CN115420950A - 基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量装置及测量方法 - Google Patents

基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量装置及测量方法 Download PDF

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CN115420950A CN202210902145.5A CN202210902145A CN115420950A CN 115420950 A CN115420950 A CN 115420950A CN 202210902145 A CN202210902145 A CN 202210902145A CN 115420950 A CN115420950 A CN 115420950A
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刘超
朱兴邦
费丰
孙庆旭
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量装置及测量方法，属于测量技术领域，该测量装置包括计算机、可调谐激光器、窄线宽激光器、偏振控制器、保偏耦合器、开关、光波长计、光功率计、10:90分路器、50:50分路器、高速探测器、待测光路探测器、微波功率计、频谱分析仪以及数字多用表。本发明使用光纤光结构代替空间光结构，装置构成更加灵活，对环境依赖性更低；本发明更倾向于市场实际测量需求，可将该技术灵活拓展至光电接收机、电光转换仪器、光转发设备的测试。

Description

基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及一种基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量装置及测量方法。
背景技术
频响是光电探测器响应随调制频率升高而降低的特性，其相对响应下降3dB处对应的频率即为光电探测器带宽。目前，对于光电探测器频响参数测量手段主要有时域脉冲法、调制扫描法、电光采样法、空间光外差法。虽然测量手段多种多样，但在光电探测器绝对频响参数表征方面仍存在以下不足：
接收仪器性能指标不能满足要求；
环境适应性差，灵活性差；
测量信息不全面。
如上所述，目前对光电探测器频响测量方法主要是时域脉冲法、调制扫描法、电光采样法以及空间光外差法。
时域脉冲法基于冲激响应原理实现，将飞秒脉冲激光作为冲激响应注入被测光电探测器，在输出端使用实时示波器对波形进行扫描探测。按照奈奎斯特采样定理，如实现信息全探测，示波器带宽至少应该是被测光电探测器的两倍以上；但是随着被测光电探测器带宽越来越大，目前市面上实时示波器带宽不足以捕获高速光电探测器全部响应信息。而且时域脉冲法受示波器时基准确性、示波器噪声、信号相位噪声等影响较大，时域转换后测量准确性较差。
调制扫描法基于矢网扫频原理，将对电器件S21参数的测量参考面，扩展至电光-光电测量，具体操作原理是：1)电矢网短接执行S21直通校准；2)接入标准电光调制器、光电探测器执行电光-光电S21参数直通校准；3)使用被测光电探测器替换标准光电探测器进行扫频测量，获得被测光电探测器频响曲线。该方案优点是测量速度快、重复性好、仪器集成度高，但是该方案中需使用标准光电探测器的频响数据写入矢网执行参考校准，一是光电探测器的标准数据需要使用额外的方案进行测量，二是依赖标准数据进行传递测量，测量结果不确定度变大。
电光采样法基于电光晶体的电光效应，信号光经过被测光电探测器后变为射频电场，该电场接入电光晶体表面电极，通过改变光学晶体各向折射率变化，影响作用在透过/反射在光学晶体的采样脉冲，进而改变其输出强度变化，输出信号使用同步采样的方式在时间轴上进行拉长恢复，这样透射光强度信息被完美保留。该方案本质上也是一种时域脉冲法，但其使用电光晶体特性突破了实时示波器硬件限制，可满足当前探测器的测量需求。但是该技术方案对晶体设计、电光匹配、阻抗匹配、环境振动性等要求较高，而且同步采样测量周期较长，实用性较差。
空间光外差方案工作原理，最早由美国国家计量科学研究院(NIST)Paul D.Hale等人提出，该方案示意图如图1所示：两个1319nm波段的YAG激光器作为激励源，经起偏器调整为同偏振态的线偏振光，分光镜5与6的作用是将YAG激光器1和2反馈回强度控制环，便于系统对激光器输出功率进行控制，两路同偏振态光束在半透半反镜7处进行干涉形成拍频信号，并分为两路经聚焦透镜后耦合进保偏光纤，一路经光电转换后进入频率计记录拍频精确频率；另一路经10：90分光后，分别进入被测光电探测器和光功率计，光功率计对耦合功率进行监测，微波功率计测量输出信号随频率变化波动。为降低热噪声对激光传输的影响，整套系统需使用温控系统进行温度控制，光束需要进行精细调节。该技术方案的优点是使用空间光传输拍频，相位噪声对激光器拍频信号频谱纯度影响较小，且通过锁相环对腔长变化进行精确调节。该方案可实现最优3kHz的拍频信号频谱宽度，200kHz的调节分辨率，可用于高带宽光电探测器的相对频响和绝对频响测量。但是该方案对环境要求较高，整个装置要置于专业隔振平台上，光学器件摆放在特定位置，只适用于实验室环境。
