CN116086630A - 一种低频窄脉宽交流光响应度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低频窄脉宽交流光响应度测试方法，属于光电探测领域，包括以下步骤：S1：在光电探测器中设置低噪声前放电路，作为标准探测器；S2：使用1：1分光比的光分路器将激光器的光信号分为两路；S3：一路光进入标准探测器，将窄脉冲光功率转化为电压信号进行检测；S4：另一路光进入待测光电探测器进行加光测试；S5：通过示波器和计算机采集待测光电探测器与标准探测器的光电信号；S6：当激光器出现瞬时光不稳定的情况时，计算机根据标准探测器反馈到示波器上的信号波动幅度，对待测光电探测器在示波器上的示数进行补偿，实现对探测器类产品的交流响应度的准确测量。

Description

一种低频窄脉宽交流光响应度测试方法

技术领域

本发明属于光电探测领域，涉及一种低频窄脉宽交流光响应度测试方法。

背景技术

光电探测器产品广泛应用于光纤陀螺、激光雷达、引信、激光制导、激光测距、光学传感、光纤通信、物质光学监测仪、物质吸收光谱测试、物质荧光检测、光功率计、光电测试和工业自动控制等军民领域。光电。测器窄脉宽交流响应度一直是评价光电探测器组件性能的重要指标，因为它能够更全面、客观地反映光电探测器组件的响应特性。

在探测器产品的某些实际应用中存在需要高速光电转换的场景，如激光引信、激光制导和激光瞄准等，由于探测距离与目标之间距离很近，需要采样极窄脉冲的光信号，因此窄脉冲交流响应度的准确测量极为重要。为满足用户需求，该参数需得到精确测量。交流响应度为输出电信号幅值和脉冲光功率的比值，脉冲光功率值的准确标定决定了交流响应度的测量精度。由于低频窄脉冲光信号功率值低于10纳瓦，脉冲宽度低于10纳秒，行业内的光功率计由于采样速率不够高，且采样算法多为积分后平滑输出，同时考虑到光源本身存在功率波动，难以满足低频窄脉冲光功率的标定要求，对应用场景要求测量精度优于2％的需求是无法满足的，并且价格非常高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低频窄脉宽交流光响应度测试方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种低频窄脉宽交流光响应度测试方法，包括以下步骤：

S1：在光电探测器中设置低噪声前放电路，作为标准探测器；

S2：使用1：1分光比的光分路器将激光器的光信号分为两路；

S3：一路光进入标准探测器，将窄脉冲光功率转化为电压信号进行检测；

S4：另一路光进入待测光电探测器进行加光测试；

S5：通过示波器和计算机采集待测光电探测器与标准探测器的光电信号；

S6：当激光器出现瞬时光不稳定的情况时，计算机根据标准探测器反馈到示波器上的信号波动幅度，对待测光电探测器在示波器上的示数进行补偿，实现对探测器类产品的交流响应度的准确测量。

进一步，步骤S1中所述在光电探测器中设置低噪声前放电路，具体为：

将光电探测器芯片D1与D2串联，在D1与D2之间并联有用于平衡探测器结构的电阻R₀，对D1施加反向电压u₁，则流过D1的电流i₁由光电流与暗电流组成：

其中U_T为电压当量，I_s为反向饱和暗电流；

光电探测器芯片D₂用于遮光，流过光电探测器芯片D₂的电流i₂仅包括暗电流部分：

由基尔霍夫电流定律，通过电阻R₀的电流为：

i₀＝i₁-i₂   (3)

即：

i₀的第一部分为复合“暗电流”，若要使其抵消为零，需满足的条件为：

V₀＝(V_c+V_e)/2   (5)

R₀为平衡探测器结构的负载，可得：

V₀＝R_iPR₀   (6)

若使用该结构的两个探测器芯片，前置放大电路不串联电阻R₀，两个PD同时施加等大反向的电压，可得到信号电流的表达式为式(7)：

i₀＝R_iP   (7)

探测器的暗电流噪声：

放大器的热噪声：

其中B表示模块使用带宽，K表示玻耳兹曼常数，T表示热力学温度，R_L表示模块的等效输出负载；

在此种条件下产生的噪声电压为：

V_n＝(i_n1A_k+i_n2)R_L   (10)

