一种光电探测器频率响应测量的频率配置方法与流程

本发明属于光电子技术领域中的光电子器件特性参数的测量技术，具体涉及一种光电探测器频率响应测量的频率配置方法。

背景技术：

高速光电探测器是光纤通信系统，光信号处理链路以及rof系统中的重要组成器件，光电探测器在光电转换时的频响特性是衡量其工作性能的关键指标，同时也直接影响到光纤通信系统中信号的传输、处理和探测能力。对宽带光电探测器频率响应的准确测量对于优化器件工作参数和系统性能有着重要的作用。

目前，测量光电探测器的方法可分为全光激励法和微波辅助的光激励法。全光激励法具有测量范围宽的优点，主要包括光脉冲法(shaoy,gallawarl.fiberbandwidthmeasurementusingpulsespectrumanalysis[j].appliedoptics,1986,25(7):1069.)，强度噪声法(eichene,schlaferj,rideoutw,j.mccabe.wide-bandwidthreceiverphotodetectorfrequencyresponsemeasurementsusingamplifiedspontaneousemissionfromasemiconductoropticalamplifier[j].journaloflightwavetechnology,1990,8(6):912–916.)和光外差法(hous,tuckerrs,kochtl.high-speedphotodetectorcharacterizationbydelayedself-heterodynemethod[j].electronicsletters,1989,25(24):1632-1634.zhunh,wenjw,sanhs.improvedopticalheterodynemethodsformeasuringfrequencyresponsesofphotodetectors[j].ieeejournalofquantumelectronics,2006,42(3-4):241-248.dennist,halepd.high-accuracyphotoreceiverfrequencyresponsemeasurementsat1.55μmbyuseofaheterodynephase-lockedloop[j].opticsexpress,2011,19(21):20103-14.)。光脉冲法需要使用超短光脉冲光源和一个复杂的过程。强度噪声法的光激励源为自发辐射光源，导致信噪比和动态范围低。光外差法的测量结果受光波长偏移和光功率波动的影响，需要对测量结果进行校准。可见当前全光激励法受限于光源的可调性、稳定性、相干性等固有特性，通常需要额外的校准过程。

微波辅助的光激励法可以使用窄线宽的光源对光电探测器进行测量，主要包括扫频法(blauvelth,thurmondg,parsonsj,lewisd,yenh.fabricationandcharacterizationofgaasschottkybarrierphotodetectorsformicrowavefiberopticlinks[j].appliedphysicsletters,1984,45(3):195-196.)，谐波分析法(humphreysda,harpermr,smithaja,smithim.vectorcalibrationofopticalreferencereceiversusingafrequency-domainmethod[j].ieeetransactionsoninstrumentationandmeasurement,2005,54(2):894-897.)，载波抑制法(inagakik,kawanishit,izutsum.optoelectronicfrequencyresponsemeasurementofphotodiodesbyusinghigh-extinctionratioopticalmodulator[j].ieiceelectronexpress,2012,9(4):220-226.)，二次调制法(yoshiokam,satos,kikuchit.amethodformeasuringthefrequencyresponseofphotodetectormodulesusingtwice-modulatedlight[j].journaloflightwavetechnology,2005,23(6):2112-2117)和移频外差法(zhangsj,wangh,zouxh.opticalfrequency-detunedheterodyneforself-referencedmeasurementofphotodetectors[j].ieeephotonicstechnologyletters,2015,27(9):1014-1017.)。扫频法需要对光发射模块的频率响应进行校准，并且测量范围受微波源和电光转换器件带宽的限制。谐波分析法、载波抑制法和二次调制法都基于二次调制或者非线性调制，测量结果受调制器半波电压漂移的影响。移频外差法采用双音调制信号和移频信号进行拍频，测量所需边带幅值获得光电探测器的频率响应，测量结果不受电光转换器件的频率响应和偏置的影响，但是其测量带宽仍受微波源和电光转换器件带宽的限制。从上述方法可以看出，微波辅助的光激励法的测量范围受限于微波源和电光转换器件，难以实现宽带测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于：上述光电探测器频率响应测试方法中，全光激励法需要额外的校准过程，微波辅助的光激励法的测量范围受限。本发明提供一种光电探测器频率响应测量的频率配置方法，其对应的测量方法可实现分辨率可调的超宽带自校准测量。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种光电探测器频率响应测量的频率配置方法，包括以下步骤：

