专利名称：超快电子器件测试系统及方法
技术领域：
本发明特别涉及一种超快电子器件测试系统及方法，用于测量响应时间达到GHz 以上的高速电子器件的响应时间和带宽，属于微电子测量技术领域。
背景技术：
目前测试电子器件响应时间的普遍方法是测试电子器件的带宽，即通过给电子器件输入等幅度的一系列频率的正弦信号，再测量电子器件输出正弦信号的幅度，当输出信号的幅度随着输入频率的提高而降低到低频的0.7倍时，这个频率为电子器件的带宽。然而前述响应时间的测量方法均需采用比器件响应快得多的设备来实现，当电子器件的响应时间达到GHz以上后，就很难寻找到适合测量其带宽及响应时间的设备，这也正是业界亟待解决的一个技术难题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种超快电子器件测试系统及方法，以实现对超快电子器件响应时间和响应频率带宽的同步测量。为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案
一种超快电子器件响应测试方法，其特征在于利用飞秒脉冲延时系统将飞秒脉冲激光器产生的一束飞秒光学短脉冲分成有设定延时的两束飞秒脉冲光，并将其中一束飞秒脉冲光聚集在电脉冲产生模块上，由该电脉冲产生模块转换成短电脉冲对被测超快电子器件进行电流或电场的输入，同时将另一束飞秒脉冲光聚焦到一电脉冲探测模块中的电光晶体上，所述电光晶体与被测超快电子器件的输出电路连接，再利用所述电脉冲探测模块中的光电探测器检测对从所述电光晶体中反射或透射的脉冲光强进行检测，通过改变该两束飞秒脉冲光的延时，实现对超快电子器件的时序测量。一种超快电子器件响应测试系统，其特征在于，它包括 用于提供飞秒光学短脉冲的飞秒脉冲激光器；
用于对飞秒光学短脉冲进行分光和延时处理的飞秒脉冲延时系统； 用于提供产生时间可以控制的电流或电场信号的电脉冲产生模块，所述电流或电场信号被加载到被测超快电子器件的输入端以测试电脉冲；
用于监测被测超快电子器件输出信号的电脉冲探测模块；
以及，用于采集电脉冲探测模块的输出信号，解决测量中的本底扣除和时间频率相互转换的数据采集校正系统。进一步的讲，所述飞秒脉冲延时系统包括
用于将输入的一束飞秒光学短脉冲分成两束飞秒脉冲光的分光镜； 以及内置反射镜的延时线，通过调整所述反射镜的空间位置改变脉冲的光程差，进而实现两束飞秒脉冲光的延时。所述电脉冲产生模块包括光纤耦合系统、无色差光纤、超快光电转换器、对超快光电转换器进行位置操作的控制器以及聚光反射镜；
所述聚光反射镜将飞秒脉冲光聚焦到光纤耦合系统，然后光纤耦合系统将飞秒脉冲光耦合入无色差光纤，无色差光纤中的脉冲光激发附着在无色差光纤头上的超快光电转换器发出电信号，前述控制器用于将超快光电转换器放置于被测超快电子器件的输入端。所述超快光电转换器选自转换时间小于30 ps的超快光电二级管、光导天线、TeZn 晶体、LiNbO3晶体、LiI^aO3晶体、SiI1e晶体、hP晶体和Asfei晶体中的任意一种以上。所述电脉冲探测模块包括分光镜、光纤耦合系统、无色差光纤、耦合在无色差光纤头上的电光晶体、偏振分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器、对光电转换器进行位置操作的控制器以及聚光反射镜；
所述聚光反射镜将飞秒脉冲光聚焦到光纤耦合系统后，由光纤耦合系统将脉冲光耦合入无色差光纤，再由所述电光晶体反射入无色差光纤，并从光纤耦合系统出射，其后通过分光镜反射入偏振分光镜形成两束正交偏振的光，而后分别由第一光电探测器、和第二光电探测器对该两束正交偏振的光的光强变化进行测量；
