刘 超费 丰王少水朱兴邦孙庆旭王洪超赵 耀

（中国电子科技集团公司第四十一研究所，青岛266555）

1 引 言

光纤通信系统中，可以通过提高单个信道速率来提升系统传输容量；而信道速率的提高，要求光电器件具有更高的传输带宽和更平坦的传输响应。例如，通信系统采用OOK 编码超出100Gb／s 的数据传输率，要求光电器件带宽至少达到50GHz 以上。因此，光电器件性能与光网络传输速率密切相关。

当前，新型光电器件的不断出现，使得光纤通信技术得到了极大提高。 30GHz、50GHz、70GHz 及110GHz 的光电探测器（光收发模块）逐渐成为光通信行业的必要器件。 国外商用光电探测器已经做到了100GHz 以上，国内对光电探测器研究起步较晚，但发展迅速。 西安光机所、长春光机所、中电44所等科研单位都研发有高速InGaAs 光电探测器；东南大学、华中科技大学等高校聚焦光电探测器技术变革与发展，从传统光电探测器器件级技术研究，到硅光技术相结合的芯片级智能光电探测器研制与开发，均取得了可人的研究成果。

光电探测器响应随调制频率升高而降低的这种变化，称为频率响应。 目前，针对光电探测器频响测试常用方法是时域脉冲法、网络分析仪调制扫频法、边带调制法、电光采样法和光外差干涉法，各方法优缺点对比多见于各论文期刊，此文不再赘述。 其中，光外差干涉法因具有系统构成简单、精度高、重复性好、测量频域宽等优点，是各高校、科研单位主要采用方法。 如早在2005年，中国科学院半导体研究所就通过研究光外差技术实现了40GHz 光电探测器相对频响测试；2008年，北京邮电大学电信工程学院对高速光电探测器性能开展深入研究，通过仿真和实验，比对了矢网调制分析法和光外差法测量精度和误差，并验证了光电探测器非线性效应；电子科技大学也开展了“高速光电子器件频响测量系统开发与实现”课题研究，设计基于Labview 软件的高速光电子器件频响自动测量系统，实现了对光电探测器相对频响和直流响应的自动测试。

开展光电探测器频响特性研究，对了解光通信系统接收灵敏度、传输响应等具有重要意义。 上述研究方向主要集中在对光电探测器相对频响参数测试，而对于绝对与相对频响的关系论述不够详细。 本文通过建立光外差数学模型，推导了光电器件绝对频响表达式，并根据光外差理论自研了一套外差探测系统进行验证。

2 数学模型

在外差探测技术中，两束频率相差的激光束准直到光电探测器表面，每一个线性极化的输出光束的接收光场可写为

式中：，——两光源产生的功率；，——两光源场强；，——两激光器频率，，——两束光的初始相位。

两束光在探测器表面混频后其功率可表达为

式中：——激光器差频；——两束光波极化方向夹角。

由于光电探测器的频响远跟不上极高的光频，上述表达式中已略去合频项及二倍频项。 此时光电流可写为

式中：（0）——探测器的直流响应（A／W）；（）——传输引起的相位延迟；（）——探测器当前频率的绝对响应（A／W）；——探测器在该信号能量下激发的直流电流，可使用电流表对探测器端口电流监测获得；——探测器在当前差频时的响应电流，即为加载在负载（此处为微波功率探头）上的电流，可通过微波功率计功率示值反推。

经偏振控制后的极化夹角一般不大于3°，cos为0.998 ≈1，在此方案中可忽略。 那么，式（3）中前两项为探测器的直流响应分量，最后一项是探测器对频率为的差频响应项。 根据式（3），有效光电流均方值表达式为

式中：［］——直流电流有效值；［］——交流电流有效值。

由式（4）可知，（+）（0）为直流响应量，2（）为交流响应量，探测器绝对频响（）仅与，，［］有关，，可通过光功率计直接测量。 ［］通过微波功率计测量获得，其表达式为

式中：（）——微波功率计测量的平均功率值；——输入阻抗，一般为50Ω。

结合式（4）和式（5）可得光电探测器绝对频响表达式为

假设光功率与的比值为，则式（7）可表示为

式（8）中，［］可通过探测器偏置电流监测端口直接测试，因此要求得（），还需要获得该探测器的直流响应（0）。 根据直流响应度测试方法（在第3 章中进行介绍），其表达式为