图1中，1、2是起偏器，3、4是空间光探测器，5、6、7是涂有半透半反膜的分光镜，8是平面反光镜，9、10是聚焦透镜。
现有技术存在的不足如下：
时域脉冲法：硬件条件难以满足需求，只能测量相对频响，误差较大；
调制扫描法：需要标准光电探测器频响数据；
电光采样法：测量周期长，环境适应性差，只能测量相对频响；
空间光外差：光路复杂，环境适应性差。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量装置及测量方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量装置，包括计算机、可调谐激光器、窄线宽激光器、偏振控制器、保偏耦合器、开关、光波长计、光功率计、10:90分路器、50:50分路器、高速探测器、待测光路探测器、微波功率计、频谱分析仪以及数字多用表；
可调谐激光器，被配置为用于扫频激光源；
窄线宽激光器，被配置为用于作为参考光源；
偏振控制器，被配置为用于调节光路偏振态，使两路光偏振态一致；
保偏耦合器，被配置为用于进行混频，形成拍频信号；
光波长计，被配置为用于进行可调谐激光器的波长测量，确定初始波长点；
光功率计，被配置为用于进行光信号功率监测；
高速探测器，被配置为用于进行光电信号转换，便于频谱分析仪信号探测；
微波功率计，被配置为用于进行被测对象不同频率下的响应测量；
频谱分析仪，被配置为用于进行可调谐激光器的初始波长点确定及拍频信号的频谱监测；
数字多用表，被配置为用于进行被测对象直流输出测量；
计算机、可调谐激光器、偏振控制器、保偏耦合器通过线路依次连接；
窄线宽激光器、保偏耦合器、开关通过线路依次连接；
开关能够分别与光波长计和10:90分路器通过线路连接；
光功率计、10:90分路器、50:50分路器、待测光路探测器、微波功率计、计算机通过线路依次连接；
50:50分路器、高速探测器、频谱分析仪、计算机通过线路连接；
微波功率计和数字多用表通过线路连接。
此外，本发明还提到一种基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量方法，该方法采用如上所述的一种基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量装置，具体包括如下步骤：
步骤1：粗调可调谐激光器初始波长；
打开窄线宽激光器，关闭可调谐激光器，开关连接光波长计，记录此时光波长计示值；
打开可调谐激光器，关闭窄线宽激光器，调节可调谐激光器，使波长计示值与窄线宽激光器波长保持一致；
步骤2：测量直流响应度R(0)；
开关连接10比90分路器，打开窄线宽激光器，关闭可调谐激光器，使用光功率计测量激光功率，数字多用表测量待测光电探测器输出电流，计算出被测对象直流响应度；
步骤3：调整偏振态；
同时打开可调谐激光器、窄线宽激光器，开关连接10比90分路器，使用微波功率计监测被测对象的输出功率变化，调整偏振控制器，使显示功率为最大时停止调整；
步骤4：细调可调谐激光器的初始波长；
观测频谱分析仪上拍频信号频谱示值，调节可调谐激光器，使该值趋于0Hz附近；
步骤5：测量光功率示值P1、P2；
分别打开可调谐激光器和窄线宽激光器，记录此时光功率示值，作为P1、P2；
步骤6：测量相对频响
Figure BDA0003771262570000031
根据可调谐激光器的扫描步进值、被测对象的标称带宽执行频响扫描程序，可调谐激光器的波长每变化一次，记录频谱分析仪与微波功率计示值P(f)，根据公式(1)计算出相对频响；
Figure BDA0003771262570000041
式中，R为微波功率计的特征阻抗；
步骤7：计算绝对频响R(f)；
根据公式(2)计算出绝对频响；
Figure BDA0003771262570000042
式中，R(0)为被测光电器件的直流响应度。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明使用光纤光结构代替空间光结构，装置构成更加灵活，对环境依赖性更低；本发明更倾向于市场实际测量需求，可将该技术灵活拓展至光电接收机、电光转换仪器、光转发设备的测试。
附图说明
图1为空间光外差方案示意图；
图2为基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量装置结构图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
本发明提出一种基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量装置，光路传输均在光纤中进行，可取代空间光复杂光路搭建和定位过程；而且该装置使用仪器整机搭建，组装灵活程度高，环境适应性强，可根据需求异地测量。设计思路如图2所示，该装置中包括可调谐激光器(以下简称TLS)、窄线宽激光器、偏振控制器、保偏耦合器、分路器、光波长计、光功率计、高速探测器、频谱分析仪、微波功率计、数字多用表。各仪器功能如下表所示：
表1各仪器功能说明
Figure BDA0003771262570000043
Figure BDA0003771262570000051
实施例2：
