Радиофотоника

10.03.2026

Введение

Современные системы передачи информации требуют больших скоростей обработки несущего сигнала. В отличие от электрических сигналов, свет обладает большей скоростью распространения в среде, что позволяет передавать информацию на расстояния в сотни и тысячи километров мгновенно. Для модуляции оптического сигнала и кодирования информации используются специализированные устройства - интегрально-оптические модуляторы.

Ключевое преимущество оптических систем коммуникации перед электрическими аналогами заключается не только в малом затухании, но и в возможности достижения значительно более высоких скоростей передачи данных. Современные волоконно-оптические линии связи обеспечивают пропускную способность, превосходящую электрические каналы в десятки и даже сотни раз. Это обусловлено гораздо более высокой рабочей частотой оптических сигналов.

Преимущественно для передачи данных используются амплитудные модуляторы. Однако на рынке представлены и модуляторы фазы, которые применяются в основном в радиофотонных системах, квантовых системах связи, системах космической связи и т.д.

В квантовых системах связи информация шифруется на основе базиса состояний. Так, к примеру, пучок фотонов может нести в себе информацию за счёт фазы, амплитуды и поляризации. На основе этих трёх характеристик света строится базис кодирования информации. При этом скорость модуляции напрямую зависит от частоты модулирующего сигнала: чем качественнее модулятор, тем выше его пропускная способность.

В системах космической связи, в которых применяются оптические фазированные решётки, фазовые модуляторы используются в качестве устройств, формирующих направление оптического излучения. Обычно такие устройства имеют много каналов, в каждом канале встроен модулятор фазы. Изменяя определённым образом фазу оптического излучения в каждом плече, можно смещать направление распространения света.

Рисунок 1. Принципиальная схема ОФАР

Также модуляторы фазы применяются:

в спектроскопии для формирования частотных гребёнок;
в поляриметрическом анализе: с их помощью изменяют фазу двух ортогональных состояний поляризации. В сочетании с интерферометрическим методом такая система позволяет определить показатель преломления оптического канала.
в современных системах РЭБ для мгновенной обработки и трансляции сигнала в режиме реального времени.

Раздел 1. Физические основы электрооптического преобразования

1.1 Показатель преломления и фазовая модуляция

Принцип работы интегрально-оптических модуляторов основан на том, что показатель преломления материала зависит от приложенного электрического поля. Показатель преломления

определяет фазовую скорость распространения света в среде.

Когда электромагнитная волна проходит через среду с переменным показателем преломления, между волной и электрическим полем возникает взаимодействие. Появляется фазовая задержка оптического сигнала.

1.2 Пьезоэлектрический эффект и эффект Покельса

Материалы, используемые в интегрально-оптических модуляторах, обладают уникальным свойством изменять свой показатель преломления пропорционально приложенному электрическому полю. Это явление известно как линейный электрооптический эффект (эффект Покельса).

Материалы, демонстрирующие эффект Покельса, относятся к пьезоэлектрикам - кристаллическим веществам, которые генерируют электрический потенциал при механической деформации, и наоборот, деформируются при приложении электрического поля. Наиболее распространенным материалом для интегрально-оптических модуляторов является ниобат лития (LiNbO₃).

1.3 Принцип интерференции и модуляция амплитуды

Модулятор Маха-Цендера преобразует фазовую модуляцию в амплитудную. Принцип работы основан на явлении интерференции когерентных волн. Когда две когерентные волны с одинаковыми амплитудами встречаются, результирующая амплитуда определяется их относительной фазовой разностью.

Интерферометр Маха-Цендера состоит из двух направленных ответвителей и двух волноводных плеч.

Раздел 2. Конструкция и технология изготовления интегрально-оптических модуляторов

2.1 Структура модулятора

Принципиальные схема интегрально-оптических модуляторов представлены на рисунке 2 и 3.

Рисунок 2. Принципиальная схема интегрально оптического амплитудного модулятора.

Рисунок 3. Принципиальная схема интегрально оптического фазового модулятора.