由于i_n1的减小，最终达到减小输出噪声的目的。

进一步，步骤S6中具体包括以下步骤：

探测器的交流响应度为：

其中Vamp为示波器中读出的因光信号输入探测器产生的交流脉冲电压幅值，Pin为输入探测器的瞬时脉冲光功率。探测器的Re值在正常且不变的工作条件下其值是固定的，因此Vamp与Pin值成比例变化，即：Vamp变化一定比例如增加(或减少)x％，则Pin也会按这个比例同向变化——增加(或减少)x％。因此，若标准探测器的Vamp发生了x％的变化，可以定量推测出光信号Pin值发生了x％的变化，在计算待测探测器的Re值时，将该变化量x％补偿到计算式(11)中，即获得测量时光功率Pin的实时值，从而得到准确的Re值。

本发明的有益效果在于：本发明将难以标定的光功率问题转换为对探测器的光电压信号进行高速和同步采样的方法，化难为易，搭建简单，使用示波器、信号源、光衰减器、电源等常用设备即实现测试系统搭建。通过对标准探测器的电路微调，可以实现多波段，90dB大范围的光功率监测，该检测方案可以应用到长波探测器上，以及激光器光源的光功率稳定输出监控等领域。本发明降低了前放电路噪声，解决了探测器产品由于高速特性而牺牲了放大倍数带来的信噪比不足问题。实现了对探测器类产品的交流响应度的准确测量。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为探测器接入结构图；

图2为交流响应度测量方案原理图；

图3为模块更改前后噪声电压有效值随温度变化；

图4为模块更改后脉冲信号输出。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供一种低频窄脉宽交流光响应度测试方法，首先使用经过特殊结构设计的低噪声前放电路，降低其整体输出背底噪声，解决了探测器产品由于高速特性而牺牲了放大倍数带来的信噪比不足问题。使用该技术状态的探测器组件作为本方案测量的标准探测器。

对光电探测器芯片D₁，对其施加反向电压u₁，流过它的电流i₁由光电流与暗电流组成：

其中U_T为电压当量，常温T＝300K时，U_T≈26mV为常量，I_s为反向饱和暗电流；

考虑到D₂为遮光使用，流过光电探测器芯片D₂的电流i₂仅包括暗电流部分：

由基尔霍夫电流定律，通过电阻R₀的电流：

i₀＝i₁-i₂   (3)

因此，将式(1)(2)带入式(3)，化简后可得：

i₀的第一部分为复合“暗电流”，若要使其抵消为零，需满足的条件为：

V₀＝(V_c+V_e)/2   (5)

R₀为平衡探测器结构的负载，可得：

V₀＝R_iPR₀   (6)

若要使噪声信号最小(V₀＝0)，只有使R₀＝0，V_c＝-V_e。因此，若使用该结构的两个探测器芯片，前置放大电路不串联电阻R₀，两个PD同时施加等大反向的电压，可得到信号电流的表达式为式(7)，达到减小暗电流的目的。

i₀＝R_iP   (7)

光电探测器模块的噪声主要由探测器噪声和放大电路噪声两部分组成，其中探测器噪声主要是暗电流噪声，而放大电路的噪声则主要是热噪声。探测器的暗电流噪声：

放大器的热噪声：

式中：i―流过探测器的暗电流

B―模块使用带宽

K―玻耳兹曼常数(1.38×10^-23J/K)

T―热力学温度

R_L―模块的等效输出负载。

在此种条件下产生的噪声电压为：

V_n＝(i_n1A_k+i_n2)R_L   (10)

由于i_n1的减小，最终达到减小输出噪声的目的。

另一方面，如图2所示，本发明使用1：1分光比光分路器实现光路一分二，一路光进入响应速度快的标准探测器，实现探测器窄脉冲响应光功率反馈，即将这种瞬时的、纳瓦级的窄脉冲光功率转化为电压信号来进行检测；另一路则是对待测器件进行加光测试的测试光路。当激光器出现瞬时光不稳定时，监控探测器的快速响应能力可以监测到该信号波动幅度，由于两路光路变化是实时同步的，此时对待测器件进行测量时会根据变化幅度进行补偿，通过测量软件同步采集光和电信号，从而实现对探测器类产品的交流响应度的准确测量，测量精度优于2％。

