高速光電探測器測試系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀文獻(xiàn)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u50高速光電探測器測試系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀文獻(xiàn)綜述 1158401.1基于光外插法的高速器件測試方法 170941.2基于Nose-to-Nose標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)高速器件測試方法 284461.3基于采樣原理的高速器件測試方法 319066參考文獻(xiàn) 5隨著光電領(lǐng)域的快速發(fā)展，光學(xué)器件頻率也得到了快速的提高，所以對(duì)光學(xué)器件的測試也提出了更高的要求。就目前來說，光學(xué)器件的快速發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于當(dāng)前對(duì)其測試技術(shù)的發(fā)展，造成了器件頻率與器件測試頻率的不匹配，不能滿足科學(xué)研究以及應(yīng)用領(lǐng)域高速光電器件的測試要求[15]。歐美等國家研究院率先開展研究，進(jìn)行了高速器件瞬態(tài)上升時(shí)間參數(shù)的國家比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測器的測試工作。目前常用的三種方式是基于光外插法、基于Nose-to-Nose法、基于電光采樣法。1.1基于光外插法的高速器件測試方法基于光外差法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速光電器件的測試工作。光外插法的工作原理是利用兩個(gè)激光器產(chǎn)生的光，經(jīng)過耦合器合成后到被測的高速光電器件中，在高速器件中的光敏面會(huì)存在兩束光差，經(jīng)過調(diào)制所產(chǎn)生的電信號(hào)。電信號(hào)產(chǎn)生的頻率是由兩個(gè)激光器所產(chǎn)生的波長差所決定的?？梢越柚陬l譜分析儀對(duì)高速器件的信號(hào)進(jìn)行分析，原理如圖1-1所示[15]。圖1-1基于光外差法的高速器件測試原理Fig1-1Highspeedtestprinciplebasedonopticalheterodynemethod中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所朱興邦等[16]基于光外差法測試了高速光學(xué)器件，得到了光學(xué)器件的上升時(shí)間以及脈沖寬度，可以利用此種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)高速器件的測試，驗(yàn)證了光外插法可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件測試的可行性，并分析了偏振態(tài)和波長穩(wěn)定性對(duì)于測試結(jié)果的影響，具有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。針對(duì)光外差法測試滿足高速光學(xué)器件的測試需求，此種方法采用的是干涉信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而可以得到被測信號(hào)的物理量。由于干涉信號(hào)強(qiáng)度的變化對(duì)于結(jié)果影響是微乎其微的，可以提高光外插法的測量精度[17]?；诠馔獠宸ǖ母咚倨骷y試方法一種具有較好發(fā)展前景的測試方法，應(yīng)用的很廣泛，但是在采用光外差法進(jìn)行高速器件測試的時(shí)候，必須要采用相干性一致的激光器，能夠精準(zhǔn)穩(wěn)定的控制兩個(gè)激光器所產(chǎn)生的波長，但在實(shí)驗(yàn)中，只有信號(hào)光于本振光同時(shí)滿足一定的條件，才能實(shí)現(xiàn)。參考光與信號(hào)光的頻率也需要極為接近，對(duì)于外界環(huán)境要求極為苛刻，所以任何一個(gè)激光器任何參數(shù)的微小變化，都會(huì)影響信號(hào)的調(diào)制，最終不能得到很好的測試效果。1.2基于Nose-to-Nose標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)高速器件測試方法基于Nose-to-Nose（NTN）標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)高速器件測試方法的工作原理是利用兩臺(tái)性能一致的高速波形在裝置完成對(duì)高速器件的測試[17]?？梢圆捎谩発ick-out”的顯著特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速光電子設(shè)備的測試工作。借助于“kick-out”脈沖信號(hào)可以得到被測信號(hào)的顯著的信息從而完成校準(zhǔn)的工作。1990年，Hewllett-packard的學(xué)者Ken.Rush[18]在研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)取樣示波器進(jìn)行直流取樣的時(shí)候，在輸出端存在一個(gè)脈沖信號(hào)，并且脈沖信號(hào)包括了這臺(tái)取樣示波器的部分特征參數(shù)信息，并于此脈沖信號(hào)成比例關(guān)系。在1994年，Ken.Rush通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了此結(jié)論，并將在輸出端的脈沖稱為“kick-out”脈沖，并對(duì)此脈沖信號(hào)產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析[19]。