基于光外差的光電探測器絕對頻響測試技術研究

劉 超費 豐王少水朱興邦孫慶旭王洪超趙 耀

（中國電子科技集團公司第四十一研究所，青島266555）

1 引 言

光纖通信系統(tǒng)中，可以通過提高單個信道速率來提升系統(tǒng)傳輸容量；而信道速率的提高，要求光電器件具有更高的傳輸帶寬和更平坦的傳輸響應。例如，通信系統(tǒng)采用OOK 編碼超出100Gb／s 的數(shù)據(jù)傳輸率，要求光電器件帶寬至少達到50GHz 以上。因此，光電器件性能與光網(wǎng)絡傳輸速率密切相關。

當前，新型光電器件的不斷出現(xiàn)，使得光纖通信技術得到了極大提高。 30GHz、50GHz、70GHz 及110GHz 的光電探測器（光收發(fā)模塊）逐漸成為光通信行業(yè)的必要器件。 國外商用光電探測器已經做到了100GHz 以上，國內對光電探測器研究起步較晚，但發(fā)展迅速。 西安光機所、長春光機所、中電44所等科研單位都研發(fā)有高速InGaAs 光電探測器；東南大學、華中科技大學等高校聚焦光電探測器技術變革與發(fā)展，從傳統(tǒng)光電探測器器件級技術研究，到硅光技術相結合的芯片級智能光電探測器研制與開發(fā)，均取得了可人的研究成果。

光電探測器響應隨調制頻率升高而降低的這種變化，稱為頻率響應。 目前，針對光電探測器頻響測試常用方法是時域脈沖法、網(wǎng)絡分析儀調制掃頻法、邊帶調制法、電光采樣法和光外差干涉法，各方法優(yōu)缺點對比多見于各論文期刊，此文不再贅述。 其中，光外差干涉法因具有系統(tǒng)構成簡單、精度高、重復性好、測量頻域寬等優(yōu)點，是各高校、科研單位主要采用方法。 如早在2005年，中國科學院半導體研究所就通過研究光外差技術實現(xiàn)了40GHz 光電探測器相對頻響測試；2008年，北京郵電大學電信工程學院對高速光電探測器性能開展深入研究，通過仿真和實驗，比對了矢網(wǎng)調制分析法和光外差法測量精度和誤差，并驗證了光電探測器非線性效應；電子科技大學也開展了“高速光電子器件頻響測量系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)”課題研究，設計基于Labview 軟件的高速光電子器件頻響自動測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了對光電探測器相對頻響和直流響應的自動測試。

開展光電探測器頻響特性研究，對了解光通信系統(tǒng)接收靈敏度、傳輸響應等具有重要意義。 上述研究方向主要集中在對光電探測器相對頻響參數(shù)測試，而對于絕對與相對頻響的關系論述不夠詳細。 本文通過建立光外差數(shù)學模型，推導了光電器件絕對頻響表達式，并根據(jù)光外差理論自研了一套外差探測系統(tǒng)進行驗證。

2 數(shù)學模型

在外差探測技術中，兩束頻率相差的激光束準直到光電探測器表面，每一個線性極化的輸出光束的接收光場可寫為

式中：，——兩光源產生的功率；，——兩光源場強；，——兩激光器頻率，，——兩束光的初始相位。

兩束光在探測器表面混頻后其功率可表達為

式中：——激光器差頻；——兩束光波極化方向夾角。

由于光電探測器的頻響遠跟不上極高的光頻，上述表達式中已略去合頻項及二倍頻項。 此時光電流可寫為

式中：（0）——探測器的直流響應（A／W）；（）——傳輸引起的相位延遲；（）——探測器當前頻率的絕對響應（A／W）；——探測器在該信號能量下激發(fā)的直流電流，可使用電流表對探測器端口電流監(jiān)測獲得；——探測器在當前差頻時的響應電流，即為加載在負載（此處為微波功率探頭）上的電流，可通過微波功率計功率示值反推。

經偏振控制后的極化夾角一般不大于3°，cos為0.998 ≈1，在此方案中可忽略。 那么，式（3）中前兩項為探測器的直流響應分量，最后一項是探測器對頻率為的差頻響應項。 根據(jù)式（3），有效光電流均方值表達式為

