CN120028598B - 一种光电探测器光电响应测量方法 - Google Patents

一种光电探测器光电响应测量方法

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Abstract

一种光电探测器光电响应测量方法，属于光电子技术领域，旨在提供一种用于测量光电探测器频率响应的宽带、低成本方法。本发明中，激光器输出的光信号在电光强度调制器中分别被第一信号源和第二信号源输出信号调制；利用控制及数据处理模块控制第一信号源输出信号的频率固定，改变第二信号源输出信号频率，将调制光信号输入到待测光电探测器中，利用信号分析模块分析待测光电探测器输出的频率分量，提取并消除电光强度调制器的频率响应，最终实现了待测光电探测器光电响应的测量。

Description

一种光电探测器光电响应测量方法
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方法。
背景技术
光电探测器作为最常用的光-电转换器件，广泛用于光通信链路、数据中心、微波光子信号处理等领域。光电频率响应的测量对宽带光电探测器性能的表征非常重要，准确测量光电探测器的光电响应，也将有助于评估和优化光电子系统传输和处理信号的能力。
目前光电探测器光电响应的测量方法主要有两类，分别是全光激励法和电光激励法。全光激励法主要有光波长拍频法和强度噪声法。光波长拍频法采用两个连续波激光器通过光电探测器相互拍频，改变两个或其中一个激光器的波长，可以实现光电探测器频率响应宽频率范围的测量，但该方法的频率分辨率受限于激光器的波长调节精度，且对激光器的功率稳定性要求较高。强度噪声法利用了放大自发辐射光源输出的宽光谱信号来测量光电探测器的频率响应，具有宽频率范围的特点，但该方法测量精度很低，动态范围较差。电光激励法采用电光调制的方式产生高相干性的光边带，具有高频率分辨率和大动态范围的热点。电光激励法主要有电光扫频法，双音扫频法和光采样法。电光扫频法将频响已知的调制激光器或电光强度调制器与待测光电探测器级联，从测量的级联网络电-电响应中扣除电-光响应即可得到待测光电探测器的光-电响应，电光扫频法需要频响已知且具有相同带宽的电-光器件，不利于宽带光电探测器的测量。双音扫频法采用两个具有固定频率间隔的微波扫频源进行双音调制，测量光电探测器输出的和频和差频信号获得光电探测器的频率响应。
发明内容
本发明针对现有光电探测器测量方法的不足，提供了一种光电探测器光电响应测量方法，具有低成本、宽测量频率范围、高分辨率的特点。
一种光电探测器光电响应测量方法，其特征在于，包括以下步骤和原理：
步骤1：搭建光电探测器光电响应测量装置，包括激光器、电光强度调制器、待测光电探测器、信号分析模块、第一信号源、第二信号源和控制及数据处理模块，所述激光器、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信号分析模块电连接，所述第一信号源和第二信号源分别与电光强度调制器电连接，所述控制及数据处理模块与第一信号源、第二信号源和信号分析模块依次数据连接；
步骤2：确定测量待测光电探测器光电响应的频率fM，设置第一信号源信号频率fLO和第二信号源信号频率fIF，其中，频率fM、频率fLO和频率fIF满足关系为：fM＝kfLO±fIF，k仅为偶数或仅为奇数；频率fLO测试过程中保持不变，fLO一般约等于电光强度调制器的3dB带宽截止频率，然后计算频率fM除以频率fLO的商，记为N，当N的奇偶性与所配置的k的奇偶性一致时，取k＝N，由此可计算出第二信号源信号频率fIF＝fM–kfLO；当N的奇偶性与所配置的k的奇偶性不一致时，取k＝N+1，可计算出第二信号源信号频率fIF＝kfLO–fM；
步骤3：激光器输出的光信号通过电光强度调制器，分别被第一信号源和第二信号源调制，调制光信号经待测光电探测器光电转换后，输出的光电流信号由信号分析模块采集并接收；步骤4：根据所配置的k的奇偶性设置电光强度调制器的偏置状态，当配置k仅为偶数时，设置电光强度调制器工作在线性传输点；当配置k仅为奇数时，设置电光强度调制器工作在最大或最小传输点；