В их состав входят:

1. Подложка из ниобата лития (толщина 0,5-1 мм, срезы X или Z)

2. Оптические волноводы (созданы методом термической диффузии ионов титана или протонного обмена, размер ~5-8 мкм)

3. Компланарные СВЧ электроды (структуры из золота с расстоянием 10-20 мкм между проводниками)

Создание интегрально оптических модуляторов является крайне сложной задачей, так как для наибольшей эффективности требует максимально согласование фазовых скоростей электрической и оптической волны. Для этого необходимо произвести расчет оптического канала для минимизации оптических потерь, подобрать под оптический канал конфигурацию СВЧ электродов. Конфигурация компланарных волноводов требует микронной точности нанесения токопроводящего покрытия, любая неровность, изменение толщины проводящего слоя, изменение расстояния между волноводами сказывается на характеристиках модулятора. Именно поэтому важно иметь качественное оборудование для проверки модуляторов.

Раздел 3. Основные характеристики и методики измерения параметров интегрально-оптических модуляторов амплитуды

3.1 Оптические потери

Оптические потери представляют собой отношение (в логарифмической шкале в дБ) мощности оптического сигнала на входе модулятора к мощности сигнала на выходе. Для получения достоверного значения потерь необходимо измерить оптическую мощность на входе модулятора (используя оптический делитель или измеритель мощности с калибровкой), а затем измерить мощность на выходе. Разница в логарифмической шкале дает значение потерь.

Предлагаемые схемы для измерений оптических потерь:

Рисунок 4. Схема измерений потерь амплитудного модулятора.

Рисунок 5. Схема измерений потерь фазового модулятора.

В качестве измерительного оборудования можно взять:

Назначение оборудования	Рекомендуемое оборудование	Обоснование
Источник света	АКМЕТЕХ 6317A (перестраиваемый лазер)	Диапазон 1480-1680 нм, ширина линии 42,2 кГц, точность ±3 пм, мощность >+13 дБм
Измеритель мощности	9951A/Y Lightwave АКМЕТЕХ	Динамический диапазон -50 дБм до +26 дБм, точность ±0,25 дБ, разрешение 0,001 дБ, модульность (возможность увеличение числа каналов, встройка аттенюатора, контролера поляризации, скремблера и коммутатора)
Источник постоянного напряжения	ATMH5000 АКМЕТЕХ Прецизионный источник тока	Погрешность: ±15 мкА/А; Источник постоянного тока: ± (0 - 110 мА); Максимальное напряжение нагрузки при постоянном токе 10 В;
Программное управление	СПОАИ	Автоматизация измерений оптических потерь, возможность визуального отображения критерия годности.

Методика:

1. Настроить перестраиваемый лазерный источник на рабочую длину волны (1550 нм для С-диапазона)

2. Измерить оптическую мощность на входе модулятора

3. Подать на модулятор электрические сигналы смещения и управления (для амплитудного модулятора)

4. Найти максимальную оптическую мощность на выходе модулятора меняя параметры сигнала смещения (для амплитудного модулятора)

5. Рассчитать потери как разность в логарифмической шкале

Преимущества решения:

Компактная система для лабораторных и полевых измерений
Высокая точность на уровне ±0,25 дБ
Возможность хранения и экспорта данных
Выбор длины волны

3.2 S параметры (Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН), передаточная характеристика)

На стадии производства интегрально оптических модуляторов, необходимо ввести контроль годности комплектующих из которых собираются модуляторы. Так, например чипы модуляторов проходят проверку на потери в оптическом волноводе и качество компланарных волноводов, качество компланарных волноводов оценивается по двум параметрам, это КСВН (S₁₁) и передаточная характеристика на СВЧ (S₂₁).

S₁₁ — это коэффициент показывает, какая часть электромагнитной энергии отражается от входа модулятора.

S₂₁ — это коэффициент передачи между входом и выходом модулятора, отношение входной мощности к мощности на выходе, выраженная в логарифмической шкале (дБ).

Вне зависимости от типа модуляторов схема проверки этих характеристик для всех одинаковая:

Рисунок 6. Схема измерений S параметров модулятора.

В качестве измерительного оборудования можно взять:

Назначение оборудования	Рекомендуемое оборудование	Обоснование
Векторный анализатор цепей	AT3674P АКМЕТЕХ Векторный анализатор цепей до 110 ГГц	Динамический диапазон измерений 140 дБ на 10 ГГц; высокая точность измерения S-параметров; встроенная калибровка.
Полуавтоматическая зондовая станция	ATPA-2000-F	Точность позиционирование зондов доходит до десятков нанометров Цилиндрические стереомикроскопы SZ12, AMZ12 с зумом 12x и рабочим расстоянием 95 мм Возможность апгрейда до полного автомата Антивибрационный стол с дополнительными полками для ПК, термоконтроллера и клавиатуры
Программное управление	СПОАИ	Автоматизация развертки напряжения и сбор кривой зависимости

Методика:

1. Расположить зонды на контактные площадки компланарной линии.

