CN110336607B

CN110336607B - 基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置与方法

Info

Publication number: CN110336607B
Application number: CN201910308441.0A
Authority: CN
Inventors: 李亚峰; 余承勇; 高冲; 龙嘉威; 李恩; 张云鹏; 高勇; 郭高凤
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2039-04-17
Also published as: CN110336607A

Abstract

本发明属于光纤网络技术和光通信技术领域，提供基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置与方法。本发明中采用红外敏化材料InSb作为微波谐振器的介质基板，实现将半导体的光敏特性与微波谐振特性的完美结合；在红外信号辐照下，光敏材料InSb电磁特性的发生将使得谐振器的谐振特性发生明显变化，将较高的红外功率信号转化为变化范围小、易观测的微波信号，从而实现对红外信号的高灵敏检测；同时，本发明基于InSb介质板微带谐振器直接对红外敏材料内部电磁特性进行检测，不受暗电流等因素限制，且外界影响小，检测灵敏度高；综上，本发明检测装置具有响应速度快、灵敏度高、测试精度高、材料成本低、易集成和设计加工简单等优点。

Description

基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置与方法

技术领域

本发明属于光纤网络技术和光通信技术领域，涉及光功率检测技术，具体为基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置与方法。

背景技术

随着光纤网络技术和光通信技术的快速发展，光功率检测的要求越来越高；光功率的变化很容易导致通信和网络故障，在光通信领域中，为确保器件之间工作的连续性、稳定性与安全性，通常要对所有的光学设备进行检测。

当前光功率检测方法主要是基于AD转换，通过放大器对所测得的光敏器件(APD、avalanche photon detector，雪崩光电二极管或者PIN管)在光辐照信号下的电压信号进行放大与取样，实现对光功率信号的检测；而常用放大器有线性放大器和对数放大器，其中，线性放大器的量程一般在30dB左右，且在不同的工作范围内，具有不同的精度指标，越靠近量程下限其精度值越低，优点是不易受外界环境影响；而对数放大器则具有较大的量程，一般其值可达60dB，并且在整个量程范围内均具有较为均匀的，但受制于现有技术使得量程内分辨率过低，导致光功率检测精度亦随之下降；并且，传统的AD转换器对光功率的采样范围一般是在0～20dBm以内，而实际中光功率通常是高于20dBm，此时，传统的AD转换器将不再满足要求。此外，一些集成化的光功率检测器件也可实现对光辐射功率的简单检测，但由于其加工成本和使用通用性方面的限制，使得其不能推广使用。

此外，传统光电检测技术依赖于光敏材料光辐照下其电性能变化特性实现的，然而光敏材料电性能检测下限受材料暗电流限制，而微波谐振腔微扰法检测技术则直接针对材料内部介电常数、介电损耗和电导率等电磁特性进行检测，外界影响小，检测灵敏度高。

综上所述，传统的光功率检测技术检测幅值范围较小，且技术和成本限制了其使用条件和应用范围；而基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置是将InSb材料光敏特性与微波特性相结合，使得检测困难的宽量程待测光功率信号转化为小量程、易观测的微波信号；因此，本发明提供一种基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置与方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有红外辐射功率检测装置中存在的缺陷，提供一种基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置与方法；本发明采用红外敏化材料InSb作为微波谐振器的介质基板，在不同光辐射功率下InSb具有不同的响应特性，同时也使得InSb材料内部的电磁特性发生改变，即将InSb的光敏特性和微波特性相结合，实现对红外辐照功率信号的高灵敏检测。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置，包括：矢量网络分析仪、微带谐振器、光源、一维移动平台及光学暗室；其特征在于，所述矢量网络分析仪、微带谐振器、光源与一维移动平台均设置于光学暗室内；所述微带谐振器水平固定于一维移动品台上，所述一维移动平台水平方向连续可调；所述光源位于微带谐振器正上方，且光源的光辐射功率连续可调；所述矢量网络分析仪通过微波线缆与微带谐振器相连，且所述微带谐振器采用红外敏化材料InSb作为介质基板。