所述控制器用于将所述电光晶体放置于被测超快电子器件的输出端。所述电光晶体选自SiTe晶体、hP晶体和Asfe1晶体中的任意一种以上。本发明中采用飞秒脉冲激光器产生飞秒光学短脉冲，并输入飞秒脉冲延时系统， 由该飞秒脉冲延时系统中的分光镜分为两束，这两束光的光程差可以由调节延时线中的反光镜对的空间位置来控制，从而实现两束飞秒脉冲光的延时，其中一束脉冲光进入电脉冲产生模块，在该电脉冲产生模块中聚光镜将脉冲光聚焦到光纤耦合系统中，然后用光纤耦合系统将脉冲光耦合到光纤中，激光脉冲激发附着在光纤头上的超快光电转换器发出电信号，该电信号输入被测电子器件中，被测电子器件的输出信号改变电光晶体的瞬间折射率比，从而改变入射的脉冲光的极化方向；而另一束脉冲光则输入电脉冲探测模块中，由聚光镜将该束脉冲光聚焦到光纤耦合系统，再耦合入无色差光纤中，其后由电光晶体中反射回来，再通过光纤耦合系统进入分光镜，而后进入偏振分光镜，被分为不同偏振的两束光， 通过测量这两束光的光强的相对强弱，就可以计算出激光脉冲到达是电光晶体上的电场强度。如此，通过改变前述两束飞秒脉冲光的延迟时间，就可以得到电光晶体上的电场的时序变化。通过分析在有被测电子器件和没有被测电子器件时的两种条时序曲线的区别，就可以获取超快电子器件的时间和频率响应的性质。本发明实现了对超快电子器件的时间和频率响应性质的同步评测，并克服了现有电子学测量中时间分辨率不足的缺陷。
图1是本发明一较佳实施例中超快电子器件响应测试系统的结构示意图； 图中各标记的含义是100-飞秒脉冲激光器、201-分光镜、202-延时线、301-光纤耦合系统光纤、302-无色差光纤、303-超快光电转换器、304-超快光电转换器进行位置操作的控制器、305-光聚光反射镜、401-分光镜、402-光纤耦合系统、403-无色差光纤、404-耦合在光纤头上的电光晶体、405-偏振分光镜、406-光电探测器1、407_光电探测器2、408_光电转换器进行位置操作的控制器、409-聚光反射镜、500-数据采集校正系统。
具体实施例方式以下结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。参阅图1，该超快电子器件响应测试系统系采用模块化设计，其包括飞秒脉冲激光器100、飞秒脉冲延时系统、电脉冲产生模块、电脉冲探测模块以及数据采集校正系统500。其中，飞秒脉冲激光器用于提供飞秒光学短脉冲；
飞秒脉冲延时系统用于提供测量系统的信号发生和探测的时间延迟变化，它包括 201-分光镜、延时线202 ；
电脉冲产生模块用于提供一个产生时间可以控制的测试电脉冲； 电脉冲探测模块可以探测在很短时间内(几飞秒到皮秒)的电信号； 数据采集校正系统500用于采集光电探测器中的输出信号，解决测量中的本底扣除， 时间频率的相互转换。进一步的讲，
前述飞秒脉冲延时系统包括
用于将输入的一束飞秒光学短脉冲分成两束飞秒脉冲光的分光镜201 ； 以及内置反射镜对的延时线202，通过调整所述反射镜对的空间位置可改变脉冲的光程差，进而实现两束飞秒脉冲光的延时。前述电脉冲产生模块包括光纤耦合系统301、无色差光纤302、超快光电转换器 303、对超快光电转换器进行位置操作的控制器304以及聚光反射镜305 ；
聚光反射镜305将飞秒脉冲光聚焦到光纤耦合系统301，然后光纤耦合系统301将飞秒脉冲光耦合入无色差光纤302，无色差光纤302中的脉冲光激发附着在无色差光纤头上的超快光电转换器303发出电信号，控制器304用于将超快光电转换器303放置于被测超快电子器件的输入端。前述超快光电转换器选自转换时间小于30 ps的超快光电二级管、光导天线、TeZn 晶体、LiNbO3晶体、LiI^aO3晶体、SiI1e晶体、hP晶体和Asfei晶体中的任意一种以上。前述电脉冲探测模块包括分光镜401、光纤耦合系统402、无色差光纤403、耦合在无色差光纤头上的电光晶体404、偏振分光镜405、第一光电探测器406、第二光电探测器 407、对光电转换器进行位置操作的控制器408以及聚光反射镜409 ；
聚光反射镜409将飞秒脉冲光聚焦到光纤耦合系统402后，由光纤耦合系统402将脉冲光耦合入无色差光纤403，再由所述电光晶体404反射入无色差光纤403，并从光纤耦合系统402出射，其后通过分光镜401反射入偏振分光镜405形成两束正交偏振的光，而后分别由第一光电探测器406、和第二光电探测器407对该两束正交偏振的光的光强变化进行测量；
