光电探测器频率响应测试装置及其测试方法
阅读说明：本技术 光电探测器频率响应测试装置及其测试方法 (Photoelectric detector frequency response testing device and testing method thereof ) 是由 孙甲政 许博蕊 袁海庆 文花顺 祝宁华 李明 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种光电探测器频率响应测试方法,包括：波形发生器向可调谐激光器提供方波调谐信号；可调谐激光器接收方波调谐信号,产生波长分别为λ-1和λ-2的激光；波长为λ-1的激光经光耦合器输出频率为f-1的光A；波长为λ-2的激光经可调延时光纤输出频率为f-2的光B；光A与光B的频率差Δf＝f-2-f-1；强度调制器同时接收光A与光B；微波信号源向强度调制器提供调制信号f-m；强度调制器产生频率为f-1±f-m的±1阶边带和频率为f-1+Δf±f-m的±1阶边带；待测光电探测器对频率为f-1+f-m的+1阶边带与频率为f-1+Δf-f-m的-1阶边带拍频；待测光电探测器对频率为f-1-f-m的-1阶边带与频率为f-1+Δf+f-m的+1阶边带拍频；分别记录频率为2f-m+Δf和频率为|Δf-2f-m|的谱线对应的功率,得到待测光电探测器在频率2f-m+Δf和|Δf-2f-m|对应的频率响应。(The invention provides a method for testing frequency response of a photoelectric detector, which comprises the following steps: the waveform generator provides a square wave tuning signal to the tunable laser; the tunable laser receives square wave tuning signals and generates wavelength lambda respectively 1 And λ 2 The laser of (1); wavelength of λ 1 Laser light of f output frequency via optical coupler 1 Light A of (2); wavelength of λ 2 The output frequency of the laser through the adjustable time delay optical fiber is f 2 Light B of (2); the frequency difference Δ f between the light a and the light B is f 2 ‑f 1 (ii) a The intensity modulator receives light A and light B simultaneously; the microwave signal source provides a modulation signal f to the intensity modulator m (ii) a The intensity modulator generates a frequency f 1 ±f m Of order 1 sideband and frequency f 1 +Δf±f m Plus or minus 1 order sidebands; the photoelectric detector to be measured has a frequency f 1 +f m With sideband of order +1 and frequency f 1 +Δf‑f m A-1 order sideband beat frequency of; the photoelectric detector to be measured has a frequency f 1 ‑f m Of order-1 sideband and frequency f 1 +Δf+f m The +1 order sideband beat