步骤5：根据所配置的k的奇偶性设置信号分析模块的接收频率，并测量相应频率下的光电流信号幅度；设置信号分析模块的接收频率分别为fM和(1+s)fLO，并测量相应频率下的电信号幅度为i(fM；fIF)和i[(1+s)fLO；fIF]，其中，s＝0，1，分别对应k仅为偶数和仅为奇数的情况；步骤6：改变第二信号源信号频率为fR，fR满足fR≈fLO，同样，根据所配置的k的奇偶性设置信号分析模块的接收频率；依次设置信号分析模块的接收频率为(2+s)fLO–fR、s·fLO+fR、(2+s)fR–fLO以及(1+s)fLO，测量相应频率的电信号幅度为i[(2+s)fLO–fR；fR]、i(s·fLO+fR；fR)、i[(2+s)fR–fLO；fR]以及i[(1+s)fLO；fR]；
步骤7：利用步骤5测得的电信号幅度i[(1+s)fLO；fIF]以及步骤6测得的电信号幅度i[(2+s)fLO–fR；fR]、i(s·fLO+fR；fR)、i[(2+s)fR–fLO；fR]和i[(1+s)fLO；fR]，计算出电光强度调制器被第一信号源驱动的调制系数m1(fLO)以及被第二信号源驱动的调制系数m2(fR)和m2(fIF)，对于k仅为偶数的情况，s＝0，计算公式为：
对于k仅为奇数的情况，s＝1，计算公式为：
其中，Jn(m)为第一类n阶贝塞尔函数；
步骤8：利用步骤7计算得到的电光强度调制器的调制系数m1(fLO)和m2(fIF)，以及步骤4测得的电信号幅度i(fM；fIF)，根据以下公式可以计算得到待测光电探测器频率在频率fM下的光电响应为：
步骤9：改变测试频率fM，重复步骤2计算出相应的频率fIF，重复步骤3、步骤4和步骤5测量得到电信号幅度i(fM；fIF)和i[(1+s)fLO；fIF]，重复步骤7计算出电光强度调制器的调制系数m2(fIF)，再重复步骤8计算得到待测光电探测器在该频率fM下的光电响应R(fM)，由此可以计算得到不同频率fM下待测光电探测器的光电响应。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、本发明只采用一个电光强度调制器进行调制，具有结构紧凑的特点；
二、本发明采用一个固定频率的微波信号源和一个频率可变的微波信号源进行调制，极大地降低了测试系统的成本，同时保持了待测光电探测器光电响应的测试频率点灵活可调的特点。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。
图2为本发明所述的参数k仅为偶数时的测试效果图。
图3为本发明所述的参数k仅为奇数时的测试效果图。
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，激光器输出的光信号分别被第一信号源和第二信号源调制，调制光信号经光电探测器检测后输出光电流信号；控制及数据处理模块分别控制第一信号源频率始终为fLO，第二信号源频率分别为fIF和fR，利用信号分析模块测量光电探测器输出光电流中不同的频率分量，根据测得的频率分量幅度信息可计算出光电探测器的光电响应；通过控制及数据处理模块改变第二信号源频率fIF，重复以上步骤可实现光电探测器光电响应不同频点处的测试。
为了更好地解释本技术发明方案，下面以对本发明的原理和方法进行简要介绍：
马赫-曾德尔调制器输出的光信号经待测光电探测器检测后，输出的光电流表达式为：
式中，R是待测光电探测器的响应度，I0是光载波信号的强度，γ为马赫-曾德尔调制器的分光比，为马赫-曾德尔调制器的偏置相位，m1(fLO)是第一信号源输出信号fLO驱动下马赫-曾德尔调制器的调制系数，m2(fIF)是第二信号源输出信号fIF驱动下马赫-曾德尔调制器的调制系数。
根据公式(1)，令k为非负整数，q＝1，此时可以得到用来提取待测光电探测器频率响应的频率分量幅度为：