2. Запустить измерение S₁₁ и S₂₁ характеристик.

Преимущества решения:

Возможность полной автоматизация измерений
Высокая точность позиционирования
Минимальные шансы испортить напыление
ВАЦ может быть в составе анализатора оптических компонентов АКМЕТЕХ 6433

3.3 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ амплитудного модулятора)

АЧХ показывает, как амплитуда оптического сигнала зависит от частоты электрического управляющего сигнала. На низких частотах (до кГц) передача определяется статической передаточной характеристикой. На средних частотах (МГц-ГГц) передача остается примерно постоянной, если выполнено условие согласования фазовых скоростей. На высоких частотах передача падает из-за рассогласования и дисперсии в компланарной линии.

Предлагаемая схема измерения амплитудно-частотной характеристики:

Рисунок 7. Схема измерений АЧХ амплитудного модулятора модулятора.

В качестве измерительного оборудования можно взять:

Назначение оборудования	Рекомендуемое оборудование	Обоснование
Генератор СВЧ сигналов	АКМЕТЕХ AT1435F или AT1435D (9 кГц – 40 ГГц или 9 кГц – 20 ГГц)	Встроенные стандартные модуляции PSK, QAM, FSK, MSK; генератор произвольной формы (ARB); полоса до 40 ГГц
Анализатор спектра	АКМЕТЕХ AT4082 (2 Гц – 110 ГГц) или AT4052 (2 Гц – 45 ГГц)	Мгновенная полоса анализа до 4 ГГц (AT4082) или 1,2 ГГц (AT4052); реальный-временной анализ; точность амплитудных измерений ±0,24 дБ; поддержка IQ-анализа
Источник света	АКМЕТЕХ 6317A	Диапазон 1480-1680 нм, ширина линии 42,2 кГц, точность ±3 пм, мощность> +13 дБм
Фотодетектор	Внешний быстрый фотодетектор (~10 ГГц полоса пропускания) с трансимпедансным усилителем	Преобразует оптический сигнал в электрический для анализа в АСА
Программное управление	СПОАИ	Автоматизация развертки напряжения и сбор кривой зависимости

Методика:

1. Подать оптический сигнал на модулятор

2. Сместить с помощью управляющего напряжения рабочую точку в квадратуру

3. Генерировать СВЧ синусоидальный сигнал, развертывая частоту в диапазоне 1 МГц - 40 ГГц

4. Подать этот сигнал на модулятор

5. На выходе модулятора измерить амплитуду оптического сигнала как функцию частоты

6. Построить характеристику АЧХ как отношение амплитуды оптического сигнала к частоте

Преимущества решения:

Полная автоматизация развертки частоты
Высокая чувствительность (до -172 дБм/Гц для AT4082)
Встроенная обработка сигналов и анализ модуляции
Поддержка интерфейсов LAN, USB 3.0, GPIB для автоматизации

Недостатки решения:

Для получения достоверных данных необходимо заранее откалибровать фотоприемник, это требует особых навыков оператора и заранее известную передаточную характеристику фотоприемника. На рынке существуют готовые решения анализаторы оптических компонентов Анализатор оптических компонентов АКМЕТЕХ 6433, данное оборудование упрощает схему измерений до:

Рисунок 8. Упрощённая схема измерения АЧХ амплитудного модулятора.

Преимущества решения:

Полная автоматизация
Нет необходимости проводить дополнительную калибровка фотоприемника
Измерение на одном устройстве
Также подходит для измерения S параметров

3.4 Ширина полосы пропускания

Ширина полосы пропускания — это диапазон частот, в котором амплитудно-частотная характеристика остается выше уровня -3 дБ от максимального значения. Измерение данного параметра возможно по схеме, представленной в пункте 3.2.

Преимущества решения:

Автоматическое определение -3 дБ точек
Высокая точность амплитудных измерений
Возможность повторяемых измерений с заданными параметрами

3.5 Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) на готовом устройстве

Коэффициент стоячей волны по напряжению характеризует согласование импедансов на СВЧ входе модулятора, а также качество соединений СВЧ линии. Идеальное согласование соответствует КСВН = 1 (полная передача энергии). На практике КСВН> 1 означает, что часть энергии отражается обратно к источнику сигнала.