式中：［］——直流電流有效值；［］——交流電流有效值。

由式（4）可知，（+）（0）為直流響應量，2（）為交流響應量，探測器絕對頻響（）僅與，，［］有關，，可通過光功率計直接測量。 ［］通過微波功率計測量獲得，其表達式為

式中：（）——微波功率計測量的平均功率值；——輸入阻抗，一般為50Ω。

結合式（4）和式（5）可得光電探測器絕對頻響表達式為

假設光功率與的比值為，則式（7）可表示為

式（8）中，［］可通過探測器偏置電流監(jiān)測端口直接測試，因此要求得（），還需要獲得該探測器的直流響應（0）。 根據(jù)直流響應度測試方法（在第3 章中進行介紹），其表達式為

式中：——在此輸入功率下的激發(fā)電流；——當前輸入光電探測器的直流光功率。

結合式（8）和式（9）有

至此，我們獲得絕對頻響的兩種表達數(shù)學公式，即式（6）和式（10）。 為方便計算，假設激發(fā)光功率=，即=1，則式（10）可簡化為

3 總體方案

光外差干涉法測試系統(tǒng)如圖1 所示，主要由可調諧激光器、窄線寬激光器、偏振控制器、光纖干涉裝置、1 ∶1 光分路器、微波功率計、光波長計、頻譜分析儀、數(shù)字多用表、光纖跳線及連接器組成。 其中，可調諧激光器選擇Keysight 公司波段為（1 520 ～1 620）nm 的產品，最小波長分辨率為0.1pm；窄線寬激光器選用NKTP 公司BAISK X15 產品，經典線寬小于100Hz，激光器線寬越小，拍頻信號頻譜純度越高；偏振控制器用于光路中偏振態(tài)控制與保持，確保其干涉狀態(tài)穩(wěn)定；數(shù)字多用表用于直流響應測試中輸出電流檢測；保偏光纖用于保證窄線寬激光器輸出光偏振態(tài)穩(wěn)定；其他儀器如微波功率計、頻譜分析儀選擇覆蓋對應被測光電探測器響應頻段的儀器。

圖1 光外差干涉法測試系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of optical heterodyne interferometry test system

測試步驟如下。

1）光功率調節(jié)：分別打開可調諧激光器和窄線寬激光器，調節(jié)輸出功率，使光源入射到被測光電探測器光敏面能量一致或相近；

2）波長一致性粗調：觀察波長計示值，調節(jié)可調諧激光器使其與窄線寬激光器波長顯示一致；

3）直流響應度測試：打開可調諧激光器，關閉窄線寬激光器，記錄光功率計、數(shù)字多用表示值，并根據(jù)式（9）計算出（0）；

4）調節(jié)干涉效果：同時打開可調諧激光器和窄線寬激光器，通過調節(jié)偏振控制器，使微波功率計顯示示值為最大，此時兩光源偏振態(tài)趨于一致；

5）波長一致性細調：在（4）狀態(tài)下，合理設置頻譜分析儀起始頻率、終止頻率、分辨率帶寬，在頻譜分析儀上應能觀測到外差信號譜線；調節(jié)可調諧激光器波長，使外差信號譜線頻率趨于0Hz（一般為10MHz 即可）；

6）相對頻響測試：記錄（5）狀態(tài)下頻譜分析儀讀值，并賦給電功率計讀取功率值；根據(jù)需求設置可調諧激光器波長，獲取不同頻率下的功率響應值；

7）歸一化處理：對被測件輸出功率進行歸一化處理，獲取當前被測件功率下降3dB 時頻率值，作為帶寬測試結果；

8）絕對頻響測試：結合記錄的不同頻率下功率響應值，偏壓電流，以及直流響應度，根據(jù)式（11）計算出被測光電探測器的絕對頻響結果，并繪制頻響曲線。

4 實驗分析

光外差與其他方法相比，有著較好的信噪比（SNR），但是它也有自身的不足，兩束光波要求有一定的匹配，主要包括：振幅匹配、偏振態(tài)匹配和相位匹配。 目前激光器穩(wěn)頻、穩(wěn)幅技術不斷發(fā)展，激光器功率穩(wěn)定性可達到0.001dB／1h，完全滿足系統(tǒng)測試需求；兩路光信號可采用偏振控制器、保偏耦合器、保偏光纖解決偏振匹配問題，使用中要確保精確對軸，相對偏振角變化小于3°。 激光器相位噪聲、光譜寬度、波長穩(wěn)定性的變化，都將造成相位失配，影響信號純度和穩(wěn)定性，可使用鎖頻技術提升頻譜純度，降低相位失配影響，將拍頻信號鎖定在kHz 量級。

