CN112556740A - 一种光电探测器的光电响应测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种光电探测器的光电响应测量装置与方法，属于光电子技术领域，旨在提供一种用于光电探测器光电响应测量的宽频段、高精细、自校准方法。本发明利用光学频率梳的重复频率将待测光电探测器的测量频率范围分段，在段内，通过电光强度调制器上加载的幅度调制，分析特定的频率分量，去除电光强度调制器的影响，得到待测光电探测器在每段内的光电响应，之后设置幅度调制微波信号源的输出频率，进行段间拼接并消除光学频率梳的影响，最终得到了待测光电探测器的宽频段光电响应，其中，通过改变幅度调制微波信号源的输出频率就可以实现待测光电探测器在宽频段内任意频率的光电响应测量。

Description

一种光电探测器的光电响应测量装置与方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域中的光电探测器光电响应测量技术，具体涉及一种光电探测器的光电响应测量装置与方法。

背景技术

光电探测器把光调制信号转换为电信号，从而可以在电域内对光信号进行高分辨率分析，是微波光子系统中的关键器件，其光电响应直接影响整个系统的工作速率和性能。随着系统越来越宽的带宽需求和高的分辨率要求，对光电探测器宽频段光电响应的测量提出了巨大的挑战，特别是对于超宽频率范围内高分辨率的应用，因此急需发展光电探测器的宽频段、高精细的光电响应测量方法。

目前光电探测器光电响应的测量方法主要有光波长拍频法、光噪声拍频法、失网扫频法、载波抑制调制法、移频外差法和低速光采样法。光波长拍频法(L.X.Wang,N.H.Zhu,J.H.Ke,W.Li,S.F.Chen,and L.Xie,“Improved peak power method for measuringfrequency responses of photodetectors in a self-heterodyne system,”Microw.Opt.Techn.Let.2010,52(10),2199-2203)和光噪声拍频法(F.Z.Xie,D.Kuhl,E.H.

S.Y.Ren,and D.Bimberg,“Wide-band frequency response measurements ofphotodetectors using low-level photocurrent noise detection,”J.Appl.Phys.1993,73(12),8641-8646)可以为光电探测器提供超宽的光激励源，并且不需要任何额外的校准，但是光波长拍频法需要功率和频率极其稳定的本地激光器，而光噪声拍频法具有小的动态范围和低的信噪比，无法为光电探测器提供准确和精细的测量。失网扫频法(Q.Y.Ye,C.Yang,and Y.H.Chong,“Measuring the frequency response ofphotodiode using phase-modulated interferometric detection,”IEEEPhotonic.Tech.L.2013,26(1),29-32)可以提高光电探测器光电响应的测量精度，但是该系统中电光强度调制器的电光响应影响着待测光电探测器的光电响应测量，测量结果为电光强度调制器和待测光电探测器的级联响应，需要额外复杂的校准。载波抑制调制法(K.Inagaki,T.Kawanishi,and M.Izutsu,“Optoelectronic frequency responsemeasurement of photodiodes by using high-extinction ratio optical modulator,”IEICE Electron.Expr.2012,9(4),220-226)虽然也可以高精细的测量光电探测器的光电响应，但是会严重受到电光强度调制器偏置电压漂移的影响。近些年来，我们提出了一种移频外差法(S.J.Zhang,H.Wang,X.H.Zou,Y.L.Zhang,R.G.Lu,H.P.Li,and Y.Liu,“Opticalfrequency-detuned heterodyne for self-referenced measurement ofphotodetectors,”IEEE Photon.Technol.Lett.2015,27(9),1014-1017)，实现了光电探测器的自校准、高分辨率测量，同时扩展了光电探测器的测量频率范围，使得测量频率范围是微波信号源工作频率范围的2倍。最近，我们也提出了一种低速光采样法(M.K.Wang,S.J.Zhang,Y.T.He,Z.Liu,X.Y.Zhang,H.Wang,Y.X.Ma,B.Sun,Y.L.Zhang,Z.Y.Zhang,andY.Liu,“Self-referenced frequency response measurement of high-speedphotodetectors through segmental up-conversion based on low-speed photonicsampling,”Opt.Express 2019,27(26),38250-38258)，在自校准的基础上进一步扩展了测量频率范围，使得测量频率范围是微波信号源工作频率范围的2M倍，但是该方法只能测量在光学频率梳梳齿频率处的光电响应，不能实现任意、灵活的高精细测量，测量方法受限。