Предлагаемая схема измерения КСВН:

Рисунок 9. Схема измерения КСВН модулятора.

В качестве измерительного оборудования можно взять:

Назначение оборудования	Рекомендуемое оборудование	Обоснование
Векторный анализатор цепей	AT3674P АКМЕТЕХ Векторный анализатор цепей до 110 ГГц	Динамический диапазон измерений 140 дБ на 10 ГГц; высокая точность измерения S-параметров; встроенная калибровка, Профессиональный инструмент для измерения S-параметров во всем диапазоне

Методика:

1. Подключить модулятор к векторному анализатору цепей через калиброванный коаксиальный кабель

2. Провести калибровку ВАЦ на плоскости измерения (у входа модулятора)

3. Провести измерение S-параметров (особенно S11 - коэффициент отражения)

4. Из S11 рассчитать КСВН

5. Провести измерение в диапазоне рабочих частот (1 МГц - 40 ГГц)

Преимущества решения:

Прямое измерение S11 и расчет КСВН
Встроенная калибровка и компенсация системных погрешностей
Возможность измерения в широком частотном диапазоне
ВАЦ может быть в составе анализатора оптических компонентов АКМЕТЕХ 6433

3.6 Полуволновое напряжение (V_π)

Полуволновое напряжение (также известное как V_π) — это амплитуда напряжения на входе модулятора, при которой фазовая задержка между плечами интерферометра достигает π радиан (180°). При подаче напряжения

результирующая амплитуда оптического сигнала на выходе модулятора падает на половину от максимума. Это означает, что модулятор переводит сигнал из максимума в минимум при изменении напряжения на V_π. Полуволновое напряжение на низкочастотных электродах амплитудного модулятора измеряется по схеме, отображенной в пункте 3.1

Методика:

1. Настроить перестраиваемый лазерный источник на рабочую длину волны (1550 нм для С-диапазона)

2. Подать на модулятор электрические сигналы смещения и управления (для амплитудного модулятора)

3. Найти максимальную и минимальную оптическую мощность на выходе модулятора меняя параметры сигнала смещения.

4. Построить зависимость оптической мощности на выходе, от подаваемого напряжения на управляющие электроды.

Полуволновое напряжение на СВЧ электродах амплитудного модулятора измеряется по схеме:

Рисунок 10. Схема измерения V_π амплитудного модулятора.

В качестве измерительного оборудования можно взять:

Назначение оборудования	Рекомендуемое оборудование	Обоснование
Генератор СВЧ с регулировкой уровня	АКМЕТЕХ AT1435F (9 кГц - 40 ГГц) с встроенными аттенюаторами	Позволяет точно регулировать амплитуду сигнала от минимума до номинального уровня
Источник постоянного напряжения	ATMH5000 АКМЕТЕХ Прецизионный источник тока	Для установки рабочей точки модулятора
Анализатор спектра	АКМЕТЕХ AT4082 (2 Гц - 110 ГГц)	Измерение спектра выходного оптического сигнала, преобразованного фотодетектором
Быстрый фотодетектор	Внешний фотодетектор с полосой пропускания ~10 ГГц и трансимпедансным усилителем	Преобразует оптический сигнал в электрический для анализа
Программное управление	СПОАИ	Автоматизация развертки напряжения и сбор кривой зависимости

Методика:

1. Подать постоянное напряжение смещения на модулятор, устанавливая рабочую точку в максимум или минимум передаточной характеристике

2. Подать синусоидальный СВЧ сигнал с переменной амплитудой на модулятор

3. Измерить амплитуду оптического сигнала на выходе как функцию амплитуды СВЧ сигнала

4. Построить график зависимости амплитуды оптического сигнала от амплитуды входного напряжения

5. V_π определяется как амплитуда напряжения, при которой амплитуда оптического сигнала достигает 50% от максимума

Преимущества решения:

Автоматическое определение V_π из кривой зависимости передачи от напряжения
Высокая точность регулировки уровня сигнала
Возможность быстрого тестирования большого количества модуляторов

Полуволновое напряжение на СВЧ электродах фазового модулятора измеряется по схеме:

Рисунок 11. Схема измерения V_π фазового модулятора.