所述控制器408用于将所述电光晶体404放置于被测超快电子器件的输出端。前述电光晶体选自SiTe晶体、hP晶体和Asfe晶体中的任意一种以上。本实施例中，由飞秒脉冲激光器产生的飞秒光学短脉冲被输入飞秒脉冲延时系统后，被分光镜201分为两束，这两束光的光程差可以由调节延时线202中的反光镜对的空间位置来控制，实现两束飞秒脉冲光的延时，其中一束脉冲光进入电脉冲产生模块，在该模块中，聚光镜305将脉冲光聚焦到光纤耦合系统301中，然后用光纤耦合系统将脉冲光耦合到无色差光纤302中，激光脉冲激发附着在光纤头上的超快光电转换器303发出电信号，该电信号输入被测电子器件中，电子器件的输出信号改变电光晶体404的瞬间折射率比，从而改变入射的脉冲光的极化方向。在电脉冲探测模块中，由聚光镜409将飞秒激光束聚焦到光纤耦合系统402，耦合入无色差光纤403的飞秒激光脉冲在电光晶体404中反射回来，通过光纤耦合系统后经由分光镜401进入偏振分光镜405，并在偏振分光镜中被分为不同偏振的两束，通过两个光电探测器406和光电探测407分别测量这两束光的光强的相对强弱， 可以计算出激光脉冲到达是电光晶体上的电场强度。通过改变前述两束飞秒脉冲光的延迟时间，就可以得到电光晶体上的电场的时序变化。需要说明的是，本实施例的测试系统中在没有被测器件时，电场变化可能有一定的延长和改变，但可以通过测量没有被测器件时的时序变化曲线来矫正测量结果。通过分析有被测器件和无被测器件两种情况下的时序曲线的区别，就可以获取被测超快电子器件的时间和频率响应的性质。本发明可实现对超快电子器件的时间和频率响应性质的同步评测，并可克服现有电子学测量中时间分辨率不足的缺陷。上述较佳实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的认识能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或者修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种超快电子器件响应测试方法，其特征在于利用飞秒脉冲延时系统将飞秒脉冲激光器产生的一束飞秒光学短脉冲分成有设定延时的两束飞秒脉冲光，并将其中一束飞秒脉冲光聚集在电脉冲产生模块上，由该电脉冲产生模块转换成短电脉冲对被测超快电子器件进行电流或电场的输入，同时将另一束飞秒脉冲光聚焦到一电脉冲探测模块中的电光晶体上，所述电光晶体与被测超快电子器件的输出电路连接，再利用所述电脉冲探测模块中的光电探测器检测对从所述电光晶体中反射或透射的脉冲光强进行检测，通过改变该两束飞秒脉冲光的延时，实现对超快电子器件的时序测量。
2.根据权利要求1所述的超快电子器件响应测试方法，其特征在于所述飞秒脉冲延时系统包括用于将输入的一束飞秒光学短脉冲分成两束飞秒脉冲光的分光镜(201)； 以及内置反射镜对的延时线(202)，通过调整所述反射镜对的空间位置改变脉冲的光程差，进而实现两束飞秒脉冲光的延时。
3.根据权利要求1所述的超快电子器件响应测试方法，其特征在于所述电脉冲产生模块包括光纤耦合系统(301)、无色差光纤(302)、超快光电转换器(303)、对超快光电转换器进行位置操作的控制器(304)以及聚光反射镜(305)；所述聚光反射镜(305)将飞秒脉冲光聚焦到光纤耦合系统(301)，然后光纤耦合系统 (301)将飞秒脉冲光耦合入无色差光纤(302)，无色差光纤(302)中的脉冲光激发附着在无色差光纤头上的超快光电转换器(303)发出电信号，所述控制器(304)用于将超快光电转换器(303)放置于被测超快电子器件的输入端；所述超快光电转换器选自转换时间小于30 ps的超快光电二级管、光导天线、TeZn晶体、LiNbO3晶体、LiTaO3晶体、ZnTe晶体、InP晶体和Asfei晶体中的任意一种以上。
4.根据权利要求1所述的超快电子器件响应测试方法，其特征在于所述电脉冲探测模块包括分光镜(401)、光纤耦合系统(402)、无色差光纤(403)、耦合在无色差光纤头上的电光晶体(404)、偏振分光镜(405)、第一光电探测器(406)、第二光电探测器(407)、对光电转换器进行位置操作的控制器(408)以及聚光反射镜(409)；所述聚光反射镜(409)将飞秒脉冲光聚焦到光纤耦合系统(402)后，由光纤耦合系统(402)将脉冲光耦合入无色差光纤(403)，再由所述电光晶体(404)反射入无色差光纤 (403)，并从光纤耦合系统(402)出射，其后通过分光镜(401)反射入偏振分光镜(405)形成两束正交偏振的光，而后分别由第一光电探测器(406)、和第二光电探测器(407)对该两束正交偏振的光的光强变化进行测量；所述控制器(408)用于将所述电光晶体(404)放置于被测超快电子器件的输出端； 所述电光晶体选自SiTe晶体、InP晶体和Asfe晶体中的任意一种以上。
