CN103091568B - 一种雪崩光电二极管过剩噪声因子测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雪崩光电二极管（Avalanche？Photo？Diode，APD）过剩噪声因子测量系统，涉及半导体光电子器件的测试技术领域。本系统包括：光源、光耦合组件以及检测单元；所述检测单元包括：芯片测试工装夹具、偏置器、数字源表、放大器、噪声功率测试设备；光源通过光耦合组件照射在待测APD样品上，样品APD通过测试探针夹具与偏置器相连，数字源表与偏置器直流端口相连，偏置器交流端口连接放大器输入端，噪声功率测试设备连接放大器输出端。本发明通过同步测量APD噪声功率以及增益，实时，快速，精确的得出APD的过剩噪声因子。

Description

一种雪崩光电二极管过剩噪声因子测量系统

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件的测试技术领域，特别是指一种用于测量雪崩光电二极管过剩噪声因子的测量系统。

背景技术

过剩噪声因子是表征雪崩光电二极管（AvalanchePhotoDiode，APD）性能的一个重要参数。与普通PIN探测器不同，APD雪崩光电二极管的光生载流子在高电场下发生碰撞离化产生后代载流子，最终输出的光电流与初次注入光生电流相比放大了M（APD的增益）倍，这就是雪崩倍增效应。这种内部增益提高了APD的灵敏度和信噪比，使其在高速长距离光通信系统中正受到越来越多的重视。

但碰撞离化是一个随机过程，每一个载流子发生碰撞离化的可能性不尽相同，这就导致了增益的不稳定性。所谓过剩噪声因子就是表征这种增益不稳定性的参量，定义为增益的标准差与均方值之间的比值。

普通PIN探测器的散粒噪声为S_pin＝2qIR(ω),其中q为电子电量，I为光电流，R(ω)为APD的阻抗（与频率ω有关）。如果倍增过程是理想的，即增益是稳定的，那么APD的散粒噪声就是PIN散粒噪声的M²倍即S_APD＝2qIR(ω)M²。但是由于碰撞离化服从统计上的随机特性，APD的噪声会与理想情况下的不一致。所以实际的APD过剩噪声为S_APD＝2qIR(ω)M²F，其中F为过剩噪声因子。可见过剩噪声因子直接的反应在APD产生的过剩噪声里，通过测量过剩噪声可以提取出过剩噪声因子。过剩噪声因子是评价APD器件可靠性的有效指标，量化过剩噪声因子对APD管芯的研制、接收系统的设计都有着非常重要的意义。

目前常见的半导体光电子器件测试设备主要只针对APD暗电流、波长响应范围、响应度、总电容、响应时间、带宽等参数，迄今还没有商用的过剩噪声因子测量系统和方法。国外关于APD过剩噪声因子的比较成熟方案有：相敏探测法、直接功率测量法。

相敏探测法中，系统包含锁相放大器和跨阻放大器，可以同步测量增益和噪声，灵敏度比较高，但测量频点比较少，耗时比较长。

直接功率测量法中，使用噪声功率计直接测量噪声功率，可测量的频点多，但增益和噪声不能同步测量，需要另外测试IV特性，实时性不强，存在系统误差。

因此，目前迫切需要一种能够快速、实时、精确测量APD过剩噪声因子的系统和方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够同步测量APD增益以及噪声功率进而提高过剩噪声因子检测精度的测量系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种雪崩光电二极管APD过剩噪声因子测量系统，包括：光源，光耦合组件以及检测单元；所述检测单元包括：芯片测试工装夹具，偏置器，数字源表，放大器以及噪声功率测试设备；

所述光源通过所述光耦合组件照射在待测APD样品上，样品APD通过所述芯片测试工装夹具与所述偏置器相连，所述数字源表与所述偏置器的直流端口相连，所述偏置器交流端口连接所述放大器输入端，所述噪声功率测试设备连接所述放大器输出端。

