号调制来用电信号调制输入光束，和将所述调制光束反射到不同于所述输入光束方向的输出光束方向。
图1描绘了根据本发明的实施例，用于通过光缆从被测试的远程电气设备向电子测量仪器传送一份电响应信号的系统；图2描绘了根据本发明的实施例，用于经由光纤链接远程传送用于激励远程电气设备的调制信号的系统；图3描绘了根据本发明实施例，用于经由光纤链接同时向远程电气设备传送激励信号和从远程电气设备传送响应信号两者的系统；图4A描绘了包括电吸收调制器(EAM)的调制器配置，其控制光束的发送强度与所施加控制电压成比例；图4B描绘了根据本发明实施例的反射模式EAM(REAM)，其将EAM与反射表面组合起来；图5是根据本发明的实施例，在恒定入射功率下的典型REAM反射功率对电压的传递曲线图；图6描绘了作为电吸收调制器(EAM)一个示例的量子阱调制器结构；图7A描绘了根据本发明的实施例，具有AC耦合输入信号、偏置为线性操作的REAM配置；图7B描绘了根据本发明的实施例的差分对REAM配置；图8A-8E图示了多种应用的REAM配置。
具体实施例方式
通常需要或者期望在远离处理检测数据的测量仪器的位置处检测电信号。类似地，通常需要传送电子信号到远离该信号源的位置。实际上，有时候需要远程地用同一物理装置检测和传送信号，使得可以以有效的方式充分地表征正在被测试的设备。
在传统上用于远程测试的距离(数米到数百米)上，单模光缆通常具有足够低的频散以达到可以忽略的信号失真。此外，光电探测器和反射模式电吸收调制器(REAM)可以被设计成在信号电平的有用范围上具有低信号失真。因此，电子测量仪器和被测试的远程设备的位置之间的距离可以增大到比利用诸如同轴电缆的传统输电线可以达到的距离大得多的值。
图1描绘了根据本发明实施例，用于通过光缆从被测试的远程电气设备向电子测量仪器传送一份电响应信号的系统100。在图1所示的远程检测配置中，由连续波(CW)光源101发射的CW光束11穿过光学环行器102并且穿过光波导104成为CW光束12。CW光束12被远程电气设备107产生的远程电信号13在远程检测点处的光学信号调制器中调制，所述光学信号调制器例如是反射模式电吸收调制器(REAM)105。通常将偏置电压106施加到REAM 105以提供线性操作。调制光束14然后被REAM105反射回来穿过光波导104、光学环行器102和光波导108成为调制光束15，调制光束15通常由光学放大器109放大以提供穿过光波导111的放大的光束16。此放大的调制光束16通常由光电探测器110所探测，其生成穿过电缆112的光电信号17。重现远程电信号13的光电信号17通常由电子测量仪器113处理。
图2描绘了根据本发明实施例，用于经由光纤链接远程传送用于激励远程电气设备的调制信号的系统200。来自调制光源201的调制光信号21穿过光纤链接103、光学环行器102，并作为调制光信号22穿过光纤链接104，并且入射到反射模式电吸收调制器(REAM)205上。REAM 205可以与图1所描绘的REAM 105相同。通常被负压206偏置的REAM 205将调制光信号22转换成电信号23，其激励正在被测试的电气设备207。在此情况下，远程电气设备207的响应可以由其他装置所监视，这样就不需要使用环行器102、光学放大器109、光电探测器110和电子测量仪器113。这些元件被表示来证明以下事实，即相同的装置可以被用于图2所示的激励测试，或者用于图1所示的响应测试，其不同之处在于光源是CW光源还是调制光源。
图3描绘了根据本发明实施例，用于经由光纤链接同时向远程电气设备传送激励信号和从远程电气设备传送响应信号两者的系统300。来自调制光源201的调制光信号21穿过光纤链接103、光学环行器102，并作为调制光信号22穿过光纤链接104，并且入射到反射模式电吸收调制器(REAM)305上。REAM 305可以与图2所描绘的REAM 205相同。通常被偏置电压306偏置以提供线性操作的REAM 305将调制光信号22转换成电信号33，其激励正在被测试的电气设备307。电气设备307对激励33的响应34(由此修改其端子处的电压)反过来调节REAM 305的反射系数。REAM 305的反射系数与入射光22相互作用，将响应电压34的调制光复制信号35反射穿过光波导104、光学环行器102和光学导向部分108成为调制光复制信号36，其接着通常由光学放大器109放大，并作为放大的调制光复制信号16被发送穿过光学导向部分111到光电探测器110，并由电子测量仪器113处理。图3所示配置的典型应用是时域反射计，但也可以实现其他组合的激励/响应应用，例如网络分析(电子网络的频域测试)。
首字母简写REAM表示“反射模式电吸收调制器”。REAM实质上是配置成在反射模式下运行的电吸收调制器，例如通过将光入射到调制器的第一表面并且在调制器的相对表面上设置反射镜。反射调制器已经与自由空间光束一起被用来形成通信系统。
光信号调制器可以是任何类型的反射模式调制器，包括电光(EOM)、机电(EMM)和电吸收(EAM)。使用电光调制器(EOM)将电信号转换成调制光，和使用光电探测器将调制光转换成电信号是许多光学通信系统中的标准作法。已经有利地被开发实用的电吸收调制器(EAM)被认为是调制器类型中唯一具有用作光调制器和光探测器两者的能力的。例如图2和3中描绘的应用只适用于电吸收调制器类型。
