CN102778613A - Pin-fet光接收组件性能指标测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种PIN-FET光接收组件性能指标测试方法，包括在PIN-FET光接收组件的线性响应区域内，输入直流光信号，使所述PIN-FET光接收组件的输出电压为第一预设电压V1；在所述直流光信号上加入10KHz频率的正弦交流光信号，所述PIN-FET光接收组件的输出电压的峰峰值为第二预订电压V2；增加所述正弦交流光信号的频率，读取所述PIN-FET光接收组件的输出电压的峰峰值下降到0.707.V2时所述正弦交流光信号的频率，得到所述PIN-FET光接收组件的3dB带宽。本发明用于衡量模拟光纤传感系统信噪比问题，其引入能够创新性地解决目前模拟光纤传感领域的系统设计问题。

Description

PIN-FET光接收组件性能指标测试方法
技术领域
本发明涉及一种PIN-FET光接收组件性能指标测试方法，特别是涉及一种PIN-FET光接收组件的线性响应度、带宽及其它相关性能指标的测量方法和装置。
背景技术
PIN-FET(P-Intrinsic-N Field-Effect Transistor)光接收组件目前的市场应用主要在于光纤陀螺、光纤电流传感器等模拟光纤传感领域。PIN-FET光接收组件作为光信号接收部分，起到光电转换并放大信号的作用。
请参照图1，图1是PIN-FET光接收组件的电路示意图。PIN-FET光接收组件内部采用高线性度光电探测器芯片(Photodiode Chip)和由场效应晶体管(FET)、微波三极管以及其它微波元件组成前置跨阻放大电路。PIN-FET光接收组件接收到光信号后，光信号经PIN光电二极管进行光电转换为电信号，电信号再由该前置跨阻放大电路进行信号放大，最后输出为放大后的电信号。PIN-FET光接收组件具有高增益、高带宽、低噪声等特点，一般采用金属化管壳封装，可屏蔽外部电磁干扰，减少由于外界干扰造成的信号失真。
PIN-FET光接收组件起初应用于低速光通信领域，其性能指标的衡量标准是用于数字光通信领域，如：1.传输速率，2.跨阻，3.InGaAs或Si的PIN探测器暗电流，4.最大输出电压，5.在非归零码测试条件下，误码率10-9的灵敏度范围，6.PIN光电探测器的响应度等。上述性能指标中的部分性能指标，如2.跨阻，3.InGaAs或Si的PIN探测器暗电流，6.PIN光电探测器的响应度等，即使在数字通信领域，在组装成器件后，也无法测量，不能够描述器件的性能。
随着光通信速率的惊人提高，PIN-FET光接收组件已经不再适用于高速光通信领域，其主要应用于低速率、模拟的光传输领域，如光纤传感，特别是光纤陀螺、光纤电流传感器等领域。但是在模拟应用中，前述的性能指标不能够描述PIN-FET光接收组件的性能，不适用于模拟传感系统的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种PIN-FET光接收组件性能指标测试方法。
为解决上述技术问题，本发明是按如下方式实现的：
一种PIN-FET光接收组件性能指标测试方法，包括：
在PIN-FET光接收组件的线性响应区域内，输入直流光信号，使所述PIN-FET光接收组件的输出直流电压为第一预设电压V1；
在所述直流光信号上加入10KHz频率的正弦波，生成交流光信号输入所述的PIN-FET光接收组件，其输出交流电压的峰峰值为第二预设电压V2；
增加所述正弦交流光信号的频率，读取所述PIN-FET光接收组件的输出交流电压的峰峰值下降到0.707·V2时所对应的正弦交流光信号的频率，得到所述PIN-FET光接收组件的3dB带宽。
一种用于如上所述方法的测量系统，包括用于向待测PIN-FET光接收组件输入光信号的光信号发生装置和用于测量所述待测PIN-FET光接收组件输出交流电压的示波器，所述光信号发生装置包括光源、偏振控制器、铌酸锂强度调制器、可变光衰减器、光纤耦合器和射频信号发生器(包括强度调制器偏置电压控制装置)，所述光源发出的光信号依序经过所述偏振控制器、铌酸锂强度调制器、可变光衰减器和光纤耦合器入射至所述待测PIN-FET光接收组件，所述射频信号发生器连接至所述铌酸锂强度调制器，用于控制所述铌酸锂强度调制器产生正弦交流光信号，并设置偏置工作点的直流电压。