发明内容

目前方法的主要问题在于无法在自校准、宽频段的基础上，同时实现光电探测器高精细的光电响应测量。为了解决上述问题，本发明提供了一种用于光电探测器光电响应测量的宽频段、高精细、自校准方法。

本发明的一种光电探测器的光电响应测量装置，包括光学频率梳、偏振控制器、电光强度调制器、待测光电探测器、频谱分析模块、幅度调制微波信号源以及控制与数据处理模块，所述光学频率梳、偏振控制器、电光强度调制器与待测光电探测器依次光连接，所述待测光电探测器与频谱分析模块电连接，所述幅度调制微波信号源与电光强度调制器电连接，所述控制与数据处理模块与幅度调制微波信号源和频谱分析模块依次数据总线连接；光学频率梳输出重复频率较高的光频梳信号，一般为1GHz以上，可为锁模激光器或者梳状谱相干光源或者超连续谱光源；幅度调制微波信号源可由带幅度调制功能的微波信号源，或者由微波信号源和幅度调制器组合，或者由微波信号源和微波开关组合构成；幅度调制微波信号源中的幅度调制波形可为正弦波或者三角波或者方波。

一种光电探测器的光电响应测量方法，包括以下步骤：

S1：设测量待测光电探测器在频率f_m相对于固定频率f_e的光电响应，f_e一般为1MHz以下，且f_e<<f_m，光学频率梳的重复频率为f_r，则根据重复频率将测量频率范围分段，使得f_m满足：Nf_r<f_m<(N+1)f_r，其中N为自然数；

S2：利用控制与数据处理模块设置幅度调制微波信号源的中心频率为f，满足以下关系：f_m＝Nf_r+2f-f_e，即f＝(f_m+f_e-Nf_r)/2，其中幅度调制微波信号源的幅度调制频率也为f_e，利用频谱分析模块测量频率为f_m和Nf_r+f_e的幅度，分别记录为A(f_m)和A(Nf_r+f_e)；

S3：利用控制与数据处理模块计算得到待测光电探测器在第N段内频率f_m相对于频率Nf_r+f_e的光电响应：

S4：利用控制与数据处理模块设置幅度调制微波信号源的中心频率为f’＝f_r/4-Δf，其中Δf一般小于1MHz，固定幅度调制微波信号源的幅度调制频率f_e，使得nf_r+2f’-f_e≈(n+1)f_r-2f’+f_e，利用频谱分析模块测量频率为Nf_r+f_e、f_e、nf_r+2f’-f_e和(n+1)f_r-2f’+f_e的幅度，分别记录为A(Nf_r+f_e)、A(f_e)、A(nf_r+2f’-f_e)和A[(n+1)f_r-2f’+f_e]，其中n＝0,1,2,…,N-1；

S5：利用控制与数据处理模块计算得到待测光电探测器在段间频率Nf_r+f_e相对于固定频率f_e的光电响应：

式中，p₀/p_N为光学频率梳引入的不均匀响应，写为：

式中，Π符号为连乘符号，代表n分别从0到N-1取值的各项连乘；

S6：利用控制与数据处理模块计算得到待测光电探测器在频率f_m相对于固定频率f_e的光电响应：

S7：如果f_m＝Nf_r或者f_m＝(N+1)f_r，取R(Nf_r)≈R(Nf_r+f_e)或者R[(N+1)f_r]≈R[(N+1)f_r+f_e]，重复步骤S4和S5，即可得到待测光电探测器在频率f_m相对于固定频率f_e的光电响应；

S8：改变频率f_m，重复步骤S1～S7，就可以得到待测光电探测器在测量频率范围(N+1)f_r内任意频率相对于固定频率f_e的光电响应。

所述幅度调制微波信号源中，幅度调制频率f_e在测量过程中保持不变，一般小于1MHz。

所述幅度调制微波信号源中，中心频率f的范围为0<f≤f_r/2，所以待测光电探测器的测量频率范围(N+1)f_r相对于幅度调制微波信号源的最大中心频率扩展了2(N+1)倍。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)相对于光波长拍频法和光噪声拍频法，本发明由于光学频率梳本身各个梳齿之间具有相干性，提高了测量的动态范围和信噪比；