图4A描绘了包括电吸收调制器(EAM)401的调制器配置400，其控制光束的发送强度与所施加的控制电压402成比例。EAM 401调制所发送的光使得离开右平面的调制光42是进入左平面的光41的时变部分，该时变部分由时变电压402所控制。图4B描绘了根据本发明实施例的反射模式EAM(REAM)410，其将EAM 401与反射表面(例如反射镜)403组合起来，其在调制器的左表面具有入射光束41和调制出射光束43。REAM几何结构在检测和探测应用中的优点是只需要单条光路。例如，如果该光路是光纤，那么整个组件可以被做得更简单和更不复杂。
图5是根据本发明的实施例，在恒定入射功率下典型REAM的反射功率对电压的传递曲线图。反射功率沿着纵轴502显示为沿着横轴501的控制电压的函数。偏置电压是控制电压的选择值。为了将该设备偏置在线性操作范围的中点附近，需要施加负的直流偏置值，例如电压505。这产生平衡反射功率值504。于是在以偏置点503为中心的附近获得线性操作。可以将设备制造为Vbias＝0，但是这样的设备通常对调制电压的变化的反射响应很慢。
REAM根据波长和特定的控制电压值Vcontrol吸收光至不同程度。一般而言，如果Vcontrol是零伏特，REAM被认为是“透明的”，并且所有光都被反射。如果Vcontrol被设置为Vbias，那么REAM在线性区域操作，并且所反射光的量与所施加电压成线性比例。Vbias可以用于探测模式，即使探测效率没有被最大化。如果REAM被偏置，例如Vbias＝-5V，那么几乎全部进入的光都被吸收。当需要最大探测效率和带宽时此Vbias值可以被用于探测模式操作。
当REAM被偏置为Vcontrol＝负压时，光被吸收，并且入射光的能量被用于建立移动电荷的“空穴-电子对”。这些移动的空穴和电子被清扫出REAM的电端子成为流动电荷构成的电流(光电流)。此光电流具有很快的响应时间，因此如果入射光在强度上被调制，那么通过吸收此光而产生的光电流也被调制，由此产生调制光强度的有用的电复制信号。被称为光电效应的此操作机制通常在光电探测器中使用，其使得REAM能够被用作光电探测器。
可以在因特网上的以下网址获得对一个电吸收调制器实例的操作的基本说明http//www.bell-labs.com/project/oevlsi/tutorial/仅在量子阱中可见的一种特定电吸收机制被称为“量子约束的斯塔克效应(quantum-confined Stark effect)”。与半导体中的其他电吸收机制一样，此机制也非常快。对该机制自身没有内在的速度限制，直到时间标度远远低于皮秒。在实践中，速度仅仅由向量子阱施加电压所用的时间所限制，该时间通常由外部电路的RC时间常数所限制。40GHz的速度已经得到证实。
图6描绘了作为电吸收调制器(EAM)一个示例的量子阱调制器结构600。量子阱601是非掺杂本征半导体层，夹在p掺杂顶部触点602和n掺杂衬底604上的n掺杂底部触点603之间。这形成了二极管结构，其能够通过触点605、606被反向偏置，以施加垂直于量子阱层的调制电场。该电场调制输入光束61以产生输出调制光束62。结构600使用砷化镓和砷化镓铝制成，在约850nm的波长处工作最佳，但是也可以使用其他半导体材料。例如在Optics and Photonics News 1990年2月第1期卷2第7-15页D.A.B.Miller所著的“Optoelectronic applications of quantum wells(量子阱的光电应用)”中进一步说明了量子阱结构和操作。
电光调制器通常基于诸如钾钽铌或者钛酸钡之类的晶体所表现出的二次(克尔)电光效应。其他电光调制器基于在诸如磷酸二氘钾或者砷酸二氘铯之类的晶体中所发生线性(普克耳)电光效应。机电调制器基于应力双折射或者光弹性的原理，并包括一类使用例如晶状石英的材料的声光调制器。在1987年Addison-Wesley出版公司出版的Hecht所著“Optics”第二版第314-321页中对电光和机电调制进行了概述。
图7A描绘了根据本发明实施例，具有AC耦合的输入信号、被偏置为线性操作的REAM配置700。基本的REAM设备701被图示为电子二极管。通过偏置电阻703施加偏置电压71，并且通过AC耦合电容702将电信号72耦合入/出。参考电压73被供应给REAM701。光束74、75调制电信号72/被电信号72调制。如同许多电子设备一样，REAM通常如结合图5所说明的那样被偏置，并且适当的偏置电压不必与所检测的电压一致。在许多情况下，需要REAM和被测试的电压之间进行AC耦合。
图7B描绘了根据本发明实施例的差分对REAM配置710。配置DC耦合的REAM传感器的一个方法是将基本的REAM设备701布置成以差分对方式操作。通过各自的偏置电阻703、704施加负偏置电压71，通过偏置电阻705施加正偏置电压70，在72、73处连接电信号。信号可以是调制电压信号或者DC参考电压。光束74-77调制电信号72、73/被电信号72、73调制。
图8A-8E图示了用于多种应用的REAM配置。图8A描绘了根据本发明实施例的REAM配置800，其中通过壳体808中的接触探头804、806将来自信号807和地805的电压施加到REAM 801。输入和输出光束81、82通过光纤803和REAM 801之间的透镜802耦合。REAM配置800具有高输入阻抗，使得其对信号线表现出最小的电负载。
图8B描绘了根据本发明实施例的REAM配置820，其中通过壳体808中的非接触静电耦合探头809、811将电压810、812施加到REAM801。输入和输出光束81、82通过光纤803和REAM 801之间的透镜802耦合。REAM配置820具有高输入阻抗，使得其对信号线表现出最小的电负载。