使用ROHED&SCHWARZ公司的URV55型交流毫伏表测量模块原始状态(更改前)和对向放置探测器结构(更改后)的噪声电压值，该表测得的噪声电压值为有效值。在高低温箱内以10℃为间隔测量，每个温度点保持10min待噪声电压值稳定后对噪声进行记录，该测试结果见图3。可以看出，不论是否更改模块状态其噪声温度曲线形状符合y＝K x^1/2变化，低温下温度变化噪声增大速率较快，温度较高时噪声增加速率较慢；更改后模块噪声温度曲线与模块更改前的曲线状态明显偏离，同等温度下噪声降低约0.15mV，且该值近乎恒定，这是由于进入前置放大电路输入暗电流大大减小，暗电流对噪声的贡献减少；在全温度范围内，更改后的模块噪声低于更改前约0.15mV，噪声降低约30％。

由于更改的光电探测器模块只有探测器连接方式发生了改变，由于新增的探测器芯片无法接收光信号，无法对光参数产生影响，其输出信号波形如图4所示，未发生变化；如表1所示：除唯一的电参数——噪声外，其余光电参数均没有发生变化。

表1

为评价交流响应度测量参数的精度，用同一只器件进行反复测试。由于激光器在工作时光功率会发生自然波动，表2记录了随激光器光功率的变化使用测试系统测量交流响应度值的情况，每次测量之间间隔5分钟，可以看出测量精度在使用测试系统后优于2％。注：测量精度计算式为(A1-A2)*2/(A1+A2)，A1和A2为相邻的两个测量值。首行和末行由于没有相邻数，因此未做计算。

表2

表2中由于光功率为自然变化，波动变化较小，为进一步验证测试系统测量精度，认为大范围的变化光功率，以1dB为间隔进行变化，最终变化10dB，仍使用同一只器件进行测试并记录测试结果，具体测量结果见表3。可以看到其测量精度优于2％，表明该测试系统在测量光功率变化10倍时仍然满足测试要求。

表3

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施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，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种低频窄脉宽交流光响应度测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在光电探测器中设置低噪声前放电路，作为标准探测器；

S2：使用1：1分光比的光分路器将激光器的光信号分为两路；

S3：一路光进入标准探测器，将窄脉冲光功率转化为电压信号进行检测；

S4：另一路光进入待测光电探测器进行加光测试；

S5：通过示波器和计算机采集待测光电探测器与标准探测器的光电信号；

S6：当激光器出现瞬时光不稳定的情况时，计算机根据标准探测器反馈到示波器上的信号波动幅度，对待测光电探测器在示波器上的示数进行补偿，实现对探测器类产品的交流响应度的准确测量。

2.根据权利要求1所述的低频窄脉宽交流光响应度测试方法，其特征在于：步骤S1中所述在光电探测器中设置低噪声前放电路，具体为：

将光电探测器芯片D1与D2串联，在D1与D2之间并联有用于平衡探测器结构的电阻R₀，对D1施加反向电压u₁，则流过D1的电流i₁由光电流与暗电流组成：

其中U_T为电压当量，I_s为反向饱和暗电流；

光电探测器芯片D₂用于遮光，流过光电探测器芯片D₂的电流i₂仅包括暗电流部分：

由基尔霍夫电流定律，通过电阻R₀的电流为：

i₀＝i₁-i₂                      (3)

即：

i₀的第一部分为复合“暗电流”，若要使其抵消为零，需满足的条件为：

V₀＝(V_c+V_e)/2                 (5)

R₀为平衡探测器结构的负载，可得：

V₀＝R_iPR₀                    (6)

若使用该结构的两个探测器芯片，前置放大电路不串联电阻R₀，两个PD同时施加等大反向的电压，可得到信号电流的表达式为式(7)：

i₀＝R_iP                       (7)

探测器的暗电流噪声：

放大器的热噪声：

其中B表示模块使用带宽，K表示玻耳兹曼常数，T表示热力学温度，R_L表示模块的等效输出负载；

在此种条件下产生的噪声电压为：

V_n(i_n1A_k+i_n2)R_L        (10)

由于i_n1的减小，最终达到减小输出噪声的目的。

3.根据权利要求1所述的低频窄脉宽交流光响应度测试方法，其特征在于：步骤S6中具体包括以下步骤：

探测器的交流响应度为：

其中Vamp为示波器中读出的因光信号输入探测器产生的交流脉冲电压幅值，Pin为输入探测器的瞬时脉冲光功率；

Vamp与Pin值成比例变化，若标准探测器的Vamp发生了x％的变化，可以定量推测出光信号Pin值发生了x％的变化，在计算待测探测器的Re值时，将该变化量x％补偿到计算式(11)中，即获得测量时光功率Pin的实时值，从而得到准确的待测探测器Re值。

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