一种光电探测器高频响应度测量方法、系统及相关装置

文献发布时间：2024-07-23 01:35:21

技术领域

本发明涉及光电探测器参数测量技术领域，特别是涉及一种光电探测器高频响应度测量方法、系统及相关装置。

背景技术

光电探测器是光纤通信、光电传感、电子侦查和防御等系统中的核心器件，用于光电转换，其核心参数有工作带宽、不同波长下的响应度和不同频率下的响应度等。针对不同频率下的响应度这一参数，利用高频响应度好的光电探测器，在同样的调制光源下，可以获得更高信噪比的电信号，或者探测更远的距离。同时在相同的传输距离上，高频响应度好的光电探测器可以探测更弱的光信号，极大提高系统的信噪比、灵敏度和动态范围，实现高频调制光信号的高质量探测。因此，高频响应度对于光电探测器来说，是需要更加重视、研究和测试的关键参数，决定了系统信噪比、传输距离以及目标探测能力等，对系统性能的提高和优化起着至关重要的作用。

对于光电探测器的高频响应度测试，研究学者提出了多种方案，如中国发明专利CN106501601A、CN107741525B以及期刊文献“刘超,费丰,王少水,等.基于光外差的光电探测器绝对频响测试技术研究[J].宇航计测技术”等公开的高频响应度测试方案。然而目前已有的这些测试方法主要存在着系统中非信号光影响、测量频率范围受限或器件配置要求很高的问题。因此，亟须进一步对光电探测器高频响应度的测试方法进行研究，以克服现有高频响应度测量方法的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种光电探测器高频响应度测量方法、系统及相关装置，可避免光电探测器高频响应度测量中的非信号光影响、测量频率范围受限或器件配置要求很高的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一方面，本发明提供了一种光电探测器高频响应度测量方法，包括以下步骤：

获取一固定低频信号和一微波高频信号，利用固定低频信号包络调制微波高频信号，得到包络调制信号。固定低频信号的频率接近于直流电源的工作频率。

利用包络调制信号，在处于非线性传输点工作模式的电光强度调制器中对稳定光源输出的光信号进行调制，得到光调制信号。

将光调制信号输入到被测光电探测器中进行光电转换，得到光电转换信号，并根据光电转换信号中所需频率分量的功率值计算得到被测光电探测器的高低频相对响应度比值。

获取未调制光信号的功率值、未调制光电转换信号的电压值和被测光电探测器的噪声电信号的电压值，计算得到被测光电探测器的低频响应度；未调制光信号为未经过包络调制信号调制的光信号；未调制光电转换信号为未调制光信号经过被测光电探测器的光电转换后得到的电信号；噪声电信号为稳定光源无输出时，被测光电探测器输出的电信号。

根据高低频相对响应度比值和低频响应度，计算得到被测光电探测器的高频响应度。

可选地，利用包络调制信号，在处于非线性传输点工作模式的电光强度调制器中对稳定光源输出的光信号进行调制，得到光调制信号，具体包括以下步骤：

调节电光强度调制器偏置输入端的电压，使得电光强度调制器处于非线性传输点工作模式。

利用包络调制信号，对稳定光源输出的光信号进行调制，得到光调制信号。

可选地，将光调制信号输入到被测光电探测器中进行光电转换，得到光电转换信号，并根据光电转换信号中所需频率分量的功率值计算得到被测光电探测器的高低频相对响应度比值，具体包括以下步骤：