一种PIN-FET光接收组件性能指标测试方法，包括：
测出PIN-FET光接收组件输出电压U与入射光功率P的关系曲线；
在所述关系曲线中电压U在-1.5V至0.5V范围内选择一个最佳线性区进行线性拟合；
其中线性拟合曲线的斜率值，即为所述PIN-FET光接收组件的线性响应度。
一种PIN-FET光接收组件性能指标测试方法，包括：
测出PIN-FET光接收组件输出电压U与入射光功率P的关系曲线；
在所述关系曲线中电压U在-1.5V至0.5V范围内选择一个最佳线性区进行线性拟合；
根据所述关系曲线和所述线性拟合曲线计算
Figure BSA00000492104500031
的数值，当数值等于3％时，所述UMin所对应的光功率即为线性最小光功率值PMin，其中，UMin为所述线性拟合曲线的输出电压，所述ΔUMin为所述关系曲线与所述线性拟合曲线在一个输入光功率P下的输出电压差，所述U0为所述关系曲线的在输入光功率P为0时的输出电压U。
一种PIN-FET光接收组件性能指标测试方法，包括：
测出PIN-FET光接收组件输出电压U与入射光功率P的关系曲线；
在所述关系曲线中电压U在-1.5V至0.5V范围内选择一个最佳线性区进行线性拟合；
根据所述关系曲线和所述线性拟合曲线计算
Figure BSA00000492104500041
的数值，当数值等于3％时，所述UMax所对应的光功率即为饱和光功率值PMax，其中，UMax为所述线性拟合曲线的输出电压，所述ΔUMax为所述线性拟合曲线与所述关系曲线在一个输入光功率P下的输出电压差，所述U0为所述关系曲线的在输入光功率P为0时的输出电压。
一种用于如上所述方法的测量系统，包括用于向待测PIN-FET光接收组件输入光信号的光信号发生装置和用于测量所述待测PIN-FET光接收组件输出电压的万用表，所述光信号发生装置包括光源、可变光衰减器、光纤耦合器和光功率计，所述光源发出的光信号依序经过所述可变光衰减器和分束比为50∶50的光纤耦合器，光纤耦合器的一端连接至所述待测PIN-FET光接收组件，另外一端连接到所述光功率计上，作为参考，用于监视并测量所述光纤耦合器输出的光信号的功率。
本发明的积极效果是：
本发明这些参数与相应测量方法用于衡量模拟光纤传感系统信噪比问题，其引入能够创新性地解决目前模拟光纤传感领域的系统设计问题。
附图说明
图1是PIN-FET光接收组件的电路示意图。
图2是本发明第一实施例提供的用于测量PIN-FET光接收组件的无光输出电压的测量系统示意图。
图3是本发明第二实施例提供的用于测量PIN-FET光接收组件的均方根噪声电压的测量系统示意图。
图4是本发明第三实施例提供的用于测量PIN-FET光接收组件的幅频特性曲线(3dB带宽)的测量系统示意图。
图5为幅频特性曲线(3dB带宽)测量计算方法图例。
图6为实际测量幅频特性曲线的计算机控制自动测试系统的数据记录图。
图7是本发明第四实施例提供的用于测量PIN-FET光接收组件的线性响应度、线性最小光功率和线性饱和光功率的测量系统示意图。
图8是线性响应度测量计算方法图例。
图9为实际测量的PIN-FET线性响应度计算机控制自动测试系统的数据记录图。
图10为线性最小光功率测量计算方法图例。
图11为线性饱和光功率测量计算方法图例。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的实施例提供了一种PIN-FET光接收组件性能指标测试方法，该参数包括1.线性响应度，2.线性最小光功率，3.线性饱和光功率，4.无光电压，5.带宽，6.均方根噪声电压等性能指标参数。上述参数能够用于衡量和评价PIN-FET光接收组件在模拟光信号输入条件下的性能指标，适用于模拟光传感系统应用。
请参照表1，表1为本发明的实施例所涉及的各个参数的定义。
Figure BSA00000492104500061
表1参数定义
一、无光电压的测量
请参照图2，图2是本发明第一实施例提供的用于测量PIN-FET光接收组件的无光输出电压的测量系统示意图。本实施例的测量系统20包括一个用于为待测PIN-FET光接收组件29供电的直流电源21，以及一个用于测量待测PIN-FET光接收组件输出电压的万用表22。万用表22可以通过同轴电缆连接该待测PIN-FET光接收组件29。