5.一种超快电子器件响应测试系统，其特征在于，它包括 用于提供飞秒光学短脉冲的飞秒脉冲激光器；用于对飞秒光学短脉冲进行分光和延时处理的飞秒脉冲延时系统； 用于提供产生时间可以控制的电流或电场信号的电脉冲产生模块，所述电流或电场信号被加载到被测超快电子器件的输入端以测试电脉冲；用于监测被测超快电子器件输出信号的电脉冲探测模块；以及，用于采集电脉冲探测模块的输出信号，解决测量中的本底扣除和时间频率相互转换的数据采集校正系统。
6.根据权利要求5所述的超快电子器件响应测试系统，其特征在于所述飞秒脉冲延时系统包括用于将输入的一束飞秒光学短脉冲分成两束飞秒脉冲光的分光镜(201)；以及内置反射镜的延时线(202)，通过调整所述反射镜的空间位置改变脉冲的光程差， 进而实现两束飞秒脉冲光的延时。
7.根据权利要求5所述的超快电子器件响应测试系统，其特征在于所述电脉冲产生模块包括光纤耦合系统(301)、无色差光纤(302)、超快光电转换器(303)、对超快光电转换器进行位置操作的控制器(304)以及聚光反射镜(305)；所述聚光反射镜(305)将飞秒脉冲光聚焦到光纤耦合系统(301)，然后光纤耦合系统 (301)将飞秒脉冲光耦合入无色差光纤(302)，无色差光纤(302)中的脉冲光激发附着在无色差光纤头上的超快光电转换器(303)发出电信号，所述控制器(304)用于将超快光电转换器(303)放置于被测超快电子器件的输入端。
8.根据权利要求7所述的超快电子器件响应测试系统，其特征在于所述超快光电转换器选自转换时间小于30 ps的超快光电二级管、光导天线、TeSi晶体、LiNbOde0体、LiTaO3 晶体、ZnTe晶体、InP晶体和Asfei晶体中的任意一种以上。
9.根据权利要求5所述的超快电子器件响应测试系统，其特征在于所述电脉冲探测模块包括分光镜(401)、光纤耦合系统(402)、无色差光纤(403)、耦合在无色差光纤头上的电光晶体(404)、偏振分光镜(405)、第一光电探测器(406)、第二光电探测器(407)、对光电转换器进行位置操作的控制器(408)以及聚光反射镜(409)；所述聚光反射镜(409)将飞秒脉冲光聚焦到光纤耦合系统(402)后，由光纤耦合系统(402)将脉冲光耦合入无色差光纤(403)，再由所述电光晶体(404)反射入无色差光纤 (403),并从光纤耦合系统(402)出射，其后通过分光镜(401)反射入偏振分光镜(405)形成两束正交偏振的光，而后分别由第一光电探测器(406)、和第二光电探测器(407)对该两束正交偏振的光的光强变化进行测量；所述控制器(408)用于将所述电光晶体(404)放置于被测超快电子器件的输出端。
10.根据权利要求9所述的超快电子器件响应测试系统，其特征在于所述电光晶体选自SiTe晶体、InP晶体和Asfei晶体中的任意一种以上。
全文摘要
本发明公开了一种超快电子器件响应测试系统及方法。该系统包括飞秒脉冲激光器、飞秒脉冲延时系统、电脉冲产生模块、电脉冲探测模块及数据采集校正系统；该方法为利用光学延时系统将光束分成有一定延时的两束飞秒脉冲光。其中一束激光聚集在高速光电二极管，光电二极管的光电效应产生的短电脉冲对高速电子器件进行电流或电场的输入，将另一束飞秒脉冲光聚焦到连接在超快电子器件的输出电路上的微小电光晶体上，利用光电探测器对从微小电光晶体中反射或透射的脉冲光强进行测试。通过改变两束光的延时对超快电子器件进行时序测量。本发明可有效解决超快电子器件的时序响应的测试问题。
文档编号G01R31/00GK102426306SQ20111026930
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月13日 优先权日2011年9月13日
发明者楼柿涛 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所