由公式(2)，测量待测光电探测器频率响应的频率点为fM＝kfLO±fIF，设置fLO为固定频率，一般约为测试系统中电光强度调制器的3dB带宽截止频率，然后改变参数k和频率fIF来调整测量光电探测器频率响应的频率fM。为了简化公式(2)，本方法对k+1的奇偶性，即k的奇偶性进行配置，使得在测量过程中k仅为偶数或仅为奇数。为了选择合适的参数k和频率fIF，从而匹配频率fM，这里计算频率fM与频率fLO的商，记为N，如果计算出的商N与所配置的k的奇偶性一致，取k＝N，然后根据公式fIF＝fM–kfLO计算出所需的频率fIF；如果计算出的商N与所配置的k的奇偶性不一致，取k＝N+1，再根据公式fIF＝kfLO–fM计算出所需的频率fIF。
对于k仅为偶数或仅为奇数的情况，分别设置马赫-曾德尔调制器的偏置相位或公式(2)中的频率分量幅度可简化为：
i(fM；fIF)＝4I0γJk[m1(fLO)]J1[m2(fIF)]R(fM)。 (3)
控制信号分析模块对频率分量(1+s)fLO进行测量，测得幅度记录为i[(1+s)fLO；fIF]，其中，s＝0，1，分别对应k仅为偶数和仅为奇数的情况。设置第二信号源输出信号频率为fR，利用信号分析模块测得幅度分别记录为i[(2+s)fLO–fR；fR]、i(s·fLO+fR；fR)、i[(2+s)fR–fLO；fR]和i[(1+s)fLO；fR]。因为fR≈fLO，满足R[(2+s)fLO–fR]≈R(s·fLO+fR)≈R[(2+s)fR–fLO]≈R[(1+s)fLO]，可得到马赫-曾德尔调制器的调制系数m1(fLO)、m2(fR)和m2(fIF)的计算公式为：
或者为：
利用信号分析模块测得的频率响应幅度i(fM；fIF)，基于公式(3)以及公式(4)～公式(6)或者公式(7)～公式(9)，扣除电光强度调制器的频率响应Jk[m1(fLO)]和J1[m2(fIF)]，可以得到待测光电探测器的光电响应为：
最终，基于公式(10)，固定第一信号源的输出信号频率fLO，调整频率fM，计算出相应频率fM下的频率fIF，改变第二信号源的输出信号频率fIF，重复上述操作，就可以测得不同频率fM处的待测光电探测器的光电响应。
实施例1
本实施例中，所述的k参数仅为偶数，首先确定待测光电探测器光电响应的测试频率分别为50MHz(fM)和19.96GHz(fM)，采用的电光强度调制器3dB带宽约为10GHz，因此设置第一信号源输出信号频率为10.005GHz(fLO)，将50MHz和19.96GHz分别除以10.005GHz，得到的商分别为0和1，因此设置k值分别为0和2，计算得到第二信号源频率fIF分别为50MHz＝50MHz–0×10.005GHz(fM–0×fLO)、50MHz＝2×10.005GHz–19.96GHz(2fLO–fM)，因此设置第二信号源频率fIF均为50MHz。激光器输出频率为193.1THz的光信号被送入到电光强度调制器中，被第一信号源频率为10.005GHz(fLO)的微波信号和第二信号源频率为50MHz(fIF)的微波信号调制，调制后的光信号被送入待测光电探测器中检测，检测后的光电流被信号分析模块接收。设置电光强度调制器工作在线性传输点，利用信号分析模块测量得到频率分别为50MHz(fM＝fIF)、19.96GHz(fM＝2fLO–fIF)和10.005GHz(fLO)的频率分量幅度信息，记录为i(fIF；fIF)＝-46.75dBm、i(2fLO–fIF；fIF)＝-43.91dBm和i(fLO；fIF)＝-47.83dBm。设置第二信号源频率为10.05GHz(fR)，利用信号分析模块测量得到频率分别为9.96GHz(2fLO–fR)、10.05GHz(fR)、10.095GHz(2fR–fLO)和10.005GHz(fLO)的频率分量幅度信息，记录为i(2fLO–fR；fR)＝-45.15dBm、i(fR；fR)＝-48.87dBm、i(2fR–fLO；fR)＝-64.06dBm和i(fLO；fR)＝-46.34dBm。利用幅度信息i(2fLO–fR；fR)＝-45.15dBm和i(fR；fR)＝-48.87dBm，基于公式(4)计算得到电光强度调制器被第一信号源调制的调制系数m1(10.005GHz)为3.18rad；利用幅度信息i(2fR–fLO；fR)＝-64.06dBm和i(fLO；fR)＝-46.34dBm，基于公式(5)计算得到电光强度调制器被第二信号源调制的调制系数m2(10.05GHz)为0.94rad。