下面介绍无光电压的测量方法。按照图2将待测PIN-FET光接收组件29接入测量系统20，在没有光信号输入到待测PIN-FET光接收组件29的情况下，万用表22测出电压值即为无光输出电压U0。
二、均方根噪声电压
请参照图3，图3是本发明第二实施例提供的用于测量PIN-FET光接收组件的均方根噪声电压的测量系统示意图。本实施例的测量系统30包括一个用于为待测PIN-FET光接收组件39供电的直流电源31，以及一个用于测量待测PIN-FET光接收组件输出电压的射频毫伏表32。射频毫伏表32可以通过同轴电缆连接该待测PIN-FET光接收组件39。
下面介绍均方根噪声电压的测量方法。按照图3将待测PIN-FET光接收组件39接入测量系统30，在没有光信号输入到待测PIN-FET光接收组件29的情况下，利用射频毫伏表32测出均方根噪声UN(rms)。
三、幅频特性曲线(3dB带宽)
请参照图4，图4是本发明第三实施例提供的用于测量PIN-FET光接收组件的幅频特性曲线(3dB带宽)的测量系统示意图。本实施例的测量系统40包括用于向待测PIN-FET光接收组件输入光信号的光信号发生装置41和用于测量所述待测PIN-FET光接收组件输出电压的示波器42。该光信号发生装置41包括光源411、偏振控制器412、铌酸锂强度调制器413、可变光衰减器414、光纤耦合器415和射频信号发生器416。光源411发出的光信号依序经过偏振控制器412、铌酸锂强度调制器413、可变光衰减器414和光纤耦合器415耦合至待测PIN-FET光接收组件49。射频信号发生器416的一端连接至铌酸锂强度调制器413的射频信号输入端，用于控制铌酸锂强度调制器413产生正弦交流光信号；信号发生器的另外一个端口连接到调制器的直流偏置端，用于产生偏置直流电压。测量系统4还包括光纤耦合器415的另外一个输出端连接到光功率计417上，用于设定并监视测量光纤耦合器415输出的光信号的功率。
下面介绍幅频特性曲线(3dB带宽)的测量方法，该方法包括：
步骤1、在PIN-FET光接收组件的线性响应区域内，输入直流光信号，使所述PIN-FET光接收组件的输出电压为第一预设电压V1；
步骤2、设定铌酸锂强度调制器的偏置工作电压，调整到相位差为π/2位置，以达到调制的交流信号施加在调制器的准线性工作区域，然后在所述直流光信号上加入10KHz频率的正弦交流光信号，所述PIN-FET光接收组件的输出交流电压的峰峰值为第二预设电压V2；
步骤3、增加所述正弦交流光信号的频率，读取所述PIN-FET光接收组件的输出交流电压的峰峰值下降到0.707·V2时所述正弦交流光信号的频率，得到所述PIN-FET光接收组件的3dB带宽fB。
举例而言，按照图4接入待测PIN-FET光接收组件，设置直流输入光功率使PIN-FET输出的直流电压为0.5V，调节铌酸锂强度调制器的偏置电压，到相位差为π/2位置，即光功率输出降低到铌酸锂强度调制器两干涉臂相位差为0时的一半值。请参照图5，图5为幅频特性曲线(3dB带宽)测量计算方法图例。纵轴表示待测PIN-FET光接收组件输出交流电压峰峰值，横轴表示输入的光信号的频率。当输出交流电压峰峰值下降到10kHz信号幅度的0.707时，所对应的频率即为3dB带宽fB。图6为实际测量的3dB带宽所得的幅频特性曲线的计算机控制自动测试系统的数据记录图。
四、线性响应度、线性最小光功率和线性饱和光功率
请参照图7，图7是本发明第四实施例提供的用于测量PIN-FET光接收组件的线性响应度、线性最小光功率和线性饱和光功率的测量系统示意图。本实施例的测量系统70包括用于向待测PIN-FET光接收组件输入光信号的光信号发生装置71和用于测量所述待测PIN-FET光接收组件输出电压的万用表72。光信号发生装置71包括光源711、可变光衰减器712、光纤耦合器713和光功率计714。光源711发出的光信号依序经过可变光衰减器712和光纤耦合器713入射至待测PIN-FET光接收组件79，光纤耦合器713的另外一个输出端连接到光功率计714上，作为参考，用于监视并测量光纤耦合器713输出的光信号的功率。
下面介绍线性响应度的测量方法，该方法包括：
步骤1、测出PIN-FET光接收组件输出电压U与入射光功率P的关系曲线；
步骤2、在所述关系曲线中电压U在-1.5V至0.5V范围内选择一个最佳线性区进行线性拟合；