进一步的，所述微带谐振器由介质基板、以及位于介质基板上的馈源线与微带线构成，所述馈源线与微带线之间通过耦合缝隙耦合馈电，所述微带线形式为曲线型。

更进一步的，所述微带谐振器中，介质板厚度为0.254mm，面积为5mm*5mm，微带线宽为0.12mm，工作频段为5-15GHz，具有2个以上的可用谐振频率。

进一步的，所述红外敏化材料InSb禁带宽度为0.23eV、截止波长为5400nm。

基于上述装置的红外辐照功率微波检测方法，包括如下步骤：

步骤1.打开矢量网络分析仪，调节一维移动平台，选取微带谐振器内品质因数最高的谐振模式作为工作检测模式；

步骤2：通过矢量网络分析仪将所选工作检测模式对应的频率f₀进行标记，并记录此状态下谐振峰幅值A₀；

步骤3：打开光源，垂直入射到微带谐振器上，记录光源光辐射功率P₁，并测量微带谐振器的谐振峰幅值A₁；

步骤4：计算打开光源前后谐振峰幅值偏移量ΔA₁：ΔA₁＝A₁–A₀；

步骤5：依次调节光源的光辐射功率为P₂、P₃、...、P_N，进而获得光辐射功率条件下的谐振峰幅值偏移量ΔA₂、ΔA₃、...、ΔA_N；得到P-ΔA数据统计表；

步骤6：将待测光垂直入射到微带谐振器上，经过测量、计算得谐振峰幅值偏移量ΔA，查阅P-ΔA数据统计表，即得到待测光的光辐射功率P。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置中，采用光敏材料InSb作为微带谐振器的介质基板，可实现将半导体的光敏特性与微波谐振特性的完美结合；在红外信号辐照下，光敏材料InSb电磁特性的发生将使得谐振器的谐振特性发生明显变化，从而实现对红外信号的高灵敏检测；该方法有效减小了红外辐照下敏化材料由热效应所产生的非线性效应，提高了测试系统的响应灵敏度和测试精度。

(2)与传统AD转换光功率检测装置相比，InSb微波谐振器将检测困难的光功率信号向微波信号转化，其优越性在于：由于光信号辐射功率分布范围广，远超出传统光功率检测装置量程范围，尤其是对高功率光信号的检测，而InSb微波谐振器通过对InSb光敏材料在不同红外功率辐射下微波谐振特性改变量的测量，将较高的红外功率信号转化为变化范围小、易观测的微波信号，实现对高功率红外信号的高灵敏检测；此外，该装置亦具有响应速度快、灵敏度高、测试精度高、材料成本低、易集成和设计加工简单等优点。

(3)传统红外检测技术依赖于红外敏材料光辐照下其电性能变化特性实现的，然而红外敏材料电性能检测下限受材料暗电流限制，而本发明基于InSb介质板微带谐振器直接对红外敏材料内部电磁特性进行检测，不受暗电流等因素限制，且外界影响小，检测灵敏度高。

(4)现今微波器件检测技术成熟，通过SOLT、TRL等校准方法可将仪器至-100dBm以下，实现对光信号的宽量程、高精度检测；并且，微带线谐振器由于其形式灵活，可将微带线制成曲线或缠绕等样式以减小微带谐振器的尺寸，使得小型化高灵敏检测成为可能；同时，微带加工技术成熟、成本低、周期短且精度高。

附图说明

图1为本发明提供的基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置结构示意图；

图2为本发明提供的微带谐振器结构示意图；

图3为本发明提供的连续可调滤光片示意图；

其中，1为矢量网络分析仪，2为微带谐振器，3为单色光源，4为连续可调滤光片，5为一维移动平台，6为光学暗室，7为微波线缆，8为InSb介质板，9为微带谐振器馈源线，10为微带谐振器耦合缝隙，11为微带线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置，其结构如图1所示；包括：矢量网络分析仪1、微带谐振器2、单色红外源3、连续可调滤光片4、一维移动平台5及光学暗室6；其中，所述矢量网络分析仪1、微带谐振器2、单色红外源3、连续可调滤光片4与一维移动平台5均设置于光学暗室6内；所述微带谐振器2水平固定于一维移动平台5上，所述一维移动平台5水平方向连续可调；所述连续可调滤光片4可围绕中心轴进行旋转、可实现红外透过率从100％～0.1％连续可调，所述单色红外源3位于可调滤光片4正上方，所述连续可调滤光片4位于微带谐振器2正上方，使得红外信号通过可调滤光片4竖直照射到微带谐振器2上，所述单色红外源3与连续可调滤光片4共同构成光辐射功率连续可调光源；所述微带谐振器2采用红外敏化材料InSb作为介质基板、介质基板上设置微带谐振器馈源线9、微带谐振器耦合缝隙10及微带线11，所述微带谐振器馈源线9与微带线11通过微带谐振器耦合缝隙10进行耦合馈电，微带线形式为曲线型；所述矢量网络分析仪1通过微波线缆与微带谐振器2相连。