进一步地，还包括：放大器；所述放大器为低噪声放大器，连接在所述数字源表以及所述噪声功率检测设备之间。

进一步地，所述光源为稳定光源。

进一步地，所述的光耦合组件是透镜光纤或聚焦透镜或者其他光耦合聚焦装置。

进一步地，所述噪声功率测试设备为噪声系数分析仪或者精密噪声功率计。

进一步地，所述芯片测试工装夹具包括：高频探针以及芯片测试夹具。

进一步地，还包括：校准单元；所述校准单元用于对所述检测单元的参数校准。

进一步地，所述校准单元包括：标准噪声源；所述标准噪声源与所述检测单元输入端相连。

进一步地，还包括：电磁屏蔽单元；所述电子屏蔽单元用于屏蔽测量环境中的电磁信号以及光信号。

进一步地，所述电磁屏蔽单元包括：电磁屏蔽暗室。

本发明公开的一种雪崩光电二极管过剩噪声因子测试系统，利用数字源表和偏置器构成的直流通路来测量待测APD样品的增益，利用噪声功率测试设备的交流通路来测量待测APD样品的噪声功率，同步测量增益和噪声功率，灵敏度高，测试频点多，可覆盖高频至微波频段，能够快速、实时、精确测量APD过剩噪声因子。

附图说明

图1为本发明实施例提供的APD过剩噪声因子测量系统校准连接图；

图2为本发明实施例提供的APD过剩噪声因子测量系统检测连接图。

具体实施方式

参见图2，本发明实施例提供的一种雪崩光电二极管过剩噪声因子测量系统，包括：LED光源、透镜光纤、APD芯片以及由高频探针、偏置器、数字源表、低噪声放大器和噪声分析仪构成的检测单元；LED光源通过透镜光纤照射在待测样品APD芯片上，样品APD芯片通过高频探针与偏置器相连，数字源表与偏置器直流端口相连，偏置器交流端口连接放大器输入端，噪声分析仪连接放大器输出端。

优选的，噪声功率的检测还可以使用噪声功率计或者其他噪声功率检测设备。

透镜光纤作为光耦合组件主要用于对光信号进行耦合汇聚处理，使其能够准确的投射到待测APD样品的光敏面。优选的，还可以使用聚焦透镜或者类似用于对光信号进行耦合汇聚处理的装置。

高频探针用于把样品APD芯片的输出信号引入检测单元；常见的样品APD在未封装时用高频探针作为连接工具，在封装之后通过夹具固定其管脚把APD的输出信号引入到检测单元。针对样品APD的不同状态，芯片测试工装夹具能够通过选取不同的连接方式把样品APD的信号引热检测单元。

偏置器为三端口同轴接口器件；优选的，其通过高频同轴线对外连接。

数字源表经偏置器直流端为待测APD样品提供工作偏压，并能同时显示对应的光电流。优选的，电压源功能精确到0.1V量级，电流表功能精确到10pA量级。

数字源表能够提供APD的工作偏压并同时测试光电流，进而得出增益M与偏压V的对应关系；同时，噪声分析仪测量噪声功率S，得出功率S与偏压V的对应关系；进而直接得出功率S与增益M的对应关系；根据公式S_APD＝2qIR(ω)M²F，可以得出增益M与过剩噪声因子F的对应关系。

相较于背景技术提到的传统的直接功率测量的方法中，分别测量偏压以及光电流进而得出增益；之后再测量噪声功率。本系统通过数字源表以及噪声功率检测设备同步测量增益以及噪声功率，实时性更强，两者的对应关系更加紧密。雪崩二极管的增益会出现抖动，只有同时测量噪声功率和增益，才能提升两者的对应关系的紧密程度。

为了测量的准确性，在噪声分析仪之前接入低噪声放大器对噪声信号进行放大，减小整个检测单元的噪声系数，进一步提高检测的精度。

本系统还包括由标准噪声源构成的校准单元，主要用于检测系统的装置参数的校准。同时为了避免环境中的电磁信号以及光信号的影响，本系统还包括电磁屏蔽单元，主要用于屏蔽上述光信号以及电磁信号；常规的，采用电磁屏蔽暗室。

本系统在工作时包括两个阶段：校准阶段以及正式测量阶段。

参见图1，本装置的校准连接图，标准噪声源通过高频探针接入检测单元。标准噪声源定义了特定频率下的噪声的功率；校准阶段是对标准噪声源之后的检测单元的各个设备的噪声分布进行修正，从而保证正式测量时系统的精度。

正式测量阶段，数字源表能够提供APD的工作偏压并同时测试光电流

设置噪声系数分析仪进入功率谱密度测量模式，并选择测试频率。这时噪声系数分析仪显示的是特定频率下APD样品相对于290K热电阻的噪声功率谱密度（-174dBm/Hz）的差值（以dB为单位）。如显示的读数为X（dB），则通过公式可换算至以W/Hz为单位的功率谱密度。