s1：构建测量结构，包括光频梳产生模块、双驱强度调制模块、信号源1、信号源2、待测光电探测器、频谱分析与数据处理模块，所述光频梳产生模块、双驱强度调制模块、待测光电探测器依次光路连接，所述信号源1和信号源2与双驱强度调制模块的驱动电极相连接，所述待测光电探测器与频谱分析与数据处理模块电连接；

s2：光频梳产生模块输出光频梳信号，信号源1和信号源2输出的正弦微波信号加载到双驱强度调制模块，双驱强度调制模块输出的光信号在待测光电探测器中经光电转换后形成电信号，然后通过频谱分析与数据处理模块进行频谱分析，其中待测光电探测器的测量范围为fspan，测量的分辨率为fstep；

s3：设置光频梳产生模块的重频fb＝(m+1)fstep，其中m为正整数，在频域上将待测光电探测器的测量范围分为0～fb、fb～2fb…nfb～(n+1)fb，其中代表取整运算；

s4：设置信号源1产生的正弦微波信号的频率为f1，信号源2产生的正弦微波信号的频率为f2，频率f1＝δf+xfstep/2，频率f2＝xfstep/2，其中x为1到m的正整数，δf为频率f1和f2的差频f1-f2；

s5：通过频谱分析与数据处理模块记录频率为(k-1)fb+f1+f2、(k-1)fb+f1-f2的电信号的幅度值，分别记为a((k-1)fb+f1+f2)、a((k-1)fb+f1-f2)，其中k为1到n+1的整数，通过两者相比可得待测光电探测器在两个频率(k-1)fb+f1+f2和(k-1)fb+f1-f2的响应度之比；

s6：改变k的取值，重复步骤s5，直到k取完1到n+1的所有的n+1组值；

s7：改变x的取值，重复步骤s4、s5和s6，直到x取完1到m的所有的m组值；

s8：重新设置光频梳产生模块的重频fb’＝(m+2)fstep,设置信号源1产生的正弦微波信号的频率为f1’＝δf+(m+1)fstep/2,设置信号源2产生的正弦微波信号的频率为f2’＝(m+1)fstep/2；

s9：通过频谱分析与数据处理模块记录频率为(k-1)fb’+δf和(k-1)fb’+(m+1)fstep+δf的电信号的幅度值，分别记为a’((k-1)fb’+δf)、a’((k-1)fb’+(m+1)fstep+δf)，通过两者相比可得待测光电探测器在两个频率(k-1)fb’+δf和(k-1)fb’+(m+1)fstep+δf的响应度之比；

s10：改变k的取值，重复步骤s9，直到k取完1到n的所有的n组值；

s11：利用步骤s10得到的频率(k-1)fb’+δf和(k-1)fb’+(m+1)fstep+δf的响应度之比对(k-1)fb～kfb范围的第k个频点和kfb～(k+1)fb范围的第k个频点进行拼接；

s12：获得的n+1段，每段m+1个频点，一共(n+1)×(m+1)个数据即为被测光电探测器在0～(n+1)fb范围内的频率响应。

一种光电探测器频率响应测量的频率配置方法，其特征在于步骤s3中将光频梳产生模块的重频设置为fstep的整数倍，使(k-1)fb～kfb范围的最后一个频点与kfb～(k+1)fb范围的第1个频点的间距为fstep。

一种光电探测器频率响应测量的频率配置方法，其特征在于步骤s4中频率f1的扫频范围为δf+fstep/2～δf+mfstep，频率f2的扫频范围为fstep/2～mfstep/2。