式中：——在此输入功率下的激发电流；——当前输入光电探测器的直流光功率。

结合式（8）和式（9）有

至此，我们获得绝对频响的两种表达数学公式，即式（6）和式（10）。 为方便计算，假设激发光功率=，即=1，则式（10）可简化为

3 总体方案

光外差干涉法测试系统如图1 所示，主要由可调谐激光器、窄线宽激光器、偏振控制器、光纤干涉装置、1 ∶1 光分路器、微波功率计、光波长计、频谱分析仪、数字多用表、光纤跳线及连接器组成。 其中，可调谐激光器选择Keysight 公司波段为（1 520 ～1 620）nm 的产品，最小波长分辨率为0.1pm；窄线宽激光器选用NKTP 公司BAISK X15 产品，经典线宽小于100Hz，激光器线宽越小，拍频信号频谱纯度越高；偏振控制器用于光路中偏振态控制与保持，确保其干涉状态稳定；数字多用表用于直流响应测试中输出电流检测；保偏光纤用于保证窄线宽激光器输出光偏振态稳定；其他仪器如微波功率计、频谱分析仪选择覆盖对应被测光电探测器响应频段的仪器。

图1 光外差干涉法测试系统框图Fig.1 Block diagram of optical heterodyne interferometry test system

测试步骤如下。

1）光功率调节：分别打开可调谐激光器和窄线宽激光器，调节输出功率，使光源入射到被测光电探测器光敏面能量一致或相近；

2）波长一致性粗调：观察波长计示值，调节可调谐激光器使其与窄线宽激光器波长显示一致；

3）直流响应度测试：打开可调谐激光器，关闭窄线宽激光器，记录光功率计、数字多用表示值，并根据式（9）计算出（0）；

4）调节干涉效果：同时打开可调谐激光器和窄线宽激光器，通过调节偏振控制器，使微波功率计显示示值为最大，此时两光源偏振态趋于一致；

5）波长一致性细调：在（4）状态下，合理设置频谱分析仪起始频率、终止频率、分辨率带宽，在频谱分析仪上应能观测到外差信号谱线；调节可调谐激光器波长，使外差信号谱线频率趋于0Hz（一般为10MHz 即可）；

6）相对频响测试：记录（5）状态下频谱分析仪读值，并赋给电功率计读取功率值；根据需求设置可调谐激光器波长，获取不同频率下的功率响应值；

7）归一化处理：对被测件输出功率进行归一化处理，获取当前被测件功率下降3dB 时频率值，作为带宽测试结果；

8）绝对频响测试：结合记录的不同频率下功率响应值，偏压电流，以及直流响应度，根据式（11）计算出被测光电探测器的绝对频响结果，并绘制频响曲线。

4 实验分析

光外差与其他方法相比，有着较好的信噪比（SNR），但是它也有自身的不足，两束光波要求有一定的匹配，主要包括：振幅匹配、偏振态匹配和相位匹配。 目前激光器稳频、稳幅技术不断发展，激光器功率稳定性可达到0.001dB／1h，完全满足系统测试需求；两路光信号可采用偏振控制器、保偏耦合器、保偏光纤解决偏振匹配问题，使用中要确保精确对轴，相对偏振角变化小于3°。 激光器相位噪声、光谱宽度、波长稳定性的变化，都将造成相位失配，影响信号纯度和稳定性，可使用锁频技术提升频谱纯度，降低相位失配影响，将拍频信号锁定在kHz 量级。

4.1 相位失配影响频谱纯度

理论上来讲，当两激光器发生干涉时，拍频信号应该是频谱纯度高、具有一定包络宽度的谱线。但在正常测试过程中，因为激光器信号本身具有一定线宽，且无法保证两激光器相位始终一致，会导致拍频信号的频谱能量不纯，在频谱分析仪上表现为多根谱线并存现象，从而降低测试准确性。 正常光外差拍频信号的谱线如图2 所示，当前频谱分析仪分辨率带宽为30kHz，扫宽100MHz，从频谱分析仪中可以明显看到，拍频信号的频谱受相位失配影响分布杂乱，能量分布不集中，跨度约为20MHz。

图2 受相位失配影响的频谱图Fig.2 Spectrum affected by phase mismatch

为提升频谱纯度，降低相位失配对测试结果的影响，采用Pound-Drever-Hall （PDH）锁频技术对主从激光器进行锁定。 PDH 稳频技术将激光器的频率锁定到光学参考腔的共振频率上，具有噪声低、响应快，几乎适合所有波长的优点。 其原理如图3 所示，激光器输入的激光经过电光调制器对待锁频的激光进行相位调制，调制后的激光经过偏振分束器、四分之一波片入射到F-P 光腔中。 与光腔相互作用后，被反射回来的光经过光电探测并进行解调，获得用于锁频的误差信号（其幅度正比于激光频率相对光腔谐振频率的失谐量）。 误差信号经过滤波和放大后，再反馈给激光器的频率执行机构，对激光频率进行补偿，使激光频率锁定在光腔的谐振频率上。