再利用幅度信息i(fLO；fIF)＝-47.83dBm和i(fLO；fR)＝-46.34dBm，基于公式(6)计算得到电光强度调制器被第二信号源调制的调制系数m2(50MHz)为1.21rad。将调制系数m1(10.005GHz)＝3.18rad和m2(50MHz)＝1.21rad代入公式(10)，利用幅度信息i(fIF；fIF)＝-46.75dBm和i(2fLO–fIF；fIF)＝-43.91dBm计算得到待测光电探测器在频率分别为50MHz(fM＝fIF)和19.96GHz(fM＝2fLO–fIF)下的光电响应为-30.71dB和-31.61dB，可计算出待测光电探测器在频率19.96GHz相对于50MHz的相对频率响应为-0.90dB。重复上述操作，可以得到待测光电探测器在测量频率范围50MHz～30.06GHz的光电响应，如图2所示。
实施例2
本实施例，所述的k参数仅为奇数，首先确定待测光电探测器光电响应的测试频率分别为50MHz(fM)和19.96GHz(fM)，采用的电光强度调制器3dB带宽约为10GHz，因此设置第一信号源频率为10.005GHz(fLO)，将50MHz和19.96GHz分别除以10.005GHz，得到的商分别为0和1，因此设置k值均为1，计算得到第二信号源频率fIF分别为9.955GHz＝10.005GHz–50MHz(fLO–fM)、9.955GHz＝19.96GHz–10.005GHz(fM–fLO)，因此设置第二信号源频率fIF均为9.955GHz。激光器输出频率为193.1THz的光信号被送入到电光强度调制器中，被第一信号源频率为10.005GHz(fLO)的微波信号和第二信号源频率为9.955GHz(fIF)的微波信号调制，调制后的光信号被送入待测光电探测器中检测，检测后的光电流被信号分析模块接收。设置电光强度调制器工作在最大传输点，利用信号分析模块测量得到频率分别为50MHz(fM＝fLO–fIF)、19.96GHz(fM＝fLO+fIF)和20.01GHz(2fLO)的频率分量的幅度信息，记录为i(fLO–fIF；fIF)＝-48.10dBm、i(fLO+fIF；fIF)＝-49.01dBm和i(2fLO；fIF)＝-38.85dBm。设置第二信号源频率为10.05GHz(fR)，利用信号分析模块测量得到频率分别为19.965GHz(3fLO–fR)、20.145GHz(3fR–fLO)、20.055GHz(fLO+fR)和20.01GHz(2fLO)的频率分量的幅度信息，记录为i(3fLO–fR；fR)＝-47.28dBm、i(3fR–fLO；fR)＝-77.48dBm、i(fLO+fR；fR)＝-49.3dBm和i(2fLO；fR)＝-38.71dBm。利用幅度信息i(3fLO–fR；fR)＝-47.28dBm和i(fLO+fR；fR)＝-49.3dBm，基于公式(7)计算得到电光强度调制器被第一信号源调制的调制系数m1(10.005GHz)为3.18rad；利用幅度信息i(3fR–fLO；fR)＝-77.48dBm和i(fLO+fR；fR)＝-49.3dBm，基于公式(8)计算得到电光强度调制器被第二信号源调制的调制系数m2(10.05GHz)为0.94rad。利用幅度信息i(2fLO；fIF)＝-38.85dBm和i(2fLO；fR)＝-38.71dBm，基于公式(9)计算得到电光强度调制器被第二信号源调制的调制系数m2(9.955GHz)为0.97rad。将调制系数m1(10.005GHz)＝3.18rad和m2(9.955GHz)＝0.97rad代入公式(10)，利用幅度信息i(fLO–fIF；fIF)＝-48.10dBm和i(fLO+fIF；fIF)＝-49.01dBm，计算得到待测光电探测器在频率分别为50MHz(fM＝fLO–fIF)和19.96GHz(fM＝fLO+fIF)下的光电响应为-29.38dB和-30.29dB，可计算出待测光电探测器在频率19.96GHz相对于50MHz的相对频率响应为-0.91dB。重复上述操作，可以得到待测光电探测器在测量频率范围50MHz～30.06GHz的光电响应，如图3所示。