Схема и методика проведения измерений схожа с измерением Vπ амплитудного модулятора, за исключением того факта что в схему добавляется еще один фазовый модулятор для создания волоконного интерферометра Маха-Цендера с равными плечами. Так как фазу оптического излучения невозможно за детектировать без интерференции.

Раздел 4. Автоматизация и интеграция измерительных систем

4.1 Специальное программное обеспечение автоматизации измерений (СПОАИ) как инструмент исследования и паспортизации оптических модуляторов

Специальное программное обеспечение автоматизации измерений (СПОАИ) — это интегрированная система управления и обработки данных, разработанная компанией «Акметрон» для комплексной автоматизации процессов исследования, тестирования и паспортизации оптоэлектронных устройств, в том числе интегрально-оптических модуляторов. СПОАИ позволяет одному специалисту проверять десятки устройств в короткие сроки, существенно повышая производительность и надёжность измерений, снижая риск ошибок оператора.

Программное обеспечение обладает следующим функционалом:

1. Управление приборами: поддержка устройств со всеми типами интерфейсов (LAN, GPIB, COM, RS232, USB), что обеспечивает гибкость при интеграции оборудования от различных производителей.

2. Автоматизированный сбор данных: высокоскоростные измерения с визуализацией поступающих данных в реальном времени, возможность как интерактивного, так и полностью автоматического управления режимами и коммутацией.

3. Алгоритмическая обработка: формирование и исполнение любых алгоритмов измерений, включая последовательные, циклические и условные блоки логики.

4. Хранение и экспорт: резервное сохранение конфигураций приборов и результатов измерений в локальных или серверных базах данных, экспорт результатов в различные форматы (RTF, PDF, XLSX и т.д.).

При измерении интегрально-оптических модуляторов СПОАИ автоматически управляет следующей цепочкой:

1. Измерение S параметров: СПОАИ задаёт частотный диапазон сканирования на VNA (например, 0,1–50 ГГц), собирает данные S параметров в функции частоты, строит передаточную характеристику СВЧ канала и рассчитывает КСВН.

2. Определение полуволнового напряжения: программа аппроксимирует полученную кривую и автоматически вычисляет полуволновое напряжение

3. Форматирование отчёта и паспорта: все измеренные параметры, графики передаточных характеристик и другие результаты автоматически компилируются в документ паспорта модулятора в формате PDF или XLSX с указанием даты, времени, условий измерения (температура, влажность) и статуса соответствия спецификации.

Внедрение СПОАИ для паспортизации оптических модуляторов даёт следующие преимущества:

1. Повышение производительности.

2. Снижение погрешности.

3. Воспроизводимость.

4. Документирование.

«Акметрон» осуществляет разработку и доработку модулей СПОАИ под специфические требования заказчика. При необходимости можно реализовать:

1. Дополнительные методики измерения.

2. Кастомизацию пользовательского интерфейса.

3. Интеграцию собственного оборудования заказчика через поддерживаемые интерфейсы.

4. Специальные алгоритмы обработки и критерии приёмки, соответствующие внутренним стандартам производства.

СПОАИ представляет собой решение «под ключ» для автоматизации исследования и паспортизации интегрально-оптических модуляторов, позволяя значительно ускорить производственный цикл и повысить качество контроля изделий

Заключение

Интегрально-оптические модуляторы на ниобате лития являются ключевыми компонентами современных оптических систем связи, сенсорики, радиофотоники, квантовых технологий и РЭБ. Корректное измерение их характеристик требует специализированного оборудования и методологии.

Предложенная в настоящей статье системы на базе оборудования "Акметрон" обеспечивает:

Полный набор инструментов для измерения всех критических параметров
Высокую точность и воспроизводимость результатов
Возможность автоматизации и интеграции в производственные процессы
Масштабируемость от лабораторных до производственных объемов
Обеспечивает запас измеряемых диапазонов частот

«Акметрон» развивает и поставляет на рынок полный спектр высокочастотного измерительного оборудования, специально подобранный для контроля параметров интегрально-оптических модуляторов независимо от технологии их изготовления — будь то модуляторы на основе объемного LiNbO₃ с полосой до 40 ГГц или новейшие TFLN-устройства с полосой свыше 100 ГГц. Использование рекомендованного программного обеспечения и оборудования позволяет обеспечить надежный контроль качества производства электрооптических модуляторов