(2)相对于失网扫频法，本发明实现了待测光电探测器光电响应的自校准测量，消除了系统中由光学频率梳和电光强度调制器引入的不均匀响应；

(3)相对于载波抑制调制法，本发明与电光强度调制器的偏置电压无关，不受偏置漂移的影响；

(4)相对于移频外差法，本发明在自校准的基础上，实现了光电探测器的宽频段光电响应测量，测量频率范围相对于幅度调制微波信号源的最大中心频率扩展了2(N+1)倍；

(5)相对于低速光采样法，本发明在宽频段测量的基础上，实现了光电探测器在任意频率的光电响应的高精细测量。

附图说明

图1为本发明的一种光电探测器的光电响应测量装置图。

图2为本发明实验得到的待测光电探测器在测量频率范围29.862GHz内的光电响应。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种光电探测器的光电响应测量装置，包括光学频率梳、偏振控制器、电光强度调制器、待测光电探测器、频谱分析模块、幅度调制微波信号源以及控制与数据处理模块，所述光学频率梳、偏振控制器、电光强度调制器与待测光电探测器依次光连接，所述待测光电探测器与频谱分析模块电连接，所述幅度调制微波信号源与电光强度调制器电连接，所述控制与数据处理模块与幅度调制微波信号源和频谱分析模块依次数据总线连接；光学频率梳输出重复频率较高的光频梳信号，一般为1GHz以上，可为锁模激光器或者梳状谱相干光源或者超连续谱光源；幅度调制微波信号源可由带幅度调制功能的微波信号源，或者由微波信号源和幅度调制器组合，或者由微波信号源和微波开关组合构成；幅度调制微波信号源中的幅度调制波形可为正弦波或者三角波或者方波。

本发明的一种光电探测器的光电响应测量原理及方法如下：

光学频率梳输出的光频梳信号表示为：

式中，q_l、f₀、f_r分别是光频梳信号的幅度、中心频率和重复频率，N₁和N₂分别是光频梳信号中心频率两侧的有效梳齿根数。在幅度调制微波信号源中，幅度调制频率为f_e，中心频率为f，则幅度调制微波信号表示为：

v(t)＝(1+a_e cos 2πf_et)V cos 2πft (2)

式中，a_e是幅度调制系数，V是频率为f的微波信号的幅度。

幅度调制微波信号加载在电光强度调制器上，对光学频率梳输出的光频梳信号进行调制，输出的光调制信号表示为：

式中，γ和

分别是电光强度调制器的非对称因子和偏置相位，V_π是电光强度调制器的半波电压。

然后将光调制信号输入到待测光电探测器中进行光电转换，产生了瞬时光电流，并用贝塞尔函数展开，可得：

式中，R是待测光电探测器的响应度，m是电光强度调制器的调制系数，J_p(·)、J_q(·)和J_k(·)分别是p阶、q阶和k阶第一类贝塞尔函数，系数p_n代表了光频梳信号的强度，写为：

最后将待测光电探测器产生的光电流输入到频谱分析模块中分析，根据公式(4)得到以下所需频率分量的幅度值为：

设测量待测光电探测器在频率f_m相对于固定频率f_e的光电响应，f_e一般为1MHz以下，且f_e<<f_m，并根据光学频率梳的重复频率f_r将测量频率范围分段，使得f_m满足：Nf_r<f_m<(N+1)f_r，其中N为自然数。从公式(5a)和(5b)中可以得到，在段内这两个频率分量的幅度之比只与光电探测器的响应度R有关。因此，设置幅度调制微波信号源的中心频率为f，满足以下关系：f_m＝Nf_r+2f-f_e，即f＝(f_m+f_e-Nf_r)/2，其中幅度调制微波信号源的幅度调制频率也为f_e，利用频谱分析模块对频率分量f_m和Nf_r+f_e进行测量，幅度分别记录为A(f_m)和A(Nf_r+f_e)，基于公式(5a)和(5b)，计算得到待测光电探测器在第N段内频率f_m相对于频率Nf_r+f_e的光电响应为：