Claims (2)

1.一种光电探测器光电响应测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：搭建光电探测器光电响应测量装置，包括激光器、电光强度调制器、待测光电探测器、信号分析模块、第一信号源、第二信号源和控制及数据处理模块，所述激光器、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信号分析模块电连接，所述第一信号源和第二信号源分别与电光强度调制器电连接，所述控制及数据处理模块与第一信号源、第二信号源和信号分析模块依次数据连接；
步骤2：确定测量待测光电探测器光电响应的频率fM，设置第一信号源信号频率fLO和第二信号源信号频率fIF，其中，频率fM、频率fLO和频率fIF满足关系为：fM＝kfLO±fIF，k仅为偶数或仅为奇数；确定第一信号源频率fLO，然后计算频率fM除以频率fLO的商，记为N，当N的奇偶性与所配置的k的奇偶性一致时，取k＝N，由此可计算出第二信号源信号频率fIF＝fM–kfLO；当N的奇偶性与所配置的k的奇偶性不一致时，取k＝N+1，可计算出第二信号源信号频率fIF＝kfLO–fM；
步骤3：激光器输出的光信号通过电光强度调制器，分别被第一信号源和第二信号源调制，调制光信号经待测光电探测器光电转换后，输出的光电流信号由信号分析模块采集并接收；
步骤4：根据所配置的k的奇偶性设置电光强度调制器的偏置状态，当配置k仅为偶数时，设置电光强度调制器工作在线性传输点；当配置k仅为奇数时，设置电光强度调制器工作在最大或最小传输点；
步骤5：根据所配置的k的奇偶性设置信号分析模块的接收频率，并测量相应频率下的光电流信号幅度；设置信号分析模块的接收频率分别为fM和(1+s)fLO，并测量相应频率下的电信号幅度为i(fM；fIF)和i[(1+s)fLO；fIF]，其中，s＝0，1，分别对应k仅为偶数和仅为奇数的情况；
步骤6：改变第二信号源信号频率为fR，fR满足fR≈fLO，同样，根据所配置的k的奇偶性设置信号分析模块的接收频率；依次设置信号分析模块的接收频率为(2+s)fLO–fR、s·fLO+fR、(2+s)fR–fLO以及(1+s)fLO，测量相应频率的电信号幅度为i[(2+s)fLO–fR；fR]、i(s·fLO+fR；fR)、i[(2+s)fR–fLO；fR]以及i[(1+s)fLO；fR]；
步骤7：利用步骤5测得的电信号幅度i[(1+s)fLO；fIF]以及步骤6测得的电信号幅度i[(2+s)fLO–fR；fR]、i(s·fLO+fR；fR)、i[(2+s)fR–fLO；fR]和i[(1+s)fLO；fR]，计算出电光强度调制器被第一信号源驱动的调制系数m1(fLO)以及被第二信号源驱动的调制系数m2(fR)和m2(fIF)，对于k仅为偶数的情况，s＝0，计算公式为：
对于k仅为奇数的情况，s＝1，计算公式为：
其中，Jn(m)为第一类n阶贝塞尔函数；
步骤8：利用步骤7计算得到的电光强度调制器的调制系数m1(fLO)和m2(fIF)，以及步骤4测得的电信号幅度i(fM；fIF)，根据以下公式可以计算得到待测光电探测器频率在频率fM下的光电响应为：
步骤9：改变测试频率fM，重复步骤2计算出相应的频率fIF，重复步骤3、步骤4和步骤5测量得到电信号幅度i(fM；fIF)和i[(1+s)fLO；fIF]，重复步骤7计算出电光强度调制器的调制系数m2(fIF)，再重复步骤8计算得到待测光电探测器在该频率fM下的光电响应R(fM)，由此可以计算得到不同频率fM下待测光电探测器的光电响应，将不同频率fM下的光电响应R(fM)相对于低频fM进行归一化处理，可得到待测光电探测器的相对频率响应。
2.根据权利要求1所述的一种光电探测器光电响应测量方法，其特征在于，所述步骤2中，第一信号源信号频率fLO在测试过程中保持不变，频率fLO为电光强度调制器的3dB带宽截止频率。
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