步骤3、计算线性拟合曲线的斜率值，得到所述PIN-FET光接收组件的线性响应度。
请参照图8，图8是线性响应度测量计算方法图例。在图8中，纵轴表示待测PIN-FET光接收组件79的输出电压U，横轴表示入射光功率P。举例而言，按照图7接入PIN-FET光接收组件79，逐渐改变入射光功率P，测出待测PIN-FET光接收组件79输出电压U与入射光功率P的关系曲线81。选择其中电压U在-1.5V～0.5V范围内的最佳线性区(如-1.5V～-0.5V)进行线性拟合，得到线性拟合曲线82。线性拟合曲线82的斜率值即为线性响应度Re。图9为实际测量的PIN-FET线性响应度记录图。
下面介绍线性最小光功率的测量方法，该方法包括：
步骤1、测出PIN-FET光接收组件输出电压U与入射光功率P的关系曲线；
步骤2、在所述关系曲线中电压U在-1.5V至0.5V范围内选择一个最佳线性区进行线性拟合；
步骤3、根据所述关系曲线和所述线性拟合曲线计算
Figure BSA00000492104500091
的数值，当数值等于3％时，所述UMin所对应的光功率即为线性最小光功率值PMin，其中，UMin为所述线性拟合曲线的输出电压，所述ΔUMin为所述关系曲线与所述线性拟合曲线对应的电压，与在一个输入光功率P下的实际输出电压的差，所述U0为所述关系曲线的在输入光功率P为0时的输出电压U。
请参照图10，图10为线性最小光功率测量计算方法图例。按照图7连接待测PIN-FET光接收组件，按照响应度测试方法，计算线性响应度。按照公式
Figure BSA00000492104500101
当数值等于3％时，对应的光功率即为线性最小光功率值PMin。其中，线性偏差是指：线性拟合的一段U-P曲线上对应某个输入光功率P的电压值U与实测的输出电压值U之间的偏差的相对值称为线性偏差，如上述实例中取值3％为线性偏差，根据不同需要应用与需求，可以调整线性偏差范围，以得到不同线性偏差条件下的线性最小光功率。
下面介绍线性饱和光功率的测量方法，该方法包括：
步骤1、测出PIN-FET光接收组件输出电压U与入射光功率P的关系曲线；
步骤2、在所述关系曲线中电压U在-1.5V至0.5V范围内选择一个最佳线性区进行线性拟合；
步骤3、根据所述关系曲线和所述线性拟合曲线计算
Figure BSA00000492104500102
的数值，当数值等于3％时，所述UMax所对应的光功率即为饱和光功率值PMax，其中，UMax为所述线性拟合曲线的输出电压，所述ΔUMax为所述线性拟合曲线对应的电压，与所述关系曲线在一个输入光功率P下的实际输出电压的差，所述U0为所述关系曲线的在输入光功率P为0时的输出电压。
请参照图11，图11为线性饱和光功率测量计算方法图例。按框图连接待测器件，按照响应度测试方法，计算线性响应度。按照公式当线性偏差数值等于3％时，对应的光功率即为饱和光功率值PMax。其中选择线性偏差为3％。
本发明的有益效果：
本发明这些参数与相应测量方法的引入，能够创新性地解决目前模拟光纤传感领域的系统设计问题，用于衡量模拟光纤传感系统信噪比问题。如：已知系统光源的输出光功率，系统的光插入损耗，可知输入PIN-FET光接收组件的光功率。
如1：需要得到PIN-FET光接收组件的输出电压，采用传统的数字性能指标，计算方法如下：
UOut(V)＝UPIN(W)×Responsivity(A/W)×Transimpedance(Ω)
(输出电压(伏)＝输入光功率(瓦)×PIN探测器响应度(安/瓦)×FET场效应管跨阻(欧姆))；由于数字用PIN探测器响应度(安/瓦)与FET场效应管跨阻(欧姆)在客户使用端是无法测量的物理量，因此不能直观地得到PIN-FET的输出电压。
采用本专利所述计算方法：
UOut(V)＝PPIN(W)×Linear Responsivity(V/μW)
(输出电压(伏)＝输入光功率(瓦)×PIN-FET探测器组件线性响应度(伏/微瓦))可以非常直观地得到PIN-FET的输出电压。
如2：均方根噪声电压UN(rms)与线性最小光功率PMin可以用于评价光纤传感模拟系统的信噪比等性能，如可以用于设计、评价光纤陀螺的零位稳定性、随机游走与阈值等性能指标；
如3：探测器最佳工作输入光功率，可以通过线性饱和光功率PMax来确定。如光纤陀螺系统应用中，考虑到PIN-FET的工作带宽，系统放大与后续的模数(A/D)转换要求等，选择探测器的最佳工作输入光功率POpt＝PMax/3比较合适；另外根据线性最小光功率，可以设计并选择模数(A/D)转换的位数等。