frequency; recording frequency of 2f respectively m + Δ f and frequency | Δ f-2f m Obtaining the power corresponding to the spectral line of the I to obtain the frequency 2f of the photoelectric detector to be measured m + Δ f and | Δ f-2f m | corresponds to the frequency response.)
技术领域
本公开涉及光电器件频率响应测试
技术领域
，尤其涉及一种光电探测器频率响应测试装置及其测试方法。背景技术
光电探测器是一类将光信号转化为电信号的光电器件，在各类光电系统中发挥着不可替代的作用，尤其是在光通信领域，随着5G技术的普及，光通信不断向着高速率、大容量、低延时的方向发展，这也对光电探测器的性能提出了更高的要求。
带宽作为光电探测器的重要指标，表征了探测器对于高频信号的响应能力，带宽越大其所能传输的信号速率越快。探测器的带宽可以通过测试从直流电(DC)到高频处不同频率下的待测器件的频率响应的方法得到，目前探测器的带宽已经可以达到几十甚至上百GHz，这给器件的频响测试带来了巨大的挑战。探测器带宽频域上的主要测试方法包括：矢量网络分析仪扫频法和激光器光外差法。其中，扫频法由于在链路中引入了调制器，导致探测器频率响应测试结果实际包含了调制器的频率响应测试结果，因此该方法限制了探测器的频率响应测试范围，只有当调制器带宽远大于测试频率范围时才能认为调制器带宽对探测器的频率响应测试结果没有影响；外差法由于需要两个激光器作为光源进行拍频，而环境的变化引起的波长功率变化会引起拍频信号频率和幅度的漂移，导致该方法对两个独立光源的频率匹配和频率稳定性要求很严格。
因此，迫切需要一种突破调制器带宽的限制且对光源稳定性没有苛刻要求的宽范围、高效率光电探测器频率响应测试方案。
发明内容
有鉴于此，为了提供一种宽范围、高效率光电探测器频率响应测试方案，本发明提供一种光电探测器频率响应测试装置及其测试方法。
一种光电探测器频率响应测试方法，该测试方法包括：波形发生器向可调谐激光器周期性提供频率为f且低电平固定为V1和高电平固定为V2的方波调谐信号，其中，周期为2Δt；可调谐激光器接收方波调谐信号，产生波长分别为λ1和λ2的周期性变化的激光；其中，波长为λ1的激光与波长为λ2的激光的切换时间间隔为Δt；波长为λ1的激光由光耦合器的第一输入端口进入光耦合器，由光耦合器的第一输出端口输出频率为f1的光A；波长为λ2的激光由光耦合器的第一输入端口进入光耦合器，经过光耦合器的第二输出端口、可调延时光纤、光耦合器的第二输入端口，由第一输出端口输出频率为f2的光B；其中，光A与光B的频率差为Δf＝f2-f1；可调延时光纤用于将光B按照相对于光A的时延量为Td的时长进行延时处理；强度调制器同时接收频率为f1的光A与频率为f1+Δf的光B；微波信号源与强度调制器的射频输入端口相连接，向强度调制器提供调制信号fm；强度调制器接收调制信号fm，并产生频率为f1±fm的±1阶微波调制边带和频率为f1+Δf±fm的±1阶微波调制边带；待测光电探测器对强度调制器产生的频率为f1+fm的+1阶微波调制边带与频率为f1+Δf-fm的-1阶微波调制边带拍频，得到频率为|Δf-2fm|的谱线；待测光电探测器对强度调制器产生的频率为f1-fm的-1阶微波调制边带与频率为f1+Δf+fm的+1阶微波调制边带拍频，得到频率为2fm+Δf的谱线；利用频谱分析仪分别记录频率为2fm+Δf的谱线对应的功率和频率为|Δf-2fm|的谱线对应的功率，得到待测光电探测器在频率2fm+Δf和|Δf-2fm|对应的频率响应。
在一些实施例中，该测试方法还包括：改变调制信号fm，记录在不同的调制信号fm的调制下，频率为2fm+Δf和|Δf-2fm|的谱线对应的功率，得到待测光电探测器在频率2fm+Δf和|Δf-2fm|对应的频率响应；其中，最大频率为2fm(max)+Δf，fm(max)为fm的最大值。
在一些实施例中，可调谐激光器为包含有相区的三段式或四段式可调谐激光器。
在一些实施例中，可调延时光纤的时延量Td＝(2n+1)×Δt，其中n为大于等于0的整数。
