CN113759234A - 一种光电探测器芯片频率响应测试的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

一种光电探测器芯片频率响应的测试装置与方法，属于光电子技术领域，旨在提供一种光电探测器芯片频率响应测试的方法。本发明利用光学频率梳产生的相干光学梳状谱信号，输入到电光调制器中经微波网络分析模块信号源输出的扫频微波信号调制，调制后的光信号被光耦合到待测光电探测器芯片中进行光电转换，光电转换得到的电信号被微波网络分析模块接收机探测，通过分析探测到的电信号就能得到只包含光电探测器芯片频率响应和微波探针响应的联合响应。随后，进行微波参考面校准、微波功率校准和终端反射系数测试以获得计算微波探针响应所需的各项参数，由此计算得到微波探针的响应。最后，从联合响应中扣减微波探针的响应就可以得到待测光电探测器芯片的频率响应。本方法具备光电探测器裸芯片测试能力，无需进行额外的匹配封装就可以实现光电探测器芯片频率响应测试。

Description

一种光电探测器芯片频率响应测试的装置与方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域中的光电子器件测试技术，具体涉及一种光电探测器芯片频率响应测试的装置与方法。
背景技术
随着大数据时代和5G时代的来临，高速低延时通信、高速实时数据交换和大带宽实时信号处理等方面的应用需求激增，研发高速、大带宽的集成光电子器件的需求也越来越迫切。光电探测器作为光电子器件中最为核心的光-电转换器件，其响应特性对需要光电转换的集成系统的整体性能起主要作用，对其进行测试也具有重要意义。光电探测器芯片在未做封装和阻抗匹配前一般都具有较强的微波反射特性，这会使得探测器与测试接收端之间形成较强的阻抗失配，阻抗失配引起的谐振将导致接收机探测到的光电流信号失真，这给光电探测器芯片的测试带来了困难。
目前，光电探测器频率响应的测试方法主要有两大类：全光激励测试法和电光激励测试法。全光激励测试法一般是利用中心波长可调的连续波激光器实现光外差拍频(S.Kawanishi,et.al,“Wideband frequency-response measurement of opticalreceivers using optical heterodyne detection,”Journal of LightwaveTechnology,1989,7(1):92-98)和利用自发辐射光源实现强度噪声拍频(D.M.Baney,et.al,“High-frequency photodiode characterization using a filtered intensitynoise technique,”IEEE Photonics Technology Letters,1994,6(10):1258-1260)对光电探测器的频率响应进行测试。全光的方法可以实现光电探测器超宽频率范围的测试，但是受制于光源较低的调谐分辨率、光波长漂移和光连续波线宽展宽等因素的影响，全光的方法难以实现较高的测量精度。而电光激励的测试方法一般是基于电光扫频(X.M.Wu,et.al,“Novel method for frequency response measurement of optoelectronicdevices,”IEEE Photonics Technology Letters,2012,24(7):575-577)、移频外差(H.Wang,et.al,“Two-tone intensity-modulated optical stimulus for self-referencing microwave characterization ofhigh-speed photodetectors,”OpticsCommunications,2016,373:110-113)和光学采样(M.K.Wang,et.al,“Self-referencedfrequency response measurement of high-speed photodetectors through segmentalup-conversion based on low-speed photonic sampling,”Optics Express,2019,27(26):38250-38258)等方式进行的，得益于电谱测量高分辨率的特性，其可以实现较高的测试精度。但是上述诸多测试方法主要针对封装好的分立器件，但对于芯片测试场景，由于阻抗失配，这种测试方法误差较大。另外，对于电光激励的测试方法而言，还可以利用微波网络分析技术进行更加精确的电-电校准，这为表征光电子芯片高频特性提供了实现途径。
发明内容
本发明提供了一种可用于光电探测器芯片频率响应测试的装置与方法。其测试装置包括光学频率梳、电光调制器、待测光电探测器芯片、微波探针和微波网络分析模块其包含内建的信号源和接收机。微波校准需要用到的器件还包括同轴标准件、共面标准片和微波功率计。
一种光电探测器芯片的频率响应测试方法，包括以下步骤和原理：
步骤1：测得光学频率梳(1)输出光频梳信号的间隔频率fr，再按间隔频率设置微波网络分析模块(7)的接收机(6)的检测频率范围为fr～nfr，其中n为正整数，代表所检测梳齿的最高阶数，测得光学频率梳(1)经待测光电探测器芯片(3)光电转换的电信号幅度谱V(nfr)；