图3 基于F-P 腔体的频率锁定系统图Fig.3 Frequency locking system based on F-P cavity

利用中国计量科学研究院光频标实验室1E-15量级的1.5μm 超稳激光系统，对主激光器的频率稳定度进行测量。 通过拍频实验，得到主激光器的频率稳定性优于1E-14，拍频信号的线宽达到Hz 量级。 虽然拍频信号的频谱在Hz 量级，但是在频谱分析仪上观测此信号并非易事，因为若观测Hz 量级信号，需要将频谱仪的分辨率带宽设置为最小（3Hz 或者1Hz），扫宽相应在百Hz 量级才能保证有效的扫描速度，但在外界环境不够稳定时，拍频信号的轻微跳动都会导致信号超出频谱分析仪设置的观察窗口。 在光外差测试过程中，对频谱的要求精度在MHz 量级，因此，在正常测试中，运用PDH技术使拍频信号稳定在kHz 量级，完全满足要求。运用锁频技术的拍频信号谱线如图4 所示，在同样设置条件下，谱线具有明显的包络，能量较为集中，锁定效果明显。

图4 相位匹配频谱图Fig.4 Spectrum with phase matching

4.2 相位失配影响频谱稳定性

利用PDH 技术可有效解决拍频信号频谱散乱不纯的问题，但是激光器受到温度变化、振动、热噪声等环境影响，波长会产生一定波动，拍频信号谱线会左右抖动。 实验中选用的可调谐激光器工作在1 550nm 波长点，理论上当波长改变0.1pm 时，对应谱线变动为12.5MHz。 为进一步观测相位失配对频谱稳定性的影响，通过调节可调谐激光器，使拍频信号工作在10GHz 左右，打开频谱分析仪最大轨迹保持功能，对其5min 内的谱线波动情况进行统计，结果如图5 所示。 从图中明显可观测到拍频信号在一定范围内无规则跳动，整个频率波动范围约为（30～50）MHz。

图5 拍频信号峰值保持图Fig.5 Peak retention chart of beat signal

当被测光电探测器工作在高频点时，如50GHz时，50MHz 波动相对当前频段占比为0.1%，显然这种影响可忽略不计；当工作在低频点时，如200MHz时，实测值应为（150～250）MHz 间任意读数，将此读数作为实际测量频率值赋给微波功率计，功率计在（150～250）MHz 间因频率设置不准确，造成功率读值误差不超过0.01dB，显然，无论在哪个频率点对于最终频响的影响都很小。 因此，在实验中，基本可以忽略拍频信号漂移对测量结果的影响。

4.3 频响测试实验

本实验在保持光源偏振态、光源波长稳定性、光源功率稳定性等相同条件下进行，所选被测件为Finisar 公司XPDV3120R，该款产品受环境影响小、性能稳定，标称带宽高达70GHz。 直流响应度（0）经测试为0.73A／W。

为方便实验进行与计算，营造初始条件中满足=。 因此，实验中设定主激光器输出波长为1 550.120 0nm，输出能量为0.426mW；从激光器输出波长为1 550.120 0nm，输出能量为0.438mW；在此激励下，分别观察被测光电探测器的偏置电流均为0.12mA（受光路和连接器影响，初始输出能量不一致，被测件直流响应相同）。 根据预设程序开始扫频，并记录每个扫频点时频谱仪读值和微波功率计读值，通过式（11）计算出（）。

为验证数据的可靠性与准确性，使用Keysight公司N4373D 与该系统进行比对测试，N4373D 采用矢网扫频的方式，可实现在1 550nm 波段对光电探测器绝对频响的快速测量，扫描带宽高达67GHz，是目前业内测量精度最高的商用化产品之一。 测试数据比对如图6 所示。

图6 自研系统与N4373D 绝对频响值测试比对图Fig.6 Absolute frequency response comparison between self-developed system and N4373D

由测试结果可以看出，光外差法与N4373D 对同一被测件绝对频响测量曲线基本吻合，响应值最大差值在0.75dB＠63GHz 左右，造成差异的主要原因如下。

1）光外差法中微波功率计随着信号频率不断变大，驻波效应影响越来越明显，也是不确定来源的主要贡献分量之一；

2）光外差采样点较少且使用直接线性拟合。

为验证系统测量重复性，对上述被测件在其67GHz 响应范围内，在最低频响点处的频率进行8次测试，并根据贝塞尔函数公式计算其测量重复性，测试结果如表1 所示。

表1 测量重复性Tab.1 Repeatability of measurement

从表1 分析数据中可以看出，该系统测量重复性小于1%。 本实验中采用的测试手段与Keysight溯源机构NIST 使用方法基本一致（NIST 使用空间光外差），数据准确可靠。

5 结束语

目前，国内对光电探测器频响测试仍局限在40GHz，在（40～67）GHz 频段主要针对其时域脉宽特性参数进行测试。 本文通过理论推导，得出光电探测器绝对频响计算公式，并自行构建光外差测试系统，对被测光电探测器频响参数进行测试，测试频宽高达67GHz；最后通过与N4373D 进行比对测试，验证系统的准确性与稳定性，系统测量偏差不大于0.8dB，测量重复性优于1%。