4.1 相位失配影響頻譜純度

理論上來講，當兩激光器發(fā)生干涉時，拍頻信號應該是頻譜純度高、具有一定包絡寬度的譜線。但在正常測試過程中，因為激光器信號本身具有一定線寬，且無法保證兩激光器相位始終一致，會導致拍頻信號的頻譜能量不純，在頻譜分析儀上表現(xiàn)為多根譜線并存現(xiàn)象，從而降低測試準確性。 正常光外差拍頻信號的譜線如圖2 所示，當前頻譜分析儀分辨率帶寬為30kHz，掃寬100MHz，從頻譜分析儀中可以明顯看到，拍頻信號的頻譜受相位失配影響分布雜亂，能量分布不集中，跨度約為20MHz。

圖2 受相位失配影響的頻譜圖Fig.2 Spectrum affected by phase mismatch

為提升頻譜純度，降低相位失配對測試結果的影響，采用Pound-Drever-Hall （PDH）鎖頻技術對主從激光器進行鎖定。 PDH 穩(wěn)頻技術將激光器的頻率鎖定到光學參考腔的共振頻率上，具有噪聲低、響應快，幾乎適合所有波長的優(yōu)點。 其原理如圖3 所示，激光器輸入的激光經過電光調制器對待鎖頻的激光進行相位調制，調制后的激光經過偏振分束器、四分之一波片入射到F-P 光腔中。 與光腔相互作用后，被反射回來的光經過光電探測并進行解調，獲得用于鎖頻的誤差信號（其幅度正比于激光頻率相對光腔諧振頻率的失諧量）。 誤差信號經過濾波和放大后，再反饋給激光器的頻率執(zhí)行機構，對激光頻率進行補償，使激光頻率鎖定在光腔的諧振頻率上。

圖3 基于F-P 腔體的頻率鎖定系統(tǒng)圖Fig.3 Frequency locking system based on F-P cavity

利用中國計量科學研究院光頻標實驗室1E-15量級的1.5μm 超穩(wěn)激光系統(tǒng)，對主激光器的頻率穩(wěn)定度進行測量。 通過拍頻實驗，得到主激光器的頻率穩(wěn)定性優(yōu)于1E-14，拍頻信號的線寬達到Hz 量級。 雖然拍頻信號的頻譜在Hz 量級，但是在頻譜分析儀上觀測此信號并非易事，因為若觀測Hz 量級信號，需要將頻譜儀的分辨率帶寬設置為最?。?Hz 或者1Hz），掃寬相應在百Hz 量級才能保證有效的掃描速度，但在外界環(huán)境不夠穩(wěn)定時，拍頻信號的輕微跳動都會導致信號超出頻譜分析儀設置的觀察窗口。 在光外差測試過程中，對頻譜的要求精度在MHz 量級，因此，在正常測試中，運用PDH技術使拍頻信號穩(wěn)定在kHz 量級，完全滿足要求。運用鎖頻技術的拍頻信號譜線如圖4 所示，在同樣設置條件下，譜線具有明顯的包絡，能量較為集中，鎖定效果明顯。

圖4 相位匹配頻譜圖Fig.4 Spectrum with phase matching

4.2 相位失配影響頻譜穩(wěn)定性

利用PDH 技術可有效解決拍頻信號頻譜散亂不純的問題，但是激光器受到溫度變化、振動、熱噪聲等環(huán)境影響，波長會產生一定波動，拍頻信號譜線會左右抖動。 實驗中選用的可調諧激光器工作在1 550nm 波長點，理論上當波長改變0.1pm 時，對應譜線變動為12.5MHz。 為進一步觀測相位失配對頻譜穩(wěn)定性的影響，通過調節(jié)可調諧激光器，使拍頻信號工作在10GHz 左右，打開頻譜分析儀最大軌跡保持功能，對其5min 內的譜線波動情況進行統(tǒng)計，結果如圖5 所示。 從圖中明顯可觀測到拍頻信號在一定范圍內無規(guī)則跳動，整個頻率波動范圍約為（30～50）MHz。