步骤2：设置微波网络分析模块(7)的信号源(5)输出扫频微波信号fn＝nfr/2±Δf，其中Δf为一个频率很低的微波信号，以保证近似条件fn≈nfr/2成立；再依次设置微波网络分析模块(7)的接收机(6)的接收频率为fn和nfr–fn，测得相应频率的电信号幅度谱V(fn)和V(nfr–fn)；
步骤3：利用步骤1和步骤2测得的电信号幅度谱可以计算出待测光电探测器芯片(3)和微波探针(4)两者的联合响应：
Figure BDA0003242608400000021
步骤4：按步骤1中设置的检测频率范围fr～nfr将微波网络分析模块(7)的信号源(5)和接收机(6)设置在同频模式下工作，进行后续的校准和测试；使用同轴标准件对微波网络分析模块(7)进行微波参考面校准，校准后再将微波功率计与微波网络分析模块(7)的信号源(5)电连接进行微波功率校准，经过微波参考面校准和微波功率校准获得接收机(6)的反射系数(ГRx)和传输路径的损耗(δ)；
步骤5：将微波探针(4)的共面端分别连接三种共面标准片(开路、短路和匹配)和待测光电探测器芯片(3)，并用微波网络分析模块(7)测量微波探针(4)同轴端的反射系数依次记为ГMS，ГMO，ГML和ГMD；
步骤6：根据步骤5测得的反射系数计算微波探针(4)的微波网络参数(α，β和γ)和待测光电探测器芯片(3)共面端的反射系数(Гpd)：
Figure BDA0003242608400000022
β＝ΓML， (2b)
Figure BDA0003242608400000031
Figure BDA0003242608400000032
步骤7：根据步骤4和步骤6计算微波探针(4)的响应A：
Figure BDA0003242608400000033
步骤8：根据步骤3得到的联合响应和步骤7得到的微波探针(4)响应计算光电探测器芯片(3)的频率响应：
Figure BDA0003242608400000034
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明借助光学频率梳的宽谱特性和各谱线高度相干的特性，相对于传统的全光激励测试法在保证大的测试带宽的前提下提高了测试的精度；
2.本发明通过设置半频调制的微波信号，实现了电光自校准测试，测试和计算过程中消除了光学频率梳的不平坦响应和电光调制器的响应，不需要进行额外的电-光转换标准进行校准，简化了校准过程；
3.本发明借助微波参考面校准、微波功率校准和终端反射系数测试，提取并计算出了微波探针的影响，可以实现光电探测器裸芯片的频率响应测试。
附图说明
图1为本发明的一种光电探测器芯片频率响应的测试装置图。
图2为本发明实验测得的待测光电探测器芯片的归一化频率响应图。
其中附图1标记：(1)光学频率梳、(2)电光调制器、(3)待测光电探测器芯片、(4)微波探针、(5)信号源、(6)接收机、(7)微波网络分析模块。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的解释说明，所描述的实施例仅是本发明涉及到的实施方式中的一种，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施方式，都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例中使用锁模光纤激光器作为光学频率梳，其发出的脉冲光具有21.939MHz的重复频率，其光的中心波长约为1559nm、3-dB谱宽度为0.9nm。由此可以设置测试的扫描频率步长为fr＝21.939MHz，设置微波网络分析模块接收机的扫频接收频点为nfr＝21.939MHz～25.01046GHz(n＝1,2,3…,1140)，测得光学频率梳的电信号幅度谱V(nfr)。打开微波网络分析模块的信号源输出满足fn＝nfr/2-0.5MHz(Δf＝0.5MHz)的扫频微波信号，此时微波网络分析模块接收机的接收频点对应设置在fn和nfr-fn，依次测得两组信号的电信号幅度谱V(fn)和V(nfr-fn)，根据公式(1)计算得到联合响应S(nfr)，计算结果如附图二所示。
将微波网络分析模块的信号源和接收机设置在同频模式下工作，设置扫频频点为nfr＝21.939MHz～25.01046GHz(n＝1,2,3…,1140)。通过微波参考面校准获得微波网络分析模块接收机的反射系数(ГRx)，微波参考面校准后将微波功率计连接到微波网络分析模块的信号源进行源功率校准，获得微波网络分析模块接收机的传输路径损耗(δ)。
保持微波网络分析模块的工作模式和扫频频点不变，将微波探针的共面端分别连接到开路、短路、负载共面标准片和待测光电探测器芯片，在微波网络分析模块的同轴端测试得到对应的反射系数(ГMS，ГMO，ГML和ГMD)，根据公式(2a)-(2d)计算微波探针的微波网络参数(α,β和γ)和待测光电探测器芯片共面端的反射系数(Гpd)。由公式(3)就可以得到微波探针的响应A(nfr)，如附图二所示。最后，根据公式(4)从联合响应S(nfr)中扣减微波探针响应A(nfr)就可以得到待测光电探测器芯片的频率响应R(nfr)，其计算结果如附图二所示。附图二给出了联合响应S(nfr)、微波探针响应A(nfr)和待测光电探测器芯片频率响应R(nfr)。从附图二测试结果可以看出，本方案对光电探测器芯片具有较好的测试能力。