为了进行段间拼接，实现光电探测器的宽频段测量，设置幅度调制微波信号源的中心频率为f’＝f_r/4-Δf，其中Δf一般小于1MHz，固定幅度调制微波信号源的幅度调制频率f_e，使得nf_r+2f’-f_e≈(n+1)f_r-2f’+f_e，利用频谱分析模块对频率分量Nf_r+f_e、f_e、nf_r+2f’-f_e和(n+1)f_r-2f’+f_e进行测量，幅度分别记录为A(Nf_r+f_e)、A(f_e)、A(nf_r+2f’-f_e)和A[(n+1)f_r-2f’+f_e]，其中n＝0,1,2,…,N-1，然后基于公式(5a)和(5b)计算得到光电探测器在段间频率Nf_r+f_e相对于固定频率f_e的光电响应为：

式中，p₀/p_N为光学频率梳引入的不均匀响应，写为：

式中，Π符号为连乘符号，代表n分别从0到N-1取值的各项连乘。

最后，通过段内测量和段间拼接，就可以计算得到待测光电探测器在频率f_m相对于固定频率f_e的光电响应为：

当f_m＝Nf_r或者f_m＝(N+1)f_r时，因为f_e是一个低频频率，所以可以取R(Nf_r)≈R(Nf_r+f_e)或者R[(N+1)f_r]≈R[(N+1)f_r+f_e]，然后重复段间拼接的操作，即公式(7)和(8)的计算，就可以得到待测光电探测器在频率f_m相对于固定频率f_e的光电响应。

最终，基于公式(9)，改变频率f_m，利用控制与数据处理模块重新设置幅度调制微波信号源的中心频率f，固定幅度调制微波信号源的幅度调制频率f_e，重复上述操作，就可以得到待测光电探测器在测量频率范围(N+1)f_r内任意频率相对于固定频率f_e的光电响应。

实施例一本实施例设测量待测光电探测器在频率9.94GHz(f_m)相对于固定频率100kHz(f_e)的光电响应，光学频率梳的重复频率f_r为9.954GHz，则根据重复频率将测量频率范围分段，使得9.94GHz(f_m)满足：0×f_r<f_m<(0+1)×f_r，其中N＝0。

利用控制与数据处理模块设置幅度调制微波信号源的中心频率f为4.97005GHz，满足以下关系：f_m＝0×f_r+2f-f_e，即f＝(f_m+f_e)/2，其中幅度调制微波信号源的幅度调制频率也为100kHZ(f_e)，利用频谱分析模块测量频率为9.94GHz(f_m)和100kHz(f_e)的功率，分别记录为P(9.94GHz)＝-60.60dBm和P(100kHz)＝-52.82dBm，则根据公式(6)可以计算得到R(9.94GHz)/R(100kHz)＝-60.60+52.82+20×Log₁₀2＝-1.76dB，即待测光电探测器在初始段内(N＝0)频率9.94GHz(f_m)相对于固定频率100kHz(f_e)的光电响应为-1.76dB。

实施例二

本实施例设测量待测光电探测器在频率9.954GHz(f_m)相对于固定频率100kHz(f_e)的光电响应，光学频率梳的重复频率f_r为9.954GHz，则根据重复频率将测量频率范围分段，使得9.954GHz(f_m)满足：f_m＝1×f_r，其中N＝1，取R(f_r)≈R(f_r+f_e)，即R(f_m)≈R(f_r+f_e)。

利用控制与数据处理模块设置幅度调制微波信号源的中心频率为2.488GHz(f’＝f_r/4-0.0005GHz，Δf＝0.0005GHz)，固定幅度调制微波信号源的幅度调制频率为100kHZ(f_e)，使得nf_r+2f’-f_e≈(n+1)f_r-2f’+f_e，其中n＝0～N-1，即n＝0，则利用频谱分析模块测量频率为9.9541GHz(f_r+f_e)、100kHz(f_e)、4.9759GHz(2f’-f_e)和4.9781GHz(f_r-2f’+f_e)的功率，分别记录为P(9.9541GHz)＝-52.66dBm、P(100kHz)＝-49.70dBm、P(4.9759GHz)＝-57.07dBm和P(4.9781GHz)＝-58.37dBm，则根据公式(7)和(8)可以计算得到R(9.9541GHz)/R(100kHz)＝-1.66dB，即待测光电探测器在段间频率9.9541GHz(f_r+f_e)相对于固定频率100kHz(f_e)的光电响应为-1.66dB。因为R(f_m)≈R(f_r+f_e)，所以待测光电探测器在频率9.954GHz(f_m)相对于固定频率100kHz(f_e)的光电响应为-1.66dB。