将光调制信号输入到被测光电探测器中进行光电转换，得到光电转换信号。

将光电转换信号输入到频谱测量单元中，得到低频分量功率值和高频分量功率值。

根据高频分量功率值和低频分量功率值，计算得到被测光电探测器的高低频相对响应度比值。

可选地，根据下式计算得到被测光电探测器的高低频相对响应度比值：

其中，R

可选地，根据下式计算得到被测光电探测器的低频响应度：

其中，R(ω

可选地，根据下式计算得到被测光电探测器的高频响应度：

其中，R(2ω

另一方面，本发明还提供了一种光电探测器高频响应度测量系统，光电探测器高频响应度测量系统用于实现前文所述的光电探测器高频响应度测量方法。

光电探测器高频响应度测量系统包括：稳定光源、信号发生器、电光强度调制器、被测光电探测器和处理及控制单元。

稳定光源，与电光强度调制器的光信号输入端连接，用于产生光信号并将光信号输入到电光强度调制器中。

信号发生器，与电光强度调制器的电信号输入端连接，用于获取一固定低频信号和一微波高频信号，并利用固定低频信号包络调制微波高频信号，得到包络调制信号，将包络调制信号输入到电光强度调制器中。固定低频信号的频率接近于直流电源的工作频率。

电光强度调制器，用于在处于非线性传输点工作模式时，利用包络调制信号，对稳定光源输出的光信号进行调制，得到光调制信号。

被测光电探测器，与电光强度调制器的光信号输出端连接，用于获取光调制信号，并对光调制信号进行光电转换，得到光电转换信号。

处理及控制单元，与信号发生器连接，用于：控制信号发生器产生包络调制信号；获取光电转换信号中所需频率分量的功率值，并根据光电转换信号中所需频率分量的功率值计算得到被测光电探测器的高低频相对响应度比值；获取未调制光信号的功率值、未调制光电转换信号的电压值和被测光电探测器的噪声电信号的电压值，并根据未调制光信号的功率值、未调制光电转换信号的电压值和被测光电探测器的噪声电信号的电压值，计算得到被测光电探测器的低频响应度；根据高低频相对响应度比值和低频响应度，计算得到被测光电探测器的高频响应度；未调制光信号为未经过包络调制信号调制的光信号；未调制光电转换信号为未调制光信号经过被测光电探测器的光电转换后得到的电信号；噪声电信号为稳定光源无输出时，被测光电探测器输出的电信号。

可选地，还包括：稳压源。

稳压源，与电光强度调制器的偏置输入端连接，用于调控电光强度调制器偏置输入端的电压，使得电光强度调制器处于非线性传输点工作模式。

可选地，还包括：频谱测量单元、光纤功率计和电压测量单元。

频谱测量单元，分别与被测光电探测器和处理及控制单元连接，用于测量光电转换信号中所需频率分量的功率值。

光纤功率计，分别与电光强度调制器的光信号输出端和处理及控制单元连接，用于测量未调制光信号的功率值。

电压测量单元，分别与被测光电探测器和处理及控制单元连接，用于测量未调制光电转换信号的电压值和被测光电探测器的噪声电信号的电压值。

再另一方面，本发明提供了一种计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述任一项所述的一种光电探测器高频响应度测量方法的步骤或实现上述任一项所述的一种光电探测器高频响应度测量系统的功能。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种光电探测器高频响应度测量方法、系统及相关装置，方法包括以下步骤：利用一固定低频信号包络调制一微波高频信号，得到包络调制信号，然后利用该包络调制信号，在处于非线性传输点工作模式的电光强度调制器中对稳定光源输出的光信号进行调制，之后输入到被测光电探测器中进行光电转换，得到光电转换信号，测量光电转换信号中所需频率分量的功率值并据此计算得到被测光电探测器的高低频相对响应度比值，随后计算得到被测光电探测器的低频响应度；即可根据高低频相对响应度比值和低频响应度，准确计算得到被测光电探测器的高频响应度。本发明并不直接去测量产生高频电信号时对应的光探测信号，而是利用高低频相对响应度比值结合低频响应度的方式完成对高频响应度的测量，避免了直接测量时非信号光的影响；然后由于利用工作在非线性传输点的电光强度调制器的非线性电光混频原理扩展了测量频率范围，使得测量范围相对于微波调制频率范围扩展了两倍，实现了宽带测量；此外，本方案仅仅使用一个激光器，同时还降低了电光强度调制器的带宽要求，使得测试系统结构更加简单、节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种光电探测器高频响应度测量方法的流程图；