在一些实施例中，当Δf-2fm(max)<0，得到待测光电探测器对直流电的频率响应。
在一些实施例中，待测光电探测器频率响应的频率范围为直流电到2fm(max)+Δf。
在一些实施例中，强度调制器工作在载波抑制双边带调制状态，且调制所得+1阶微波调制边带强度与-1阶微波调制边带强度相等。
在一些实施例中，调制信号fm处于所述强度调制器带宽f3dB平坦范围内，即fm＜f3dB。
在一些实施例中，Δf＜2f3dB。
本发明还提供一种用于实现上述的光电探测器频率响应测试方法的测试装置，用于测试待测光电探测器对频率的响应，包括：驱动电源、可调谐激光器、光耦合器、强度调制器、波形发生器、可调延时光纤、微波信号源、频谱分析仪；其中，可调谐激光器、光耦合器的第一输入端口、光耦合器的第一输出端口、强度调制器、待测光电探测器及频谱分析仪依次连接；驱动电源与可调谐激光器偏置电极相连接，用于向可调谐激光器偏置电极提供偏置电流；波形发生器与可调谐激光器相区调谐电极相连接，用于向可调谐激光器相区调谐电极提供方波调谐信号；可调谐激光器用于接收方波调谐信号，产生波长分别为λ1和波长为λ2的激光，其中波长为λ1的激光与波长为λ2的激光的切换时间间隔为Δt；光耦合器的第一输入端口用于接收波长为λ1的激光，光耦合器的第一输出端口用于输出频率为f1的光A；光耦合器的第一输入端口、光耦合器的第二输出端口、可调延时光纤、光耦合器的第二输入端口、光耦合器的第一输出端口构成一环路，可调延时光纤用于将光B按照相对于光A的时延量为Td的时长进行延时处理；上述环路用于输出频率为f2的光B，其中光A与光B的频率差为Δf＝f2-f1；强度调制器用于同时接收频率为f1的光A与频率为f1+Δf的光B；微波信号源与强度调制器的射频输入端口相连接，用于向强度调制器提供调制信号fm；强度调制器用于接收调制信号fm，并产生频率为f1±fm的±1阶微波调制边带和频率为f1+Δf±fm的±1阶微波调制边带；待测光电探测器用于对强度调制器产生的频率为f1+fm的+1阶微波调制边带与频率为f1+Δf-fm的-1阶微波调制边带拍频，得到频率为|Δf-2fm|的谱线；待测光电探测器用于对强度调制器产生的频率f1-fm的-1阶微波调制边带与频率为f1+Δf+fm的+1阶微波调制边带拍频，得到频率为2fm+Δf的谱线；频谱分析仪用于接收待测光电探测器拍频后的谱线。
本发明通过周期性调制可调谐激光器的相区产生具有周期性波长变化的载波，利用可调延时光纤使两波长在时域上重叠从而产生一种双波长光源，并通过载波抑制双边带调制后边带间的拍频，可以同时获得待测光电探测器在|Δf-2fm|和Δf+2fm两个频率处的频谱响应，提高了测试效率。
本发明通过将强度调制器的调制频率fm设置为处于其带宽范围内平坦的部分，减小了强度调制器频率响应对待测光电探测器频率响应测试结果的影响。
本发明中待测光电探测器的频率响应测试范围为DC～2fm(max)+Δf，拓宽了待测光电探测器的频率响应测试范围。
本发明中由于两个光信号是由同一可调谐激光器得到的，因此外界环境对于两个光信号的扰动一致，拍频所得频率差恒定，提高了系统稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的待测光电探测器频率响应测试方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的可调谐激光器驱动电压与激射波长对应关系示意图；
图3为本发明实施例提供的可调延时光纤的延时结果示意图；
图4为本发明实施例提供的待测光电探测器频率响应测试方法原理示意图；
图5为本发明实施例提供的待测光电探测器频率响应测试装置的结构示意图。
【附图标记说明】
1-驱动电源；2-可调谐激光器；3-光耦合器；4-强度调制器；5-待测光电探测器；6-波形发生器；7-可调延时光纤；8-微波信号源；9-频谱分析仪；①-光耦合器的第一输入端口；②-光耦合器的第二输入端口；③-光耦合器的第一输出端口；④-光耦合器的第二输出端口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种光电探测器的频率响应测试方法，该方法通过周期性调制可调谐激光器的相区产生具有周期性波长变化的载波，利用可调延时光纤使两波长在时域上重叠从而产生一种双波长光源，并通过载波抑制双边带调制后边带间的拍频，突破了强度调制器带宽的限制，将待测光电探测器频率响应的测量范围由fm(max)提升为2fm(max)+Δf，实现了对待测光电探测器频率响应宽范围、高效率的测试。