一种光电探测器频率响应测量的频率配置方法，其特征在于步骤s8中重新设置了光频梳产生模块(1)的重频和信号源1(5)与信号源2(6)的频率，使频率配置满足如下条件。

本发明的有益效果是：

(1)本发明对光频梳产生模块的重频和信号源1与信号源2的频率进行配置，对待测光电探测器进行分段测量与段间拼接，实现了分辨率可调的超宽带测量；

(2)本发明从电信号的相对强度中获得频率响应，不受电光转换器件的影响，实现光电探测器频率响应的自校准测量。

附图说明

图1为本发明所对应的光电探测器频率响应测量装置的连接结构图；

附图1标记：1-光频梳产生模块，2-双驱强度调制模块，3-待测光电探测器，4-频谱分析与数据处理模块，5-信号源1，6-信号源2。

具体实施方式

下面结合附图和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。

本发明所对应的测量装置包括光频梳产生模块、双驱强度调制模块、信号源1、信号源2、待测光电探测器、频谱分析与数据处理模块，所述光频梳产生模块、双驱强度调制模块、待测光电探测器依次光路连接，所述信号源1和信号源2与双驱强度调制模块的驱动电极相连接，所述待测光电探测器与频谱分析与数据处理模块电连接。

参照图1构造光电探测器频率响应测量装置，一种光电探测器响应度测量装置的频率配置和相应的测试方法如下：

光频梳产生模块输出的光频梳信号进入双驱强度调制模块中，被信号源1和信号源2输出的正弦微波信号所调制，双驱强度调制模块输出的光信号在待测光电探测器中经光电转换后形成电信号，然后通过频谱分析与数据处理模块进行频谱分析，其中测量范围为fspan，测量的分辨率为fstep。

设置光频梳产生模块的重频fb为：

fb＝(m+1)fstep(1)

其中m为自然数。根据光频梳产生模块的重频fb将待测光电探测器在频域上进行分段，各段分别为：0～fb、fb～2fb…nfb～n+1fb,其中

设置信号源1输出频率为f1的正弦微波信号υ1(t)＝v1sin(2πf1t+θ1)，信号源2输出频率为f2正弦微波信号υ2(t)＝v2sin(2πf2t+θ2)。f1和f2的取值分别满足如下条件：

其中，δf为频率f1和f2的差频f1-f2。

双驱强度调制模块输出的光信号为：

其中en为第n条光频信号的幅度值，f0为光频信号的起始频率，θ1，θ2分别为信号源1和信号源2输出正弦微波信号的初始相位，v1，v2和vπ1，vπ2分别为信号源1和信号源2输出正弦微波信号的振幅及对应的半波电压，γ和分别为双驱强度调制模块的分光比和偏置相位。

被调制后的光信号经过待测光电探测器的光电转换后形成电信号的贝塞尔函数的展开式为：

其中，r为待测光电探测器的频率响应值，jp(.),jq(.)分别为第p,q阶的第一类贝塞尔函数。

通过频谱分析与数据处理模块测量到的信号源1和信号源2输出正弦微波信号的频率f1、f2，以及光频梳产生模块的重频fb的线性组合频率的幅度值为：

测量频率为(k-1)fb+f1+f2和(k-1)fb+f1-f2的幅度值，基于(5)式可以得到待测光电探测器的频率响应的比值为：

其中k依次取1,2,3···n+1。频率f1和频率f2按照(2)式的约束条件以fstep/2为步长分别在δf+fstep/2～δf+mfstep/2和fstep/2～mfstep/2范围内进行扫频，并重复上述测量过程，即可得到待测光电探测器在0～fb、fb～2fb···nfb～n+1fb段内的频率响应。

重新设置光频梳产生模块的重频fb’＝(m+2)fstep,设置信号源1产生的正弦微波信号的频率为f1’＝δf+(m+1)fstep/2,设置信号源2产生的正弦微波信号的频率为f2’＝(m+1)fstep/2。