图2为本发明实施例1提供的一种光电探测器高频响应度测量方法中步骤A4的具体流程图；

图3为本发明实施例2提供的一种光电探测器高频响应度测量系统的结构示意图；

图4为本发明实施例3提供的一种计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种光电探测器高频响应度测量方法、系统及相关装置，旨在解决光电探测器高频响应度测量中的非信号光影响、测量频率范围受限或器件配置要求很高的缺陷。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示的流程图，本实施例中的一种光电探测器高频响应度测量方法，包括以下步骤：

A1、获取一固定低频信号和一微波高频信号。本实施例中，产生一个固定低频信号，频率为ω

A2、利用固定低频信号包络调制微波高频信号，得到包络调制信号。本实施例中，利用信号发生器的包络调制功能，将固定低频信号ω

A3、利用包络调制信号，在处于非线性传输点工作模式的电光强度调制器中对稳定光源输出的光信号进行调制，得到光调制信号。

步骤A3具体包括以下步骤：

A31、调节电光强度调制器偏置输入端的电压，使得电光强度调制器处于非线性传输点工作模式。本实施例中，通过调节稳压源输出的电压值，使得电光强度调制器工作在非线性传输点(最大传输点或者最小传输点)，利用了电光强度调制器的非线性电光混频原理，在光电转换后，即可产生加载电信号分量的和频、差频或者2倍频等。

A32、利用包络调制信号，对稳定光源输出的光信号进行调制，得到光调制信号。

A4、将光调制信号输入到被测光电探测器中进行光电转换，得到光电转换信号，并根据光电转换信号中所需频率分量的功率值计算得到被测光电探测器的高低频相对响应度比值。如图2所示的流程图，步骤A4具体包括以下步骤：

A41、将光调制信号输入到被测光电探测器中进行光电转换，得到光电转换信号。

A42、将光电转换信号输入到频谱测量单元中，得到低频分量功率值和高频分量功率值。步骤A41得到光电转换信号后，将得到的电信号输入到频谱测量单元，分别测量频率分量ω

A43、根据高频分量功率值和低频分量功率值，计算得到被测光电探测器的高低频相对响应度比值。具体来说，本实施例中根据式(1)计算得到被测光电探测器的高低频相对响应度比值：

其中，R

A5、获取未调制光信号的功率值、未调制光电转换信号的电压值和被测光电探测器的噪声电信号的电压值。其中，未调制光信号为未经过包络调制信号调制的光信号；未调制光电转换信号为未调制光信号经过被测光电探测器的光电转换后得到的电信号；噪声电信号为稳定光源无输出时，被测光电探测器输出的电信号。

具体来说，本实施例中首先关闭产生包络调制信号的信号发生器，无电信号加载在电光强度调制器上，即电光强度调制器不存在电光混频效应，只有衰减光功率的作用，然后利用光纤功率计测量电光强度调制器输出的光信号的光功率为P

A6、根据未调制光信号的功率值、未调制光电转换信号的电压值和被测光电探测器的噪声电信号的电压值，计算得到被测光电探测器的低频响应度。具体来说，本实施例中根据式(2)计算得到被测光电探测器的低频响应度：