图1为本发明实施例提供的待测光电探测器频率响应测试方法的流程示意图。
如图1所示，该测试方法包括操作S101～S109。
在操作S101中，波形发生器6向可调谐激光器2周期性提供频率为f且低电平固定为V1和高电平固定为V2的方波调谐信号，其中，周期为2Δt。
根据本发明的实施例，可调谐激光器2为包含有相区的三段式或四段式可调谐激光器，可通过改变相区电流来改变可调谐激光器2的工作波长。
在操作S102中，可调谐激光器2接收方波调谐信号，产生波长分别为λ1和λ2的周期性变化的激光；其中，波长为λ1的激光与波长为λ2的激光的切换时间间隔为Δt，其中：
图2为本发明实施例提供的可调谐激光器驱动电压与激射波长对应关系示意图。
如图2(a)所示，可调谐激光器2相区施加的电信号为任意波形发生器6产生的频率为f且低电平为V1、高电平为V2的方波调谐信号。如图2(b)所示，其中V1信号对应的激射波长为λ1，V2信号对应的激射波长为λ2，两波长间的频率差为Δf，其中：
在操作S103中，波长为λ1的激光由光耦合器3的第一输入端口①进入光耦合器3，由光耦合器3的第一输出端口③输出频率为f1的光A。
根据本发明的实施例，光耦合器3的分光比可以为1:1。
在操作S104中，波长为λ2的激光由光耦合器3的第一输入端口①进入光耦合器3，经过光耦合器3的第二输出端口④、可调延时光纤7、光耦合器3的第二输入端口②，由光耦合器3的第一输出端口③输出频率为f2的光B；其中，光A与光B的频率差为Δf＝f2-f1；可调延时光纤7用于将光B按照相对于光A的时延量为Td的时长进行延时处理。
根据本发明的实施例，可调延时光纤的时延量Td＝(2n+1)×Δt，其中n为大于等于0的整数，例如n可以为0、1、4、7、8。
图3为本发明实施例提供的可调延时光纤的延时结果示意图。
图4为本发明实施例提供的待测光电探测器频率响应测试方法原理示意图。
如图3和图4所示，经可调延时光纤7后从光耦合器3的第一输出端口③输出的频率为f2＝f1+Δf的光B与直接从第一输出端口③输出的频率为f1的光A在时域上完全重叠，形成如图4(a)所示的双波长光载波，可表示为：
其中，E1和E2分别为光λ1和光λ2的幅度。
在操作S105中，强度调制器4同时接收频率为f1的光A与频率为f1+Δf的光B。
在操作S106中，微波信号源8与强度调制器4的射频输入端口相连接，向强度调制器4提供调制信号fm；强度调制器4接收调制信号fm，并产生频率为f1±fm的±1阶微波调制边带和频率为f1+Δf±fm的±1阶微波调制边带。
根据本发明的实施例，强度调制器4工作在载波抑制双边带调制状态，且调制所得+1阶边带与-1阶边带强度相等。
根据本发明的实施例，调节强度调制器4使其工作在最小传输点，将接收到的频率为fm的调制信号以载波抑制双边带调制的方式调制到光载波上,得到如图4(b)所示的调制光，调制光可表示为：
其中，J1(β)为一阶贝塞尔函数，β为调制系数。
根据本发明的实施例，调制信号fm处于所述强度调制器带宽f3dB平坦范围内，即fm＜f3dB。
根据本发明的实施例，强度调制器4的带宽可以为35GHz，可以认为其在0～20GHz范围内频率响应平坦。
在操作S107中，待测光电探测器5对强度调制器4产生的频率为f1+fm的+1阶微波调制边带与频率为f1+Δf-fm的-1阶微波调制边带拍频。
在操作S108中，待测光电探测器5对强度调制器4产生的频率f1-fm的-1阶微波调制边带与频率为f1+Δf+fm的+1阶微波调制边带拍频。
根据本发明的实施例，将调制后的光信号输入到待测光电探测器5中进行拍频可得光电流：
其中R(f)待测光电探测器5在不同频率的频率响应度。为由公式(3)可得
由式(4)、(5)及图4(c)可知，所得调制后的光A的-1阶边带与光B的+1阶边带拍频得到Δf+2fm的频率分量，所得调制后的光A的+1阶边带与光B的-1阶边带拍频得到|Δf-2fm|的频率分量。
在操作S109中，利用频谱分析仪9分别记录频率为2fm+Δf的谱线对应的功率和频率为|Δf-2fm|的谱线对应的功率，得到待测光电探测器在频率2fm+Δf和|Δf-2fm|对应的频率响应。