NTN測試項(xiàng)目被研究證實(shí)之后，吸引了光電測試領(lǐng)域的眾多目光，眾多機(jī)構(gòu)與學(xué)者對(duì)此項(xiàng)技術(shù)開展研究，很快成為高速光電設(shè)備領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。眾多歐美國家加入了NTN技術(shù)研究工作中，做了充分的研究且獲得一些成果之后，得到了國家基金項(xiàng)目的支持，使其發(fā)展更上一個(gè)臺(tái)階。在高速光學(xué)器件的測試工作，NTN測試技術(shù)應(yīng)用的并未想象中的廣泛，所以此領(lǐng)域的學(xué)者針對(duì)基于NTN技術(shù)進(jìn)行測試的光學(xué)器件的不確定度進(jìn)行了分析[20]。經(jīng)過長時(shí)間的探索，我國在利用NTN技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)高速光學(xué)器件測試上也取得了眾多的成績。針對(duì)基于NTN技術(shù)的高速光學(xué)器件測試，北京工業(yè)大學(xué)的劉明亮教授[21]開展了NTN測試研究工作，通過多年的積累，大量的理論分析、數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，建立起來了比較完善的基于NTN技術(shù)的光學(xué)器件的測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高速光學(xué)器件的測試工作，并得到了中國計(jì)量科學(xué)的認(rèn)定，對(duì)不確定度進(jìn)行了分析，極大的推動(dòng)了光學(xué)器件測試領(lǐng)域的發(fā)展。除此之外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的林茂[22]教授也開展了基于NTN技術(shù)測試系統(tǒng)的研究工作，對(duì)“kick-out”脈沖信號(hào)產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。基于NTN技術(shù)的測試系統(tǒng)有著顯著的優(yōu)勢，其是一種自校準(zhǔn)的方法，不需要借助其他的校準(zhǔn)的設(shè)備，此外，采用NTN方法可以精準(zhǔn)的獲得被測示波器的信號(hào)參數(shù)信息，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，測試準(zhǔn)確度也比較高，被應(yīng)用到高速光電器件的校準(zhǔn)領(lǐng)域中。NTN技術(shù)被廣泛的應(yīng)用，但是并不是所有高速光電設(shè)備都可以采用NTN測試技術(shù)進(jìn)行測試。具體的原因如下：（1）NTN測試技術(shù)的使用是對(duì)具備特定結(jié)構(gòu)的取樣高速光電設(shè)備才能使用此種方法，此類采樣高速光電設(shè)備帶有是平衡取樣頭電路結(jié)構(gòu)[23]，并且只能對(duì)取樣示波器進(jìn)行測試，導(dǎo)致使用的高速光電設(shè)備非常具有局限性；（2）能夠使用NTN測試技術(shù)對(duì)光電設(shè)備進(jìn)行測試，要求取樣示波器具有與被測設(shè)備相差甚微的帶寬[24]。所以，NTN測試技術(shù)對(duì)于外界的要求過高，導(dǎo)致能采用NTN校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行測試的光電設(shè)備非常受限制。1.3基于采樣原理的高速器件測試方法基于電光采樣原理實(shí)現(xiàn)對(duì)高速光電探測器的測試工作，通過分光棱鏡或者分光器將光脈沖分為兩束，分為激勵(lì)光束和采樣光束。利用電光晶體的Pockels效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的調(diào)制，激發(fā)光束產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，此時(shí)就可以將電脈沖信號(hào)看成電光調(diào)制器的調(diào)制電壓，完成調(diào)制[25]；基于等效時(shí)間采樣原理，將采樣光通過光延時(shí)線對(duì)被測量的波形進(jìn)行采樣，再利用等效變換，將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l信號(hào)，即將難以測量的量轉(zhuǎn)變?yōu)橐子跍y量的量，從而降低被測信號(hào)的頻率，完成對(duì)高速光電器件的測試工作。在基于電光采樣原理實(shí)現(xiàn)對(duì)高速器件的測試的方法主要從以下兩個(gè)方面展開的：美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)以鉭酸鋰、鈮酸鋰等電光晶體作電光轉(zhuǎn)換，再利用適配矯正，完成對(duì)高速器件的測試，最終得到被測器件的特性參數(shù)[26]；還有一種測試的方式主要以歐洲的國家，例如德國物理技術(shù)研究院(PTB)和英國物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)，他們利用的是光導(dǎo)開光組成的高速器件測試系統(tǒng)，得到高速器件的物理特性。2003年，德國物理技術(shù)研究院率先完成了基于電光采樣原理的電場進(jìn)行了測試[27]；2005年，美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院利用電光晶體完成了對(duì)高速器件的測試，晶體的材料選擇的是鉭酸鋰，并且繪制了高速器件的測試波形，得到被測器件的參數(shù)特性[28,29]。