基于聲光調(diào)制技術(shù)的光電探測器響應(yīng)帶寬測量方法

楊帆，王心亮，阮軍，張首剛

(1.中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院 時間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

光電探測技術(shù)是光信息科學(xué)的主要技術(shù)手段之一，它廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科研、軍事技術(shù)和日常生活的各個領(lǐng)域[1]。光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換成方便測量的電信號，繼而實(shí)現(xiàn)對被測信號的監(jiān)測與處理。響應(yīng)帶寬是描述光電探測器頻率響應(yīng)特性[2]的最主要參數(shù)之一。

目前對光電探測器帶寬的測量方法主要是基于光纖光路的光外差法[3]，該方法利用兩束激光進(jìn)行拍頻，光電探測器探測兩束光的差頻分量。固定一束激光的頻率，對另一束激光的頻率進(jìn)行掃描，得到被測光電探測器的頻率響應(yīng)曲線，通過計(jì)算獲得光電探測器的響應(yīng)帶寬。在銫原子噴泉鐘實(shí)驗(yàn)中，探測熒光信號的探測器往往增益較大，響應(yīng)帶寬在百赫茲量級，有的只有十幾赫茲，受激光線寬的限制，光外差法不易實(shí)現(xiàn)對探測器響應(yīng)帶寬的測量。

本文通過聲光調(diào)制方式對激光信號進(jìn)行功率調(diào)制，應(yīng)用光電探測器對調(diào)制激光信號進(jìn)行探測，而后對探測波形進(jìn)行傅里葉頻譜分析[4]，可以得到光電探測器的響應(yīng)帶寬。該方法測量原理及實(shí)驗(yàn)過程較為簡單，對于10 kHz以下低響應(yīng)頻率光電探測器，能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)響應(yīng)帶寬的測量。

1 理論研究

響應(yīng)帶寬是指光電探測器可探測的頻率范圍，帶寬越寬，表明光電探測器對各種頻率調(diào)制光信號的響應(yīng)能力就越強(qiáng)。為了更好地表示光電探測器對頻率的動態(tài)響應(yīng)能力[5]，通常可在時域或頻域中對其進(jìn)行分析[6-7]，而頻域分析方法在檢測領(lǐng)域中更有優(yōu)勢，可以更加容易地獲得光電探測器的響應(yīng)帶寬。

光電探測器的響應(yīng)帶寬一般用-3 dB帶寬來表示[3]，是指功率降為最大值一半時對應(yīng)的頻帶寬度。研究光電探測器響應(yīng)帶寬，即是了解探測器對各種頻率信號的響應(yīng)程度。實(shí)際應(yīng)用中，光電探測器對探測信號的響應(yīng)大多表現(xiàn)在對高頻信號響應(yīng)的衰減上，因此大多數(shù)光電探測器通過計(jì)算或測量其上限截止頻率[8]即可獲得其響應(yīng)帶寬。在光電探測器電路中，光電二極管的PN結(jié)間會形成結(jié)電容，該電容及探測電路其他電容會與取樣電阻形成一個回路，電容與取樣電阻的大小，會共同決定光電探測器的響應(yīng)帶寬[9]:

(1)

式(1)中，R為取樣電阻阻值，C為光電二極管結(jié)電容和電阻R的分布電容以及導(dǎo)線分布電容之和[10]。

在實(shí)際應(yīng)用中，對于多數(shù)光電探測器，例如購買的光電探測器，其電路為一成品電路，電路中電容、電阻等參數(shù)無法精確獲知，因此無法進(jìn)行理論計(jì)算。就這些情況而言，用實(shí)驗(yàn)的方法來測量光電探測器響應(yīng)帶寬是一種既準(zhǔn)確又實(shí)用的技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)中對光電探測器響應(yīng)帶寬的測量基于聲光調(diào)制技術(shù)，運(yùn)用到的關(guān)鍵器件即為聲光調(diào)制器(acousto-optic modulator，AOM)，其工作原理基于聲光效應(yīng)[11]。利用聲光調(diào)制技術(shù)對光電探測器響應(yīng)帶寬進(jìn)行測量，需要將控制信號以振幅調(diào)制方式加載到射頻載波上，調(diào)幅信號經(jīng)電-聲換能器將電功率轉(zhuǎn)換為聲功率在聲光介質(zhì)中產(chǎn)生超聲波，入射光波與介質(zhì)內(nèi)超聲波經(jīng)聲光互作用后發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射光光強(qiáng)受到超聲驅(qū)動功率調(diào)制，從而使得衍射效率在一定范圍內(nèi)受到射頻驅(qū)動信號電功率的線性調(diào)制[12]，其衍射效率為[13]