根据本发明的实施例，分别记录频谱分析仪9上Δf+2fm和|Δf-2fm|处的谱线对应的功率P(Δf+2fm)和P(|Δf-2fm|)。
根据本发明的实施例，该测试方法还包括：改变调制信号fm，记录在不同的调制信号fm的调制下，频率为2fm+Δf和|Δf-2fm|的谱线对应的功率，得到待测光电探测器在频率2fm+Δf和|Δf-2fm|对应的频率响应；其中，最大频率为2fm(max)+Δf，fm(max)为fm的最大值。
根据本发明的实施例，改变fm，重复操作S108和S109，由于存在
其中RL为负载电阻,所以上述两频率在频谱分析仪9上的功率只与探测器5对应的频率响应度有关，故记录不同fm下Δf+2fm和|Δf-2fm|处的功率，即可得到探测器5从DC到Δf+2fm(max)频率范围内的频率响应曲线，其中fm(max)为调制频率所能采用的最大频率。
根据本发明的实施例，当Δf-2fm(max)<0，得到待测光电探测器对直流电的频率响应。
根据本发明的实施例，待测光电探测器频率响应的频率范围为直流电到2fm(max)+Δf。
根据本发明的实施例，Δf＜2f3dB。
本发明还提供一种用于实现上述的光电探测器频率响应测试方法的测试装置，用于测试待测光电探测器5对频率的响应。
图5为本发明实施例提供的待测光电探测器频率响应测试装置的结构示意图。
如图5所示，该测试装置包括：驱动电源1、可调谐激光器2、光耦合器3、强度调制器4、波形发生器6、可调延时光纤7、微波信号源8、频谱分析仪9；其中，可调谐激光器2、光耦合器3的第一输入端口①、光耦合器3的第一输出端口③、强度调制器4、待测光电探测器5及频谱分析仪9依次连接；驱动电源1与可调谐激光器2的偏置电极相连接，用于向可调谐激光器2的偏置电极提供偏置电流；波形发生器6与可调谐激光器2相区调谐电极相连接，用于向可调谐激光器2相区调谐电极提供方波调谐信号；可调谐激光器2用于接收方波调谐信号，产生波长分别为λ1和波长为λ2的激光，其中波长为λ1的激光与波长为λ2的激光的切换时间间隔为Δt；光耦合器3的第一输入端口①用于接收波长为λ1的激光，光耦合器3的第一输出端口③用于输出频率为f1的光A；光耦合器3的第一输入端口①、光耦合器3的第二输出端口④、可调延时光纤7、光耦合器3的第二输入端口②、光耦合器的第一输出端口③构成一环路，可调延时光纤7用于将光B按照相对于光A的时延量为Td的时长进行延时处理；上述环路用于输出频率为f2的光B，其中光A与光B的频率差为Δf＝f2-f1；强度调制器4用于同时接收频率为f1的光A与频率为f1+Δf的光B；微波信号源8与强度调制器4的射频输入端口相连接，用于向强度调制器4提供调制信号fm；强度调制器4用于接收调制信号fm，并产生频率为f1±fm的±1阶微波调制边带和频率为f1+Δf±fm的±1阶微波调制边带；待测光电探测器5用于对强度调制器4产生的频率为f1+fm的+1阶微波调制边带与频率为f1+Δf-fm的-1阶微波调制边带拍频；待测光电探测器5用于对强度调制器4产生的频率为f1-fm的-1阶微波调制边带与频率为f1+Δf+fm的+1阶微波调制边带拍频；频谱分析仪9接收待测光电探测器5拍频后的谱线。
本发明的实施例通过周期性调制可调谐激光器的相区产生具有周期性波长变化的载波，利用可调延时光纤使两波长在时域上重叠从而产生一种双波长光源，并通过载波抑制双边带调制后边带间的拍频，可以同时获得待测光电探测器在|Δf-2fm|和Δf+2fm两个频率处的频谱响应，提高了测试效率。
本发明的实施例通过将强度调制器的调制频率fm设置为处于其带宽范围内平坦的部分，减小了强度调制器频率响应对待测光电探测器频率响应测试结果的影响。
本发明的实施例中待测光电探测器的频率响应测试范围为DC～2fm(max)+Δf，拓宽了待测光电探测器的频率响应测试范围。
本发明的实施例中由于两个光信号是由同一可调谐激光器得到的，因此外界环境对于两个光信号的扰动一致，拍频所得频率差恒定，提高了系统稳定性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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