图8C描绘了根据本发明实施例的REAM配置840，其中通过安装到同轴连接器814的阻抗匹配网络813将电压施加到REAM 801。输入和输出光束81、82通过光纤803和REAM 801之间的透镜802耦合。REAM配置840对同轴连接器表现出匹配负载(通常为50ohm)。
图8D描绘了根据本发明实施例的REAM配置860，其中通过天线815的端子将电压施加到REAM 801。传统配置的天线815可以是具有至少两个端子的单个天线，两个端子中的一个可以被接地。匹配网络813将REAM阻抗转换成天线815的最佳负载。输入和输出光束81、82通过光纤803和REAM 801之间的透镜802耦合。
图8E描绘了根据本发明实施例的REAM配置880，其中通过电磁波定向耦合器816将电压施加到REAM 801。电压与电磁线817上的行波振幅成比例。输入和输出光束81、82和83、84通过光纤803和REAM 801之间的透镜802耦合。
虽然已经结合具体实施例说明了本发明，但对于本领域技术人员很清楚的是，在上述说明的启示下，许多替代、修改和变化将是显然的。因此，本发明意于包括落入所附权利要求的精神和范围内的所有其他这样的替代、修改和变化。
权利要求
1.一种光电系统，包括光学信号调制器；连接到所述光学信号调制器的输入光波导和输出光波导；在所述光学信号调制器中的反射光学元件，所述元件布置成将通过所述输入光波导入射的输入光束反射为通过所述输出光波导的输出光束；和在所述光学信号调制器中的电端子，所述电端子配置成所述电端子上的电信号可以操作来与所述输入光束互相作用。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述输入光波导和所述输出光波导是一个光波导。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述电信号可以操作来互相作用以调制所述输出光束。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述光学信号调制器是电吸收调制器。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述输入光束可以操作来互相作用以调制所述电信号。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述电信号可以操作来互相作用以调制所述输出光束。
7.如权利要求4所述的系统，所述系统包括以平衡并联配置电互连的多个电吸收调制器。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述电端子通过接触探头耦合到电压源。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述电端子通过非接触探头耦合到电压源。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述电端子通过阻抗匹配网络耦合到电压源。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述电端子通过电磁波定向耦合器耦合到电压源。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述系统可以操作来经由光纤从远程电气设备向电子测量仪器传送一份电信号。
13.如权利要求1所述的系统，其中所述系统可以操作来经由光纤传送调制信号，用于激励远程电气设备。
14.如权利要求13所述的系统，所述系统同时可以操作来经由所述光纤从远程电气设备向电子测量仪器传送一份电信号。
15.一种远程传送调制信号的方法，所述方法包括使用光学信号调制来用电信号调制输入光束；和将所述调制光束反射到不同于所述输入光束方向的输出光束方向。
16.如权利要求15所述的方法，还包括通过使用电吸收调制与所述输入光束相互作用来同时调制所述电信号。
17.如权利要求15所述的方法，还包括与所述电信号同时地施加偏置电压。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述输出光束和所述输入光束通过单条光纤在相反方向上传播。
19.如权利要求15所述的方法，其中所述输入光束传送电激励信号的复制信号。
20.如权利要求15所述的方法，其中所述输出光束将来自远程电气设备的电响应信号的复制信号传送到电子测量仪器。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述输入光束将电激励信号的复制信号传送到远程电气设备。
全文摘要
本发明公开了一种光电系统，其包括光学信号调制器、连接到所述光学信号调制器的输入光波导和输出光波导。该系统还包括在所述光学信号调制器中的反射光学元件，所述元件布置成将通过所述输入光波导入射的输入光束反射为通过所述输出光波导的输出光束。该系统还包括在所述光学信号调制器中的电端子。所述电端子配置成所述电端子上的电信号可以操作来与所述输入光束互相作用。
文档编号G08C23/04GK1658249SQ20041008995
公开日2005年8月24日 申请日期2004年11月12日 优先权日2004年2月19日
发明者罗里·L·范图伊 申请人:安捷伦科技有限公司