(2)

式(2)中，Io為入射光強(qiáng)，Id為衍射光強(qiáng),L為聲束寬度，M為材料的品質(zhì)因數(shù)，Is為理想情況下所需要的聲強(qiáng)度。

激光通過聲光調(diào)制器會發(fā)生光束偏轉(zhuǎn)。衍射角與聲頻在一定范圍內(nèi)存在比例關(guān)系，可以通過改變聲頻來改變衍射角，促使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)聲波頻率為Ω時，衍射光與入射光之間的夾角為[13]

(3)

式(3)中，λ為光波長，n為介質(zhì)折射率，V為聲速。

各高級衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和±1級衍射光。利用光闌可以將0級與其中一級衍射光遮擋，得到另一級按驅(qū)動信號頻率變化的調(diào)制光，并被探測器探測。實(shí)驗(yàn)過程中通過對聲光調(diào)制器射頻驅(qū)動信號功率和頻率等的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)對激光束的強(qiáng)度調(diào)制和角度偏轉(zhuǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)研究中所用光電探測器是基于銫原子噴泉鐘工作系統(tǒng)研制的光電探測器，它主要由光電二極管與前后兩級放大電路組成，該光電探測器可以通過改變前級放大電路中采樣電阻阻值，進(jìn)而改變整個光電探測器的增益、帶寬等參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)中分別對不同采樣電阻下光電探測器的響應(yīng)帶寬進(jìn)行了測量。本文以采樣電阻阻值R=10 MΩ與R=20 MΩ情況下的探測器為例，進(jìn)行光電探測器響應(yīng)帶寬的測量與分析。

實(shí)驗(yàn)光路原理如圖1所示。基于銫原子噴泉鐘光學(xué)系統(tǒng)，采用TOPTICA激光器，產(chǎn)生波長為852 nm的激光。激光通過光纖注入到準(zhǔn)直器，而后經(jīng)衰減片將光功率進(jìn)行一定比例的衰減，再經(jīng)兩個耦合鏡對激光束進(jìn)行調(diào)節(jié)，使激光束通過聲光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后只讓其中一級衍射光通過光闌，最后被光電探測器探測，其他級衍射光均被光闌遮擋。為減小外部環(huán)境對測量過程的影響，整個實(shí)驗(yàn)過程在遮光環(huán)境中進(jìn)行。

圖1 實(shí)驗(yàn)光路原理圖

實(shí)驗(yàn)中用到3個信號源，信號源1輸出10～500 Hz的掃頻信號，信號源2產(chǎn)生1 Hz的方波信號，信號源3輸出80 MHz的正弦波信號。由于測量光電探測器響應(yīng)帶寬需要用到一個寬帶信號源，實(shí)驗(yàn)中用信號源輸出掃頻信號來滿足該實(shí)驗(yàn)需求，但現(xiàn)有信號源輸出掃頻信號的下限為10 Hz，故用該信號源1輸出10～500 Hz掃頻信號對激光進(jìn)行調(diào)制；信號源2用來產(chǎn)生方波信號，用該信號作為信號源1掃頻信號的觸發(fā)信號；信號源3產(chǎn)生的正弦波信號作為掃頻信號的載波信號，同時驅(qū)動聲光調(diào)制器穩(wěn)定工作。

光電探測器探測的是激光光強(qiáng)的變化，但信號源提供的是信號頻率的變化。因此光路設(shè)計(jì)中引入衰減器，按頻率變化的掃頻信號經(jīng)衰減器后變?yōu)榘捶茸兓碾妷盒盘?，并加載到80 MHz載波信號上，作為聲光調(diào)制器的射頻驅(qū)動信號。射頻驅(qū)動信號作用于聲光調(diào)制器，可以相應(yīng)地控制其衍射光的輸出功率，使衍射光成為可傳輸信息的強(qiáng)度調(diào)制波[12]。最后，將聲光調(diào)制器的-1級衍射光束作為輸出信號，即光電探測器的探測光信號。在該實(shí)驗(yàn)中，激光器功率波動小于3%，掃描頻率從10～500 Hz之間的變化過程中，AOM輸入端功率會略有波動，但波動幅度遠(yuǎn)小于調(diào)制深度，不會影響到光電探測器的輸出強(qiáng)度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中首先對調(diào)制信號進(jìn)行探測，了解其波形。而后用光電探測器對入射調(diào)制激光信號進(jìn)行探測，用示波器記錄探測器的響應(yīng)波形及相應(yīng)數(shù)據(jù)，用Origin軟件繪制時域響應(yīng)圖(如圖2和圖3(a)所示)，并對時域圖進(jìn)行傅里葉分析，得到頻域響應(yīng)圖(如圖2和圖3(b)所示)。由于調(diào)制信號源產(chǎn)生的掃頻信號低頻由10 Hz開始，圖中對應(yīng)的10 Hz以下低頻成分不符合要求，且經(jīng)理論分析可知不會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，故舍去即可。對頻域響應(yīng)圖進(jìn)行分析，當(dāng)頻域曲線值下降為最大值一半時所對應(yīng)的頻率值為-3 dB帶寬，即光電探測器的響應(yīng)帶寬。