通过频谱分析与数据处理模块测量到信号源1和信号源2输出正弦微波信号的频率f1’、f2’，以及光频梳产生模块的重频fb’的线性组合频率的幅度值为：

测量频率为(k-1)fb’+δf和(k-1)fb’+(m+1)fstep+δf的幅度值，则基于(7)式可以得到待测光电探测器的频率响应的比值：

其中k依次取1,2,3···n。由于频率f1’、f2’与fb’的配置满足如下关系：

因此可用频率(k-1)fb’+δf和(k-1)fb’+(m+1)fstep+δf的响应度之比对(k-1)fb～kfb范围的第k个频点和kfb～(k+1)fb范围的第k个频点进行拼接，从而获得待测光电探测器在测量范围内的频率响应。

实施例

本实施例中待测光电探测器的测量范围为15ghz，测量的分辨率为0.5ghz。光频梳产生模块采用一个频率间隔可调的锁模激光器，双驱强度调制模块采用一个马赫曾德尔电光强度调制器，信号源1和信号源2输出的正弦微波信号连接在双驱强度调制模块的驱动电极上，电光强度调制模块输出的光信号在待测光电探测器中光电转换后形成电信号，利用频谱分析与数据处理模块进行分析与测量。

设置光频梳产生模块的重频fb＝(m+1)fstep＝(10+1)×0.5ghz＝5.5ghz。在频域上将待测光电探测器的测量范围分为0～5.5ghz、5.5ghz～11ghz、11ghz～16.5ghz。令频率f1和频率f2满足如下条件：

设置信号源1输出正弦微波信号的频率f1＝0.26ghz，信号源2输出正弦微波信号的频率f2＝0.25ghz。通过频谱分析与数据处理模块记录频率为(k-1)fb+f1+f2＝(k-1)5.5ghz+0.51ghz与(k-1)fb+f1-f2＝(k-1)5.5ghz+0.01ghz的电信号的幅度分别为a((k-1)5.5ghz+0.51ghz)与a((k-1)5.5ghz+0.01ghz)。根据(6)式可得待测光电探测器在(k-1)5.5ghz+0.51ghz与(k-1)5.5ghz+0.01ghz的响应度之比：

其中k依次取1，2，3。从而得到0.51ghz相对于0.01ghz的频率响应为0.999，6.01ghz相对于5.51ghz的频率响应为0.996，11.51ghz相对于11.01ghz的频率响应为0.993。

设置信号源1输出正弦微波信号的频率f1＝0.51ghz，信号源2输出正弦微波信号的频率f2＝0.5ghz。通过频谱分析与数据处理模块记录频率为(k-1)fb+f1+f2＝(k-1)5.5ghz+1.01ghz与(k-1)fb+f1-f2＝(k-1)5.5ghz+0.01ghz的电信号的幅度分别为a((k-1)5.5ghz+1.01ghz)与a((k-1)5.5ghz+0.01ghz)。根据(6)式可得待测光电探测器在(k-1)5.5ghz+1.01ghz与(k-1)5.5ghz+0.01ghz的响应度之比：

其中k依次取1，2，3。从而得到1.01ghz相对于0.01ghz的频率响应为0.983，6.51ghz相对于5.51ghz的频率响应为0.966，12.01ghz相对于11.01ghz的频率响应为0.936。

设置信号源1输出正弦微波信号的频率f1＝0.76ghz，信号源2输出正弦微波信号的频率f2＝0.75ghz。通过频谱分析与数据处理模块记录频率为(k-1)fb+f1+f2＝(k-1)5.5ghz+1.51ghz与(k-1)fb+f1-f2＝(k-1)5.5ghz+0.01ghz的电信号的幅度分别为a((k-1)5.5ghz+1.51ghz)与a((k-1)5.5ghz+0.01ghz)。根据(6)式可得待测光电探测器在(k-1)5.5ghz+1.51ghz与(k-1)5.5ghz+0.01ghz的响应度之比：