圖5 拍頻信號峰值保持圖Fig.5 Peak retention chart of beat signal

當被測光電探測器工作在高頻點時，如50GHz時，50MHz 波動相對當前頻段占比為0.1%，顯然這種影響可忽略不計；當工作在低頻點時，如200MHz時，實測值應為（150～250）MHz 間任意讀數(shù)，將此讀數(shù)作為實際測量頻率值賦給微波功率計，功率計在（150～250）MHz 間因頻率設置不準確，造成功率讀值誤差不超過0.01dB，顯然，無論在哪個頻率點對于最終頻響的影響都很小。 因此，在實驗中，基本可以忽略拍頻信號漂移對測量結果的影響。

4.3 頻響測試實驗

本實驗在保持光源偏振態(tài)、光源波長穩(wěn)定性、光源功率穩(wěn)定性等相同條件下進行，所選被測件為Finisar 公司XPDV3120R，該款產品受環(huán)境影響小、性能穩(wěn)定，標稱帶寬高達70GHz。 直流響應度（0）經測試為0.73A／W。

為方便實驗進行與計算，營造初始條件中滿足=。 因此，實驗中設定主激光器輸出波長為1 550.120 0nm，輸出能量為0.426mW；從激光器輸出波長為1 550.120 0nm，輸出能量為0.438mW；在此激勵下，分別觀察被測光電探測器的偏置電流均為0.12mA（受光路和連接器影響，初始輸出能量不一致，被測件直流響應相同）。 根據(jù)預設程序開始掃頻，并記錄每個掃頻點時頻譜儀讀值和微波功率計讀值，通過式（11）計算出（）。

為驗證數(shù)據(jù)的可靠性與準確性，使用Keysight公司N4373D 與該系統(tǒng)進行比對測試，N4373D 采用矢網(wǎng)掃頻的方式，可實現(xiàn)在1 550nm 波段對光電探測器絕對頻響的快速測量，掃描帶寬高達67GHz，是目前業(yè)內測量精度最高的商用化產品之一。 測試數(shù)據(jù)比對如圖6 所示。

圖6 自研系統(tǒng)與N4373D 絕對頻響值測試比對圖Fig.6 Absolute frequency response comparison between self-developed system and N4373D

由測試結果可以看出，光外差法與N4373D 對同一被測件絕對頻響測量曲線基本吻合，響應值最大差值在0.75dB＠63GHz 左右，造成差異的主要原因如下。

1）光外差法中微波功率計隨著信號頻率不斷變大，駐波效應影響越來越明顯，也是不確定來源的主要貢獻分量之一；

2）光外差采樣點較少且使用直接線性擬合。

為驗證系統(tǒng)測量重復性，對上述被測件在其67GHz 響應范圍內，在最低頻響點處的頻率進行8次測試，并根據(jù)貝塞爾函數(shù)公式計算其測量重復性，測試結果如表1 所示。

表1 測量重復性Tab.1 Repeatability of measurement

從表1 分析數(shù)據(jù)中可以看出，該系統(tǒng)測量重復性小于1%。 本實驗中采用的測試手段與Keysight溯源機構NIST 使用方法基本一致（NIST 使用空間光外差），數(shù)據(jù)準確可靠。

5 結束語

目前，國內對光電探測器頻響測試仍局限在40GHz，在（40～67）GHz 頻段主要針對其時域脈寬特性參數(shù)進行測試。 本文通過理論推導，得出光電探測器絕對頻響計算公式，并自行構建光外差測試系統(tǒng)，對被測光電探測器頻響參數(shù)進行測試，測試頻寬高達67GHz；最后通過與N4373D 進行比對測試，驗證系統(tǒng)的準確性與穩(wěn)定性，系統(tǒng)測量偏差不大于0.8dB，測量重復性優(yōu)于1%。