Claims (7)

1.一种光电探测器芯片的频率响应测试装置，包括光学频率梳(1)、电光调制器(2)、待测光电探测器芯片(3)、微波探针(4)和微波网络分析模块(7)，其中微波网络分析模块(7)包含信号源(5)和接收机(6)，所述光学频率梳(1)输出端、电光调制器(2)光端口与待测光电探测器芯片(3)光端口依次光连接，所述微波网络分析模块(7)的信号源(5)输出端与电光调制器(2)电端口进行电连接，所述待测光电探测器芯片(3)的电端口与微波探针(4)共面端电连接，微波探针(4)的同轴端与微波网络分析模块(7)的接收机(6)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种光电探测器芯片频率响应的测试装置，其特征在于，光学频率梳(1)为锁模激光器或者相干梳状谱光源，其输出的光学频率梳信号具有固定的间隔频率fr或者为间隔时间为1/fr的脉冲光。
3.根据权利要求1所述的一种光电探测器芯片频率响应的测试装置，其特征在于待测电光探测器芯片(3)一般为共面电极结构，以方便与微波探针(4)连接。
4.根据权利要求1所述的一种光电探测器芯片的频率响应的测试装置，其特征在于微波网络分析模块(7)至少包含一组信号源(5)和接收机(6)。
5.一种光电探测器芯片频率响应的测试方法，包括以下操作步骤：
步骤1：测得光学频率梳(1)输出光频梳信号的间隔频率fr，按间隔频率设置微波网络分析模块(7)的接收机(6)的检测频率范围为fr～nfr，其中n为正整数，代表所检测梳齿的最高阶数，测得光学频率梳(1)经待测光电探测器芯片(3)光电转换的电信号幅度谱V(nfr)；
步骤2：设置微波网络分析模块(7)的信号源(5)输出扫频微波信号fn＝nfr/2±Δf，其中Δf为一个频率很低的微波信号，以保证近似条件fn≈nfr/2成立；再依次设置微波网络分析模块(7)的接收机(6)的接收频率为fn和nfr–fn，测得相应频率的电信号幅度谱V(fn)和V(nfr–fn)；
步骤3：按步骤1中设置的检测频率范围fr～nfr将微波网络分析模块(7)的信号源(5)和接收机(6)设置在同频模式下工作，进行后续的校准和测试；使用同轴标准件对微波网络分析模块(7)进行微波参考面校准，校准后再将微波功率计与微波网络分析模块(7)的信号源(5)电连接进行微波功率校准，经过微波参考面校准和微波功率校准获得接收机(6)的反射系数(ГRx)和传输路径的损耗(δ)；
步骤4：将微波探针(4)的共面端分别连接三种共面标准片(开路、短路和匹配)和待测光电探测器芯片(3)，并用微波网络分析模块(7)测量微波探针(4)同轴端的反射系数依次记为ГMS，ГMO，ГML和ГMD；
步骤5：根据步骤4测得的反射系数计算微波探针(4)的微波网络参数(α，β和γ)和待测光电探测器芯片共面端的反射系数(Гpd)：
Figure FDA0003242608390000021
β＝ΓML，
Figure FDA0003242608390000022
Figure FDA0003242608390000023
步骤6：根据步骤1、步骤2测得的电信号幅度谱和步骤5计算出的微波网络参数(α，β和γ)和反射系数(Гpd)计算待测光电探测器芯片的频率响应：
Figure FDA0003242608390000024
6.根据权利要求4所述的一种光电探测器芯片频率响应的测试方法，其特征在于所述微波信号源(8)输出的扫频微波信号的频率约为nfr/2，即为接近光学频率梳梳齿频率(nfr)的一半。
7.根据权利要求4所述的一种光电探测器芯片频率响应的测试方法，其特征在于可以根据步骤1和步骤2获得的电信号幅度谱计算包含待测光电探测器芯片(3)和微波探针(4)(不含电光调制器响应)两者的联合响应：
Figure FDA0003242608390000025
也可以通过步骤3、步骤4和步骤5获得的参数计算出微波探针(4)的响应：
Figure FDA0003242608390000026
从联合响应S(nfr)中扣除微波探针(4)的响应A(nfr)就能得到光电探测器芯片(3)的频率响应R(nfr)；对于某些测试场景而言，可能只需要联合响应或者对微波探针(4)的响应进行测试就能满足测试需求，上述单独测试和计算S(nfr)和A(nfr)的方法作为创新方法也应被保护。
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