其中k依次取1，2，3。从而得到1.51ghz相对于0.01ghz的频率响应为0.993，7.01ghz相对于5.51ghz的频率响应为0.948，12.51ghz相对于11.01ghz的频率响应为0.904。

设置信号源1输出正弦微波信号的频率f1＝1.01ghz，信号源2输出正弦微波信号的频率f2＝1ghz。通过频谱分析与数据处理模块记录频率为(k-1)fb+f1+f2＝(k-1)5.5ghz+2.01ghz与(k-1)fb+f1-f2＝(k-1)5.5ghz+0.01ghz的电信号的幅度分别为a((k-1)5.5ghz+2.01ghz)与a((k-1)5.5ghz+0.01ghz)。根据(6)式可得待测光电探测器在(k-1)5.5ghz+2.01ghz与(k-1)5.5ghz+0.01ghz的响应度之比：

其中k依次取1，2，3。从而得到2.01ghz相对于0.01ghz的频率响应为0.988，7.51ghz相对于5.51ghz的频率响应为0.929，13.01ghz相对于11.01ghz的频率响应为0.872。

设置信号源1输出正弦微波信号的频率f1＝1.26ghz，信号源2输出正弦微波信号的频率f2＝1.25ghz。通过频谱分析与数据处理模块记录频率为(k-1)fb+f1+f2＝(k-1)5.5ghz+2.51ghz与(k-1)fb+f1-f2＝(k-1)5.5ghz+0.01ghz的电信号的幅度分别为(k-1)5.5ghz+2.51ghz与(k-1)5.5ghz+0.01ghz。根据(6)式可得待测光电探测器在(k-1)5.5ghz+2.51ghz与(k-1)5.5ghz+0.01ghz的响应度之比：

其中k依次取1，2，3。从而得到2.51ghz相对于0.01ghz的频率响应为0.982，8.01ghz相对于5.51ghz的频率响应为0.907，13.51ghz相对于11.01ghz的频率响应为0.839。

设置信号源1输出正弦微波信号的频率f1＝1.51ghz，信号源2输出正弦微波信号的频率f2＝1.5ghz。通过频谱分析与数据处理模块记录频率为(k-1)fb+f1+f2＝(k-1)5.5ghz+3.01ghz与(k-1)fb+f1-f2＝(k-1)5.5ghz+0.01ghz的电信号的幅度分别为a((k-1)5.5ghz+3.01ghz)与a((k-1)5.5ghz+0.01ghz)。根据(6)式可得待测光电探测器在(k-1)5.5ghz+3.01ghz与(k-1)5.5ghz+0.01ghz的响应度之比：

其中k依次取1，2，3。从而得到3.01ghz相对于0.01ghz的频率响应为0.974，8.51ghz相对于5.51ghz的频率响应为0.887，14.01ghz相对于11.01ghz的频率响应为0.807。

设置信号源1输出正弦微波信号的频率f1＝1.76ghz，信号源2输出正弦微波信号的频率f2＝1.75ghz。通过频谱分析与数据处理模块记录频率为(k-1)fb+f1+f2＝(k-1)5.5ghz+3.51ghz与(k-1)fb+f1-f2＝(k-1)5.5ghz+0.01ghz的电信号的幅度分别为a((k-1)5.5ghz+3.51ghz)与a((k-1)5.5ghz+0.01ghz)。根据(6)式可得待测光电探测器在(k-1)5.5ghz+3.51ghz与(k-1)5.5ghz+0.01ghz的响应度之比：

其中k依次取1，2，3。从而得到3.51ghz相对于0.01ghz的频率响应为0.965，9.01ghz相对于5.51ghz的频率响应为0.865，14.51ghz相对于11.01ghz的频率响应为0.774。

设置信号源1输出正弦微波信号的频率f1＝2.01ghz，信号源2输出正弦微波信号的频率f2＝2ghz。通过频谱分析与数据处理模块记录频率为(k-1)fb+f1+f2＝(k-1)5.5ghz+4.01ghz与(k-1)fb+f1-f2＝(k-1)5.5ghz+0.01ghz的电信号的幅度分别为a((k-1)5.5ghz+4.01ghz)与a((k-1)5.5ghz+0.01ghz)。根据(6)式可得待测光电探测器在(k-1)5.5ghz+4.01ghz与(k-1)5.5ghz+0.01ghz的响应度之比：

