光电探测器性能指标测试方法详解

光电探测器性能指标测试方法详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/fzf1996/article/details/138539317

光电探测器是现代光电子技术中的关键组件，其性能指标直接影响着各类光通信、光传感等系统的整体表现。本文将详细介绍光电探测器的核心性能指标——带宽、转换增益和噪声的测试方法，帮助读者更好地理解和评估光电探测器的性能。

核心指标概述

光电探测器的性能主要由以下三个核心指标决定：

• 带宽：反映探测器对信号频率的响应能力
• 转换增益：表征光信号到电信号的转换效率
• 噪声：包括信噪比、噪声等效功率（NEP）和噪声密度等参数

测试环境配置

进行光电探测器性能测试需要以下主要设备：

• 可调谐激光器（CW LASER）
• 强度调制器(AM)
• 信号发生器(AWG)
• 可调衰减器(VOA)
• 光纤法兰
• 光功率计
• 频谱仪(SA)
• 示波器

带宽测试方法

使用信号发生器测试

1. 搭建测试环境：为光电探测器供电，将其输出端接入频谱仪；将激光器输出串接可调光纤衰减器，光纤衰减器的输出端需要连接幅度调制器以产生调制光信号，幅度调制器的输入信号是由任意波形发生器提供的。
2. 调节任意波形发生器，使其输出高斯白噪声信号。由于本实验室所用的任意波形发生器最高可以产生200MHz正弦波信号，因此可产生的高斯白噪声信号最多为200MHz。
3. 将可调光纤衰减器调至合适衰减值，通过频谱仪观察零差检测器的输出信号，可以看到带宽内信号幅度较为平坦，当频率增加超过零差检测器带宽后，信号频谱幅度下降，当下降3dB时，此时对应的频率值为零差检测器的-3dB 带宽。

使用激光测试

1. 激光的强度噪声频谱很宽，可作为噪声源。
2. 激光器输出激光后，通过衰减器减小到合适的光功率，直接输入光电探测器。
3. 频谱仪的span逐步调大，可以看到噪声曲线下降3dB，可以读出带宽

转换增益测试

针对AC耦合的光电探测器：

1. 搭建测试环境：为光电探测器供电，将其输出端接入示波器；将激光器输出串接可调光纤衰减器，光纤衰减器的输出端需要连接幅度调制器以调制脉冲光，幅度调制器的脉冲输入信号是由任意波形发生器提供的。
2. 将光纤衰减器调至最大衰减值（无光输入状态），此时零差检测器输出无任何信号的电噪声。
3. 缓慢调节可调光纤衰减器，使光功率缓慢增加，使示波器上出现微小的脉冲电压信号。
4. 此时小步长增大光功率，记录入射到光电探测器上的光功率和示波器上显示的峰值电压值，重复这一步骤，直到峰值脉冲出现饱和。
5. 做出峰值电压-光功率曲线，取近直线部分的斜率，即为光电探测器的转换增益。

噪声测试

1. 配平光路。配平光路的步骤如下：

• 修改任意波形发生器设置，使其输出合适频率的方波信号，并将该信号通过光纤强度调制器耦合到光信号上。
• 通过光纤衰减器调小光功率，在示波器观察零差检测器输出的残余信号，微调光纤衰减器和光纤延时器，将两路光路配平，即示波器上显示的残余信号被消除。
• 缓慢调大光功率，再次精细调节光纤衰减器和光纤延时器，使光功率较大状态下依然保持调平状态。

2. 保持光纤器件不发生变化，将光功率衰减至最小，通过频谱仪观察并记录零差检测器输出频谱曲线，无光输入时为电噪声频谱曲线：
3. 缓慢增加光功率，记录光功率值和频谱仪上的散粒噪声曲线，并将多条曲线作图对比。
4. 上述步骤中测试散粒噪声曲线与电噪声曲线之差即为散粒噪声比电噪声。
5. 记录频谱分析仪设置的RBW，将散粒噪声和电噪声曲线对横轴积分，得到噪声的均方根值，画出噪声均方根与输入光功率之间的关系。

NEP（等效噪声功率）

• (V_{rms}) 是输出电噪声的均方根值，应该是峰峰值(V_{pp})除以6.6
• (G)是增益，(R)是响应度，(f_{-3dB})是探测器带宽

电压噪声密度

• (V_{rms} / \sqrt{f_{-3dB}})

实验设备清单

所有模块提供电源适配器，上电即用

1. 放大器

• 30GHz射频放大器（20dB，100k-30GHz）
• 1GHz射频放大器（20dB，DC-1GHz）

2. 光电探测器

• 10G 高速光电探测器（DC-10GHz，600 V/m，最大摆幅1.5Vpp）
• 18G 高速光电探测器（不带放大）
• 30G 高速光电探测器 （100k-30GHz，2500V/W，最大摆幅900mV）
• 2G光电探测器(100k-2GHz，AC耦合，2500V/m)
• 600M光电探测器（DC-600MHZ，DC耦合，2500V/W）

3. C波段可调谐激光器

• 型号1：通道切换时间10ms，50GHz步长，最大光功率15dBm
• 型号2：1GHz步长，最大光功率15dBm，通道切换时间10s

4. 各型号可调谐激光器，高速探测器，调制器

5. C波段1550nm可调谐激光器控制系统（可扫频）
   兼容控制TL5000系列激光器，TTX1994系列激光器，TTX1995系列激光器，JDSU系列激光器，等等多种ITLA激光器。系统包括：电源适配器，电源板，转接板，连接线，控制软件

读取TTX1995系列激光器的参数，最大16dBm
读取TL5000激光器的参数，最大光功率13dBm

激光器
调制器
探测器