为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实施方式。但是本发明的其他变化和修改，对于本领域技术人员是显而易见的，在本发明所公开的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或者仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (6)

1.一种PIN-FET光接收组件性能指标测试方法，其特征在于，包括：
在PIN-FET光接收组件的线性响应区域内，输入直流光信号，使所述PIN-FET光接收组件的输出直流电压为第一预设电压V1；
在所述直流光信号上加入10KHz频率的正弦交流光信号，所述PIN-FET光接收组件的输出交流电压的峰峰值为第二预订电压V2；
增加所述正弦交流光信号的频率，读取所述PIN-FET光接收组件的输出电压的峰峰值下降到0.707·V2时所述正弦交流光信号的频率，得到所述PIN-FET光接收组件的3dB带宽。
2.一种用于如权利要求1所述方法的测量系统，其特征在于，包括用于向待测PIN-FET光接收组件输入光信号的光信号发生装置和用于测量所述待测PIN-FET光接收组件输出交流电压的示波器，所述光信号发生装置包括光源、偏振控制器、铌酸锂强度调制器、可变光衰减器、光纤耦合器和射频信号发生器，所述光源发出的光信号依序经过所述偏振控制器、铌酸锂强度调制器、可变光衰减器和光纤耦合器耦合至所述待测PIN-FET光接收组件，所述射频信号发生器的一个端口连接至所述铌酸锂强度调制器射频输入端，用于控制所述铌酸锂强度调制器产生正弦交流光信号，信号发生器的其中一个端口连接到强度调制器的直流偏置端，用于控制强度调制器的偏置电压。
3.一种PIN-FET光接收组件性能指标测试方法，其特征在于，包括：
测出PIN-FET光接收组件输出电压U与入射光功率P的关系曲线；
在所述关系曲线中电压U在-1.5V至0.5V范围内选择一个最佳线性区进行线性拟合；
计算线性拟合曲线的斜率值，得到所述PIN-FET光接收组件的线性响应度。
4.一种PIN-FET光接收组件性能指标测试方法，其特征在于，包括：
测出PIN-FET光接收组件输出电压U与入射光功率P的关系曲线；
在所述关系曲线中电压U在-1.5V至0.5V范围内选择一个最佳线性区进行线性拟合；
根据所述关系曲线和所述线性拟合曲线计算
Figure FSA00000492104400021
的数值，当数值等于3％时，所述UMin所对应的光功率即为线性最小光功率值PMin，其中，UMin为所述线性拟合曲线的输出电压，所述ΔUMin为所述关系曲线与所述线性拟合曲线在一个输入光功率P下的输出电压差，所述U0为所述关系曲线的在输入光功率P为0时的输出电压U。
5.一种PIN-FET光接收组件性能指标测试方法，其特征在于，包括：
测出PIN-FET光接收组件输出电压U与入射光功率P的关系曲线；
在所述关系曲线中电压U在-1.5V至0.5V范围内选择一个最佳线性区进行线性拟合；
根据所述关系曲线和所述线性拟合曲线计算
Figure FSA00000492104400022
的数值，当数值等于3％时，所述UMax所对应的光功率即为饱和光功率值PMax，其中，UMax为所述线性拟合曲线的输出电压，所述ΔUMax为所述线性拟合曲线与所述关系曲线在一个输入光功率P下的输出电压差，所述U0为所述关系曲线的在输入光功率P为0时的输出电压。
6.一种用于如权利要求3至5中任意一项方法的测量系统，其特征在于，包括用于向待测PIN-FET光接收组件输入光信号的光信号发生装置和用于测量所述待测PIN-FET光接收组件输出电压的万用表，所述光信号发生装置包括光源、可变光衰减器、分束比为50∶50的光纤耦合器和光功率计，所述光源发出的光信号依序经过所述可变光衰减器和光纤耦合器入射至所述待测PIN-FET光接收组件，所述光纤耦合器的另外一端连接到所述光功率计上，用于监视并测量入射到所述PIN-FET光接收组件上光信号的功率。
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