其中k依次取1，2，3。从而得到4.01ghz相对于0.01ghz的频率响应为0.955，9.51ghz相对于5.51ghz的频率响应为0.842，15.01ghz相对于11.01ghz的频率响应为0.742。

设置信号源1输出正弦微波信号的频率f1＝2.26ghz，信号源2输出正弦微波信号的频率f2＝2.25ghz。通过频谱分析与数据处理模块记录频率为(k-1)fb+f1+f2＝(k-1)5.5ghz+4.51ghz与(k-1)fb+f1-f2＝(k-1)5.5ghz+0.01ghz的电信号的幅度分别为a((k-1)5.5ghz+4.51ghz)与a((k-1)5.5ghz+0.01ghz)。根据(6)式可得待测光电探测器在(k-1)5.5ghz+4.51ghz与(k-1)5.5ghz+0.01ghz的响应度之比：

其中k依次取1，2，3。从而得到4.51ghz相对于0.01ghz的频率响应为0.943，10.01ghz相对于5.51ghz的频率响应为0.817，15.51ghz相对于11.01ghz的频率响应为0.71。

设置信号源1输出正弦微波信号的频率f1＝2.51ghz，信号源2输出正弦微波信号的频率f2＝2.5ghz。通过频谱分析与数据处理模块记录频率为(k-1)fb+f1+f2＝(k-1)5.5ghz+5.01ghz与(k-1)fb+f1-f2＝(k-1)5.5ghz+0.01ghz的电信号的幅度分别为a((k-1)5.5ghz+5.01ghz)与a((k-1)5.5ghz+0.01ghz)。根据(6)式可得待测光电探测器在(k-1)5.5ghz+5.01ghz与(k-1)5.5ghz+0.01ghz的响应度之比：

其中k依次取1，2，3。从而得到5.01ghz相对于0.01ghz的频率响应为0.93，10.51ghz相对于5.51ghz的频率响应为0.795，16.01ghz相对于11.01ghz的频率响应为0.679。

根据以上测量结果，得到待测光电探测器在0～5.5ghz段内、5.5～11ghz段内和11～16.5ghz段内的频率响应分别如下表所示。

重新设置光频梳产生模块的重频fb’＝(m+2)fstep＝(10+2)×0.5ghz＝6ghz，设置信号源1产生的正弦微波信号的频率为f1’＝δf+(m+1)fstep/2＝0.01ghz+(10+1)×0.5ghz/2＝2.76ghz,设置信号源2产生的正弦微波信号的频率为f2’＝(m+1)fstep/2＝(10+1)×0.5ghz/2＝2.75ghz。

通过频谱分析与数据处理模块记录频率为(k-1)fb’+(m+1)fstep+δf＝(k-1)6ghz+5.51ghz与(k-1)fb’+δf＝(k-1)6ghz+0.01ghz的幅度分别为a’((k-1)6ghz+5.51ghz)与a’((k-1)6ghz+0.01ghz)。根据(8)式可得待测光电探测器在(k-1)6ghz+5.51ghz与(k-1)6ghz+0.01ghz的响应度之比：

其中k依次取1，2。从而得到5.51ghz相对于0.01ghz的频率响应为0.916，11.51ghz相对于6.01ghz的频率响应为0.759。

利用频率0.01ghz和5.51ghz的响应度之比对0～5.5ghz范围的第1个频点和5.5～11ghz范围的第1个频点进行拼接，利用频率6.01ghz和11.51ghz的响应度之比对5.5～11ghz范围的第2个频点和11～16.5ghz范围的第2个频点进行拼接，从而获得待测光电探测器在0～16.5ghz范围内的频率响应，其测量结果下表所示。