Ученые КНИТУ-КАИ запатентовали надежное и экономичное устройство для измерения относительной амплитудно-частотной характеристики (ОАЧХ) широкополосного фотодетектора. Благодаря подобным приборам можно избежать ошибок при передаче данных по оптоволокну.

В оптоэлектронных системах измерение ОАЧХ является критически важной процедурой при оценке прохождения сигнала в условиях эксплуатации. Как известно, фотодетектор обрабатывает разные частотные компоненты сигнала. Неравномерность этой характеристики может приводить к искажениям, межсимвольной интерференции и ошибкам при приеме данных, особенно на высоких скоростях. Измерение ОАЧХ помогает убедиться, что фотодетектор соответствует техническим требованиям системы, и дает уверенно судить о качестве сигнала. ОАЧХ позволяет выявить, как на работу фотодетектора влияют такие параметры, как температура, вибрация или изменения мощности входного сигнала. Это важно для обеспечения стабильности работы устройства в процессе его эксплуатации.

Кроме того, на этапе разработки новых фотодетекторов такие измерения позволяют проверить, как конструкция и используемые материалы влияют на частотные свойства. Это позволяет оптимизировать параметры устройства для достижения максимальной чувствительности и скорости реакции.

Устройства для ОАЧХ относятся к средствам метрологического обеспечения систем оптоволоконной и радиофотонной связи и сенсорики. В ряду известных образцов – современное решение, призванное максимально упростить устройство, на базе одного калиброванного амплитудного модулятора Маха-Цендера [Photonic scheme for broadband frequency response measurement of PDs, Mingqi Jiao, Yuxuan Jiang, Shirong Lv, Wenyang Yuan, Congbiao Lei, Jiaqi Yao, AND Liang Xie, 2022 Optica Publishing Group].

Устройство предназначено для измерения относительной амплитудно-частотной характеристики широкополосного фотоприемника путем оптического формирования и последующего электрического анализа сигнала. Лазерное излучение проходит через калиброванный амплитудный модулятор Маха-Цендера. Отметим, что амплитудный модулятор Маха-Цендера - это устройство, которое изменяет интенсивность (амплитуду) светового сигнала с помощью электрического сигнала. Работа модулятора основана на принципе интерферометра Маха-Цендера.

Затем модулированный оптический сигнал подается на тестируемый фотоприемник. На выходе фотоприемника электрический анализатор регистрирует амплитуды спектральных составляющих, а микрокомпьютер по их отношению вычисляет искомую частотную характеристику.

Суть метода состоит в том, что вместо прямого измерения на сверхвысоких частотах используется частотное преобразование: исследуемый отклик переносится в область более удобных для регистрации частот. Благодаря этому отпадает необходимость в сложной схеме с двумя модуляторами и двумя контроллерами рабочей точки, что упрощает устройство, снижает его стоимость и уменьшает собственную погрешность. Кроме того, подход позволяет расширить диапазон измерений примерно вдвое по сравнению с одночастотными методами и использовать менее высокочастотные генераторы.

Вместе с тем у схемы сохраняются и недостатки. В измерительный сигнал могут проникать высшие гармоники модуляции и компоненты с межполяризационными искажениями. Все это повышает погрешность. Существенным ограничением остается и высокая стоимость измерительного комплекса из-за использования анализатора электрического спектра. Отметим, что анализатор спектра (спектроанализатор) - это измерительный прибор, предназначенный для наблюдения и анализа распределения энергии электрических или электромагнитных колебаний в определенной полосе частот, позволяет визуализировать и исследовать спектральные характеристики сигналов, раскладывая их на частотные составляющие.

Казанские ученые продвинулись дальше. Их техническое решение направлено на повышение точности измерений, расширение диапазона измерений по частоте и снижение стоимости устройства за счет исключения анализатора спектра.

Так, в основу работы положено формирование зондирующего оптического сигнала с подавленной несущей в амплитудном модуляторе Маха-Цендера, работающем в нулевой рабочей точке, известное как метод Ильина-Морозова. Лазерное излучение поступает на модулятор, а его режим стабилизируется контроллером рабочей точки. На радиочастотный вход модулятора подается модулирующий сигнал от генератора сканирующего сверхвысокочастотного колебания, усиленный при необходимости для получения требуемого аргумента функции Бесселя первого рода.

Сформированное зондирующее излучение проходит через поляризатор и поступает на тестируемый широкополосный фотоприемник. Поляризатор установлен таким образом, чтобы подавлять «паразитные» составляющие несущей и четных порядков, что уменьшает межполяризационные искажения и повышает достоверность измерений.

В фотоприемнике оптические боковые полосы преобразуются в электрические биения, амплитуда которых определяется его частотной характеристикой. Микрокомпьютер управляет генераторами и контроллером рабочей точки, регистрирует выходной сигнал фотоприемника и вычисляет относительную АЧХ по отношению к опорному уровню. Использование нескольких значений аргумента модуляции позволяет получать сразу несколько информативных точек АЧХ и тем самым сокращать время измерений.

«Устройство является недорогостоящим за счет исключения из схемы анализатора электрического спектра и использования генератора, сканирующего сверхвысокочастотный сигнал с меньшим диапазоном сканирования, а, следовательно, и с меньшей стоимостью при полном покрытии полосы частот тестируемого фотодетектора, - поясняет доцент кафедры конструирования и технологии производства электронных средств КНИТУ-КАИ Владислав Соколов. - Таким образом технический результат заключается в повышении точности, увеличении быстродействия и расширении диапазона измерений широкополосных фотоприемников».

Работа проводилась в рамках исследований Казанской школы радиофотоники под руководством заслуженного работника высшей школы Республики Татарстан, профессора, д. т. н. Олега Морозова.

В 2026 году Федеральная служба по интеллектуальной собственности выдала казанским ученым Патент RU 2 864 548.