实施例三

本实施例设测量待测光电探测器在频率29.85GHz(f_m)相对于固定频率100kHz(f_e)的光电响应，光学频率梳的重复频率f_r为9.954GHz，则根据重复频率将测量频率范围分段，使得29.85GHz(f_m)满足：2×f_r<f_m<(2+1)×f_r，其中N＝2。

利用控制与数据处理模块设置幅度调制微波信号源的中心频率f为4.97105GHz，满足以下关系：f_m＝2×f_r+2f-f_e，即f＝(f_m+f_e-2f_r)/2，其中幅度调制微波信号源的幅度调制频率也为100kHZ(f_e)，利用频谱分析模块测量频率为29.85GHz(f_m)和19.9081GHz(2f_r+f_e)的功率，分别记录为P(29.85GHz)＝-63.09dBm和P(19.9081GHz)＝-56.15dBm，则根据公式(6)可以计算得到R(29.85GHz)/R(19.9081GHz)＝-63.09+56.15+20×Log₁₀2＝-0.92dB，即待测光电探测器在第二段内(N＝2)频率29.85GHz(f_m)相对于频率19.9081GHz(2f_r+f_e)的光电响应为-0.92dB。

利用控制与数据处理模块设置幅度调制微波信号源的中心频率为2.488GHz(f’＝f_r/4-0.0005GHz，Δf＝0.0005GHz)，固定幅度调制微波信号源的幅度调制频率f_e，使得nf_r+2f’-f_e≈(n+1)f_r-2f’+f_e，其中n＝0～N-1，即n＝0和1，则利用频谱分析模块测量频率为19.9081GHz(2f_r+f_e)、100kHz(f_e)、4.9759GHz(2f’-f_e)、4.9781GHz(f_r-2f’+f_e)、14.9299GHz(f_r+2f’-f_e)和14.9321GHz(2f_r-2f’+f_e)的功率，分别记录为P(19.9081GHz)＝-53.50dBm、P(100kHz)＝-49.70dBm、P(4.9759GHz)＝-57.07dBm、P(4.9781GHz)＝-58.37dBm、P(14.9299GHz)＝-58.95dBm和P(14.9321GHz)＝-60.92dBm，则根据公式(7)和(8)可以计算得到R(19.9081GHz)/R(100kHz)＝-0.53dB，即待测光电探测器在段间频率19.9081GHz(2f_r+f_e)相对于固定频率100kHz(f_e)的光电响应为-0.53dB。

最后利用控制与数据处理模块，计算得到R(29.85GHz)/R(100kHz)＝[R(29.85GHz)/R(19.9081GHz)]×[R(19.9081GHz)/R(100kHz)]＝-0.92-0.53＝-1.45dB，即待测光电探测器在频率29.85GHz(f_m)相对于固定频率100kHz(f_e)的光电响应为-1.45dB。改变频率f_m，同时依然固定幅度调制微波信号源的幅度调制频率f_e(100kHz)，重复上述操作，就可以得到待测光电探测器在测量频率范围29.862GHz[＝(2+1)×f_r]内任意频率相对于固定频率100kHz(f_e)的光电响应，如图2所示，即本发明实验得到的待测光电探测器在测量频率范围29.862GHz内的光电响应。

Claims (7)

1.一种光电探测器的光电响应测量装置，包括光学频率梳(1)、偏振控制器(2)、电光强度调制器(3)、待测光电探测器(4)、频谱分析模块(5)、幅度调制微波信号源(6)以及控制与数据处理模块(7)，所述光学频率梳(1)、偏振控制器(2)、电光强度调制器(3)与待测光电探测器(4)依次光连接，所述待测光电探测器(4)与频谱分析模块(5)电连接，所述幅度调制微波信号源(6)与电光强度调制器(3)电连接，所述控制与数据处理模块(7)与幅度调制微波信号源(6)和频谱分析模块(5)依次数据总线连接。