圖2和3中分別列出取樣電阻為10 MΩ與20 MΩ時光電探測器響應(yīng)的時域圖與頻域圖，分別對圖2(b)和圖3(b)頻域響應(yīng)曲線進(jìn)行分析可知，當(dāng)光電探測器取樣電阻為10 MΩ時，其響應(yīng)帶寬約為270 Hz；當(dāng)光電探測器取樣電阻為20 MΩ時，其響應(yīng)帶寬約為130 Hz。

圖2 R=10 MΩ探測器響應(yīng)圖

圖3 R=20 MΩ探測器響應(yīng)圖

基于實(shí)驗(yàn)中所測光電探測器電路，在該電路中，影響探測器響應(yīng)帶寬的主要因素為取樣電阻R、光電二極管結(jié)電容與補(bǔ)償電容總和C，因此在理論分析中只考慮上述因素對光電探測器響應(yīng)帶寬的影響即可。分析該光電探測器電路原理圖，光電二極管結(jié)電容與補(bǔ)償電容總和約為60 pF，響應(yīng)帶寬大小隨取樣電阻阻值變化，代入公式(1)進(jìn)行理論計(jì)算，當(dāng)光電探測器前級放大電路中取樣電阻為10 MΩ時，探測器的響應(yīng)帶寬理論計(jì)算值約為265 Hz，取樣電阻為20 MΩ時的響應(yīng)帶寬理論值約為133 Hz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與該理論計(jì)算值接近，同理可計(jì)算出取樣電阻為其他阻值時的探測器響應(yīng)帶寬。

根據(jù)響應(yīng)帶寬的計(jì)算公式(1)，繪制如圖4所示的響應(yīng)帶寬與取樣電阻理論關(guān)系曲線(二者成反比關(guān)系)。同時將實(shí)驗(yàn)中分別對取樣電阻R取1,10,20和100 MΩ時對應(yīng)探測器響應(yīng)帶寬實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制于圖中。經(jīng)分析可知，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)基本落在理論曲線上，即實(shí)驗(yàn)值與理論值較為符合。由此可知，通過該實(shí)驗(yàn)方法可以較準(zhǔn)確地進(jìn)行光電探測器響應(yīng)帶寬的測量。

圖4 響應(yīng)帶寬與取樣電阻關(guān)系曲線

4 結(jié)語

本文分析了聲光調(diào)制技術(shù)的基本原理，并運(yùn)用該原理對應(yīng)的方法進(jìn)行光電探測器響應(yīng)帶寬的測量。先通過信號源產(chǎn)生一定頻率范圍的掃頻信號，再通過衰減器將掃頻調(diào)制信號加載到載波信號上驅(qū)動聲光調(diào)制器工作，利用聲光調(diào)制技術(shù)對激光進(jìn)行調(diào)制，并用光電探測器對調(diào)制后的激光信號進(jìn)行探測，可以很好地通過示波器觀察和測量光電探測器對不同頻率信號的響應(yīng)程度，繼而通過傅里葉頻譜分析結(jié)果得到光電探測器的響應(yīng)帶寬。實(shí)驗(yàn)中對不同取樣電阻下的光電探測器響應(yīng)帶寬進(jìn)行了測量，均能較好地分析得到光電探測器對應(yīng)的響應(yīng)帶寬，而且與理論計(jì)算值較為接近。但由于目前實(shí)驗(yàn)所用儀器及器件參數(shù)限制，該方法僅限10 kHz以下低頻光電探測器響應(yīng)帶寬的測量。本實(shí)驗(yàn)以銫原子噴泉鐘光學(xué)系統(tǒng)工作平臺為背景，進(jìn)行該光電探測器的響應(yīng)帶寬研究，得到很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同樣，該實(shí)驗(yàn)也適用于其他領(lǐng)域光電探測器的研究。該方法是一種通過激光調(diào)制技術(shù)得到光電探測器響應(yīng)帶寬的新的實(shí)驗(yàn)手段。