更进一步的，本实施例中，所述微带谐振器介质基板为红外敏化材料InSb板，介质板厚度为0.254mm，面积为5mm*5mm，微带线宽为0.12mm，工作频段为5-15GHz，具有2个以上的可用谐振频率；所述红外敏化材料InSb禁带宽度为0.23eV、截止波长为5400nm；所述一维移动平台5的调节方向为水平方向，移动行程为35mm；所述连续可调滤光片4采用熔融石英作为基底材料，红外透过率从100％～0.1％连续可调；所述单色红外源3的工作波长为808nm，输出功率为250mW，工作方式为连续波。

步骤1：将矢量网络分析仪1、单色红外源3、连续可调滤光片4、一维移动平台5固定于光学暗室6，其中，连续可调滤光片4可围绕中心轴进行旋转且位于微带谐振器2正上方，单色红外源3位于可调功率滤光片4正上方，且红外信号可通过可调滤光片4竖直照射到微带谐振器上；

步骤2：将微带谐振器2固定于一维移动平台5中心位置；

步骤3：通过微波线缆连接矢量网络分析仪1和微带谐振器2；

步骤4：打开矢量网络分析仪，进行起止频率、扫描点数、中频带宽设置，调节准光学谐振腔内一维移动平台，选取微带谐振器内品质因数最高的谐振模式作为工作检测模式；

步骤5：通过矢量网络分析仪的Mark Search和Mark Function功能将所选工作模式对应的频率f₀进行标记并移至矢量网络分析仪屏幕中央，并将Span调至1MHz，记录此状态下谐振峰幅值A₀；

步骤6：固定并调节单色光源与滤光片，确保光线能顺利通过滤光片辐照到微带谐振器上；

步骤7：打开光源、并记录此时光辐射功率P₁，观察谐振曲线的变化状态，并记录其稳定状态时的谐振频率f₁、谐振峰幅值A₁；

步骤8：通过步骤5和步骤7计算打开光源前后谐振峰幅值偏移量ΔA₁：

ΔA₁＝A₁–A₀

步骤9：通过调节滤波片以改变光敏材料InP的光辐射功率为P₂、P₃、...、P_N，进而获得光辐射功率条件下的谐振峰幅值偏移量ΔA₂、ΔA₃、...、ΔA_N；得到P-ΔA数据统计表；

步骤10：对辐射功率未知的待测光进行检测，计算该辐射功率下的ΔA，并查阅通过步骤7所得到的P-ΔA数据统计表，即得到待测光源的辐射功率P的大小。

需要说明的是，本发明中，P-ΔA数据统计表中，光辐射功率(P₁、P₂、P₃、...、P_N)取值越密集，测量精度越高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置，包括：矢量网络分析仪、微带谐振器、光源、一维移动平台及光学暗室；其特征在于，所述矢量网络分析仪、微带谐振器、光源与一维移动平台均设置于光学暗室内；所述微带谐振器水平固定于一维移动平台上，所述一维移动平台水平方向连续可调；所述光源位于微带谐振器正上方，且光源的光辐射功率连续可调；所述矢量网络分析仪通过微波线缆与微带谐振器相连，且所述微带谐振器采用红外敏化材料InSb作为介质基板；所述微带谐振器由介质基板、以及位于介质基板上的馈源线与微带线构成，所述馈源线与微带线之间通过耦合缝隙耦合馈电，所述微带线形式为曲线型。

2.按权利要求1所述基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置，其特征在于，所述微带谐振器中，介质板厚度为0.254mm，面积为5mm*5mm，微带线宽为0.12mm，工作频段为5-15GHz，具有2个以上的可用谐振频率。

3.按权利要求1所述基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置，其特征在于，所述红外敏化材料InSb禁带宽度为0.23eV、截止波长为5400nm。

4.按权利要求1所述基于InSb介质板微带谐振器的红外信号检测装置的检测方法，包括如下步骤：

步骤1：打开矢量网络分析仪，调节一维移动平台，选取微带谐振器内品质因数最高的谐振模式作为工作检测模式；

步骤2：通过矢量网络分析仪将所选工作检测模式对应的频率f ₀进行标记，并记录此状态下谐振峰幅值A ₀；

步骤3：打开光源，垂直入射到微带谐振器上，记录光源光辐射功率P ₁，并测量微带谐振器的谐振峰幅值A ₁；

步骤4：计算打开光源前后谐振峰幅值偏移量ΔA ₁：ΔA ₁ = A ₁ – A ₀；

步骤5：依次调节光源的光辐射功率为P ₂、P ₃、...、P _N，进而获得光辐射功率条件下的谐振峰幅值偏移量ΔA ₂、ΔA ₃、...、ΔA _N；得到P-ΔA数据统计表；

步骤6：将待测光垂直入射到微带谐振器上，经过测量、计算得谐振峰幅值偏移量ΔA，查阅P-ΔA数据统计表，即得到待测光的光辐射功率P。