分别在光、暗条件下测量APD芯片的噪声功率谱密度，并换算成以W/Hz为单位，光暗噪声功率之差即为过剩噪声功率。如光噪声功率测量读数为X（dB）、暗噪声功率测量读数为Y（dB），则测量的过剩噪声功率谱密度S可用公式 $S=0.001*({10}^{\frac{X-174}{10}}-{10}^{\frac{Y-174}{10}})$ 换算。

为了全面的了解增益M与过剩噪声因子F的对应关系，本系统采用系统采样的方法，选取若干采样点绘制M-F图。

当增益M=1时，APD的过剩噪声等于散粒噪声。首先调节光源的输出光功率，在增益M=1对应的偏压V1处测量一系列的光电流和对应的散粒噪声功率谱密度，由公式中散粒噪声功率谱密度和光电流的线性比例关系可以得到在特定测试频率下包括待测APD样品的整个系统阻抗R(ω)。其中S为增益M=1时的过剩噪声功率谱密度，q为电子电量，I为V1时的初始光电流，R(ω)为系统阻抗。

在V1处把光源的输出功率调节至某一固定值。

在增益M=n对应的Vn偏压点（V₁≤V_n≤V_br击穿电压）依次测量并换算对应的过剩噪声功率谱密度，并根据此时数字源表显示的光、暗电流，带入公式可得到实际增益M。其中I_p、I_d为V_n对应的光电流和暗电流，I_P0、I_d0为V1对应的光电流和暗电流。这样就得到V_n偏压下增益M和过剩噪声功率谱密度S的对应关系。

偏压V_n处的过剩噪声因子F(M)可通过公式得到。其中S为对应于增益M的过剩噪声功率谱密度，I为V₁时的初始光电流，R(ω)为系统阻抗。

持续增大偏压V_n到APD的击穿电压，实时记录过程中的增益M以及功率S。测量得到不同增益M与过剩噪声因子F的对应关系，绘制M-F曲线图。

本发明通过同步测量增益以及噪声功率的瞬态值，进而得出增益M与过剩噪声因子F的对应关系；克服了传统测量方法带来的系统误差。同时系统校准单元的应用降低了装置本身的噪声，内阻以及环境的影响。有效的提高可过剩噪声因子的测量精度。

最后应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种雪崩光电二极管过剩噪声因子测量系统，其特征在于，包括：光源，光耦合组件以及检测单元；

所述检测单元包括：芯片测试工装夹具，偏置器，数字源表以及噪声功率测试设备；

所述光源通过所述光耦合组件照射在待测雪崩光电二极管样品上，待测雪崩光电二极管样品通过所述芯片测试工装夹具与所述偏置器相连，所述数字源表与所述偏置器的直流端口相连，所述偏置器交流端口连接放大器输入端，所述噪声功率测试设备连接所述放大器输出端；

其中，所述数字源表以及噪声功率测试设备同步测量增益以及噪声功率。

2.如权利要求1所述的雪崩光电二极管过剩噪声因子测量系统，其特征在于，还包括：放大器；所述放大器为低噪声放大器，接在所述数字源表以及所述噪声功率测试设备之间。

3.如权利要求1所述的雪崩光电二极管过剩噪声因子测量系统，其特征在于：所述光源为稳定光源。

4.如权利要求1所述的雪崩光电二极管过剩噪声因子测量系统，其特征在于：所述光耦合组件是透镜光纤或聚焦透镜。

5.如权利要求1所述的雪崩光电二极管过剩噪声因子测量系统，其特征在于：所述噪声功率测试设备为噪声系数分析仪或者精密噪声功率计。

6.如权利要求1所述的雪崩光电二极管过剩噪声因子测量系统，其特征在于，所述芯片测试工装夹具包括：高频探针以及芯片测试夹具。

7.如权利要求1所述的雪崩光电二极管过剩噪声因子测量系统，其特征在于，还包括：校准单元；所述校准单元用于对所述检测单元的参数校准。

8.如权利要求7所述的雪崩光电二极管过剩噪声因子测量系统，其特征在于，所述校准单元包括：标准噪声源；所述标准噪声源与所述检测单元输入端相连。

9.如权利要求1所述的雪崩光电二极管过剩噪声因子测量系统，其特征在于，还包括：电磁屏蔽单元；所述电磁屏蔽单元用于屏蔽测量环境中的电磁信号以及光信号。

10.如权利要求9所述的雪崩光电二极管过剩噪声因子测量系统，其特征在于，所述电磁屏蔽单元包括：电磁屏蔽暗室。