2.根据权利要求1所述的一种光电探测器的光电响应测量装置，其特征在于，光学频率梳(1)输出重复频率较高的光频梳信号，一般为1GHz以上，可为锁模激光器或者梳状谱相干光源或者超连续谱光源。

3.根据权利要求1所述的一种光电探测器的光电响应测量装置，其特征在于，幅度调制微波信号源(6)可由带幅度调制功能的微波信号源，或者由微波信号源和幅度调制器组合，或者由微波信号源和微波开关组合构成。

4.根据权利要求1所述的一种光电探测器的光电响应测量装置，其特征在于，幅度调制微波信号源(6)中的幅度调制波形可为正弦波或者三角波或者方波。

5.一种光电探测器的光电响应测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设测量待测光电探测器(4)在频率f_m相对于固定频率f_e的光电响应，f_e一般为1MHz以下，且f_e<<f_m，光学频率梳(1)的重复频率为f_r，则根据重复频率将测量频率范围分段，使得f_m满足：Nf_r<f_m<(N+1)f_r，其中N为自然数；

S2：利用控制与数据处理模块(7)设置幅度调制微波信号源(6)的中心频率为f，满足以下关系：f_m＝Nf_r+2f-f_e，即f＝(f_m+f_e-Nf_r)/2，其中幅度调制微波信号源(6)的幅度调制频率也为f_e，利用频谱分析模块(5)测量频率为f_m和Nf_r+f_e的幅度，分别记录为A(f_m)和A(Nf_r+f_e)；

S3：利用控制与数据处理模块(7)计算得到待测光电探测器(4)在第N段内频率f_m相对于频率Nf_r+f_e的光电响应：

S4：利用控制与数据处理模块(7)设置幅度调制微波信号源(6)的中心频率为f’＝f_r/4-Δf，其中Δf一般小于1MHz，固定幅度调制微波信号源(6)的幅度调制频率f_e，使得nf_r+2f’-f_e≈(n+1)f_r-2f’+f_e，利用频谱分析模块(5)测量频率为Nf_r+f_e、f_e、nf_r+2f’-f_e和(n+1)f_r-2f’+f_e的幅度，分别记录为A(Nf_r+f_e)、A(f_e)、A(nf_r+2f’-f_e)和A[(n+1)f_r-2f’+f_e]，其中n＝0,1,2,…,N-1；

S5：利用控制与数据处理模块(7)计算得到待测光电探测器(4)在段间频率Nf_r+f_e相对于固定频率f_e的光电响应：

式中，p₀/p_N为光学频率梳(1)引入的不均匀响应，写为：

式中，Π符号为连乘符号，代表n分别从0到N-1取值的各项连乘；

S6：利用控制与数据处理模块(7)计算得到待测光电探测器(4)在频率f_m相对于固定频率f_e的光电响应：

S7：如果f_m＝Nf_r或者f_m＝(N+1)f_r，取R(Nf_r)≈R(Nf_r+f_e)或者R[(N+1)f_r]≈R[(N+1)f_r+f_e]，重复步骤S4和S5，即可得到待测光电探测器(4)在频率f_m相对于固定频率f_e的光电响应；

S8：改变频率f_m，重复步骤S1～S7，就可以得到待测光电探测器(4)在测量频率范围(N+1)f_r内任意频率相对于固定频率f_e的光电响应。

6.根据权利要求5所述的一种光电探测器的光电响应测量方法，其特征在于，幅度调制微波信号源(6)中，幅度调制频率f_e在测量过程中保持不变，一般小于1MHz。

7.根据权利要求5所述的一种光电探测器的光电响应测量方法，其特征在于，幅度调制微波信号源(6)中，中心频率f的范围为0<f≤f_r/2，所以待测光电探测器(4)的测量频率范围(N+1)f_r相对于幅度调制微波信号源(6)的最大中心频率扩展了2(N+1)倍。

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