其中，R(ω

A7、根据高低频相对响应度比值和低频响应度，计算得到被测光电探测器的高频响应度。具体来说，本实施例中根据式(3)计算得到被测光电探测器的高频响应度：

其中，R(2ω

详细的数学分析和理论推导如下所述，一个固定低频信号ω

其中，ω

稳定光源输出光信号到电光强度调制器中，包络调制信号加载在电光强度调制器上，输出的光调制信号表示为式(5)所示：

其中，E

其中，V

随后，光调制信号入射到被测光电探测器中进行光电转换，得到电信号，并进行贝塞尔函数展开如式(8)所示：

其中，J

将上述得到的电信号输入到频谱测量单元，得到频率分量ω

此时，调节稳压源的电压V

根据上述式(9)和式(10)即可得到被测光电探测器在频率2ω

为了得到被测光电探测器的低频响应度R(ω

因为本方法中频率ω

接下来以一个具体的例子来说明本实施例提供的一种光电探测器高频响应度测量方法的效果：

首先，稳定光源输出光信号到电光强度调制器中，利用处理及控制单元设置信号发生器的内部源输出一个低频信号，频率为50kHz(f

然后，利用信号发生器的包络调制功能，使得固定低频信号包络调制微波高频信号，产生了包络调制信号，加载在电光强度调制器上，对光信号进行调制，调节稳压源的输出电压为6.07V，使得电光强度调制器工作在最大传输点，然后将调制后的光信号输入到被测光电探测器中进行光电转换。输出的电信号输入到频谱测量单元，分别测量频率分量50kHz(f

再然后，关闭信号发生器，通过光纤功率计测量电光强度调制器输出的光信号的光功率P

最后，根据被测光电探测器在50kHz(f

本实施例提出了一种光电探测器高频响应度测量方法，针对传统的对于光电探测器高频响应度的测试方法主要存在着系统中非信号光的影响、测量频率范围受限或者器件配置要求很高的问题，本实施例提供的方法并不直接去测量产生高频电信号时对应的光探测信号，首先利用相对响应度结合低频响应度的方式避免了非信号光的影响，与光探测信号无关；然后利用了电光强度调制器的非线性效应，使得光电转换后，获得了加载电信号分量的和频，即加载的电信号分量分别是ω

实施例2

对应于实施例1的光电探测器高频响应度测量方法，本实施例提出了一种光电探测器高频响应度测量系统，如图3所示的结构图，该系统包括：稳定光源、稳压源、频谱测量单元、光纤功率计和电压测量单元、信号发生器、电光强度调制器、被测光电探测器和处理及控制单元。

稳定光源，与电光强度调制器的光信号输入端连接，用于产生光信号并将光信号输入到电光强度调制器中。

电光强度调制器，用于在处于非线性传输点工作模式时，利用包络调制信号，对稳定光源输出的光信号进行调制，得到光调制信号。

被测光电探测器，与电光强度调制器的光信号输出端连接，用于获取光调制信号，并对光调制信号进行光电转换，得到光电转换信号。

稳压源，与电光强度调制器的偏置输入端连接，用于调控电光强度调制器偏置输入端的电压，使得电光强度调制器处于非线性传输点工作模式。

频谱测量单元，分别与被测光电探测器和处理及控制单元连接，用于测量光电转换信号中所需频率分量的功率值。

光纤功率计，分别与电光强度调制器的光信号输出端和处理及控制单元连接，用于测量未调制光信号的功率值。

电压测量单元，分别与被测光电探测器和处理及控制单元连接，用于测量未调制光电转换信号的电压值和被测光电探测器的噪声电信号的电压值。

利用本实施例提供的一种光电探测器高频响应度测量系统，可实现实施例1所述的光电探测器高频响应度测量方法，具体数学分析和理论推导，以及具体算例与实施例1的记载相同。

实施例3

一种计算机设备，该计算机设备可以是数据库，其内部结构图可以如图4所示。该计算机设备包括处理器、存储器、输入/输出接口(Input/Output，简称I/O)和通信接口。其中，处理器、存储器和输入/输出接口通过系统总线连接，通信接口通过输入/输出接口连接到系统总线。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储待处理事务。该计算机设备的输入/输出接口用于处理器与外部设备之间交换信息。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现实施例1中的一种光电探测器高频响应度测量方法的步骤或实现上述实施例2中所述的一种光电探测器高频响应度测量系统的功能。

需要说明的是，本发明所涉及的对象信息(包括但不限于对象设备信息、对象个人信息等)和数据(包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等)，均为经对象授权或者经过各方充分授权的信息和数据，且相关数据的收集、使用和处理需要遵守相关国家和地区的相关法律法规和标准。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive RandomAccess Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric RandomAccess Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static RandomAccess Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccessMemory，DRAM)等。本发明所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本发明所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

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该技术已申请专利。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
专利发明人：
专利申请人：中国测试技术研究院;