在上述实施例1的基础上，本发明还提到一种基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量方法，具体包括如下步骤：
步骤1：粗调可调谐激光器初始波长；
打开窄线宽激光器，关闭可调谐激光器，开关置于①，记录此时光波长计示值；
打开可调谐激光器，关闭窄线宽激光器，调节可调谐激光器，使波长计示值与窄线宽激光器波长保持一致；
步骤2：测量直流响应度R(0)；
开关置于②，打开窄线宽激光器，关闭可调谐激光器，使用光功率计测量激光功率，数字多用表测量待测光电探测器输出电流，计算出被测对象直流响应度；
步骤3：调整偏振态；
同时打开可调谐激光器、窄线宽激光器，开关置于②，使用微波功率计监测被测对象的输出功率变化，调整偏振控制器，使显示功率为最大时停止调整；
步骤4：细调可调谐激光器的初始波长；
观测频谱分析仪上拍频信号频谱示值，调节可调谐激光器，使该值趋于0Hz附近；
步骤5：测量光功率示值P1、P2；
分别打开可调谐激光器和窄线宽激光器，记录此时光功率示值，作为P1、P2；
步骤6：测量相对频响
Figure BDA0003771262570000052
根据可调谐激光器的扫描步进值、被测对象的标称带宽执行频响扫描程序，可调谐激光器的波长每变化一次，记录频谱分析仪与微波功率计示值P(f)，根据公式(1)计算出相对频响；
Figure BDA0003771262570000053
式中，R为微波功率计的特征阻抗；
步骤7：计算绝对频响R(f)；
根据公式(2)计算出绝对频响；
Figure BDA0003771262570000054
式中，R(0)为被测光电器件的直流响应度。
本发明测量装置，光路传输均在光纤中进行，可取代空间光复杂光路搭建和定位过程；而且该装置使用仪器整机搭建，组装灵活程度高，环境适应性强，可根据需求异地测量。本发明使用全光纤的偏振控制结构，可产生不同频率的外差信号；通过对光外差探测数据的计算分析，可实现光电探测器相对频响和绝对频响的测试。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量装置，其特征在于：包括计算机、可调谐激光器、窄线宽激光器、偏振控制器、保偏耦合器、开关、光波长计、光功率计、10:90分路器、50:50分路器、高速探测器、待测光路探测器、微波功率计、频谱分析仪以及数字多用表；
可调谐激光器，被配置为用于扫频激光源；
窄线宽激光器，被配置为用于作为参考光源；
偏振控制器，被配置为用于调节光路偏振态，使两路光偏振态一致；
保偏耦合器，被配置为用于进行混频，形成拍频信号；
光波长计，被配置为用于进行可调谐激光器的波长测量，确定初始波长点；
光功率计，被配置为用于进行光信号功率监测；
高速探测器，被配置为用于进行光电信号转换，便于频谱分析仪信号探测；
微波功率计，被配置为用于进行被测对象不同频率下的响应测量；
频谱分析仪，被配置为用于进行可调谐激光器的初始波长点确定及拍频信号的频谱监测；
数字多用表，被配置为用于进行被测对象直流输出测量；
计算机、可调谐激光器、偏振控制器、保偏耦合器通过线路依次连接；
窄线宽激光器、保偏耦合器、开关通过线路依次连接；
开关能够分别与光波长计和10:90分路器通过线路连接；
光功率计、10:90分路器、50:50分路器、待测光路探测器、微波功率计、计算机通过线路依次连接；
50:50分路器、高速探测器、频谱分析仪、计算机通过线路连接；
微波功率计和数字多用表通过线路连接。
2.基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于光纤外差的光电探测器绝对频响测量装置，具体包括如下步骤：
步骤1：粗调可调谐激光器初始波长；
打开窄线宽激光器，关闭可调谐激光器，开关连接光波长计，记录此时光波长计示值；
打开可调谐激光器，关闭窄线宽激光器，调节可调谐激光器，使波长计示值与窄线宽激光器波长保持一致；
步骤2：测量直流响应度R(0)；
开关连接10比90分路器，打开窄线宽激光器，关闭可调谐激光器，使用光功率计测量激光功率，数字多用表测量待测光电探测器输出电流，计算出被测对象直流响应度；
步骤3：调整偏振态；
同时打开可调谐激光器、窄线宽激光器，开关连接10比90分路器，使用微波功率计监测被测对象的输出功率变化，调整偏振控制器，使显示功率为最大时停止调整；
步骤4：细调可调谐激光器的初始波长；
观测频谱分析仪上拍频信号频谱示值，调节可调谐激光器，使该值趋于0Hz附近；
步骤5：测量光功率示值P1、P2；
分别打开可调谐激光器和窄线宽激光器，记录此时光功率示值，作为P1、P2；
步骤6：测量相对频响
Figure FDA0003771262560000021
根据可调谐激光器的扫描步进值、被测对象的标称带宽执行频响扫描程序，可调谐激光器的波长每变化一次，记录频谱分析仪与微波功率计示值P(f)，根据公式(1)计算出相对频响；
Figure FDA0003771262560000022
式中，R为微波功率计的特征阻抗；
步骤7：计算绝对频响R(f)；
根据公式(2)计算出绝对频响；
Figure FDA0003771262560000023
式中，R(0)为被测光电器件的直流响应度。
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