在國內(nèi)也開展了對(duì)基于電光采樣原理對(duì)高速器件的測試研究工作，上世紀(jì)90年代，吉林大學(xué)、中科院長春、上海、西安光機(jī)所[30,31]對(duì)電光采樣技術(shù)開展了研究工作，對(duì)低頻的器件進(jìn)行了測試；天津大學(xué)在此領(lǐng)域也有所進(jìn)展，得到了器件的測試波形以及測試參數(shù)；在本世紀(jì)，中國計(jì)量院大力開展了高速器件測試工作的研究[32]，在2014年2月中國計(jì)量科學(xué)研究院完成基于電光采樣原理的高速光電探測器測試系統(tǒng)，完成了對(duì)高速器件的測試工作?；诔咚匐姽獠蓸蛹夹g(shù)相比于其他的技術(shù)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，高準(zhǔn)確度、高帶寬、可以同時(shí)對(duì)時(shí)域和頻域進(jìn)行測試，高空間分辨力，受外界壞境影響小，可以對(duì)多種高速光電器件進(jìn)行測試，例如光電探測器、光電探針、示波器等。可以依據(jù)基于電光采樣原理完成高速光電探測器測試系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)高速光電器件的測試。隨著光電探測器頻率的提高，對(duì)其的測試要求也越來越高，傳統(tǒng)的測試方式已經(jīng)變得不再適用，需要發(fā)展高帶寬、高靈敏度的測試技術(shù)已迫在眉睫。基于電光采樣原理的光電探測器測試系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)測量方法，該技術(shù)穩(wěn)定性好，受到外界影響小。將電光調(diào)制器應(yīng)用到光電探測器測試系統(tǒng)中，完成對(duì)高速光電探測器的測試。因此將對(duì)基于共面波導(dǎo)的電光調(diào)制器及其在光電探測器測試系統(tǒng)的應(yīng)用開展研究。參考文獻(xiàn)[1]劉維紅,周六可,姜偉.基于柔性LCP基板微帶線的微波特性研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2018,8(6):60-63.[2]張磊.共面波導(dǎo)與微帶線無通孔轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)[D].江蘇:南京郵電大學(xué),2013.[3]ShaoY,GallawaR.Fiberbandwidthmeasurementusingpulsespectrumanalysis[J].ApplyOpt,1986,25(7):1069-1071.[4]WHeinrich.Quasi-TEMdescriptionofMMICcoplanarlinesincludingconductor-losseffects[J].IEEETransMicrowaveTheoryTech41,1993,45-52.[5]安靜,武俊峰,吳一輝,等.使用防護(hù)帶抑制微帶線間串?dāng)_的研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011.[6]劉海文,李征帆,孫曉瑋,等.一種新穎的蝴蝶結(jié)形缺陷接地結(jié)構(gòu)[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2004,8(6):60-63.[7]WenC.P.CoplanarWaveguidedirectionalcouplers.IEEETrans.MTT.1970,18(7)：318-322.[8]王云才,王賢華,胡巍.基于半導(dǎo)體激光器的皮秒非接觸電光采樣系統(tǒng)[J].中國激光,1996,5(12):1097-1099.[9]G.Ghione,M.Goana,G.Omegna.Microwavemodelingandcharacterizationofthickcoplanarwaveguidesonoxide-coatedlithiumniobatesubstatesforelectro-opticalapplication.IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.1996,2287-2293.[10]WahHui,KinSeng,Chiangetal.Electrodeoptimizationforhigh-speedtraveling-waveintegratedopticmodulators[J].LightwaveTechnology,1998,12(2):232-238.[11]曾山.光調(diào)制器中的共面波導(dǎo)電極結(jié)構(gòu)分析[D].四川:電子科技大學(xué),2003.[12]W.Heinrich.Full-waveanalysisofconductorlossesonMMICTransmissionLines[J].IEEETransMicrowaveTheory,1990,1468–1472.[13]陳鵬,房少軍.基于時(shí)域有限差分法計(jì)算共面波導(dǎo)的特性阻抗[J].大連海事大學(xué)報(bào),2005,3:74-76.[14]呂元杰,宋旭波,何澤召.基于Al2O3介質(zhì)的Ga2O3MOSFET器件制備研究[J].無機(jī)材料學(xué)報(bào),2018,9(1):976-980.[15]R.ThomasHawkins,MichaelD.Comparisonoffastphotodectorresponsemeasurementsbyopticalbetcrodyneandpulseresponsetechnique[J].IEEELightwaveTechnol,1991,9(10):1289-1294[16]朱興邦.基于光外差法的寬帶示波器濾波器頻響測試技術(shù)研究[J].宇航計(jì)測技