基于聲光調制技術的光電探測器響應帶寬測量方法

楊帆，王心亮，阮軍，張首剛

(1.中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2.中國科學院 時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；3.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

光電探測技術是光信息科學的主要技術手段之一，它廣泛應用于基礎科研、軍事技術和日常生活的各個領域[1]。光電探測器將光信號轉換成方便測量的電信號，繼而實現對被測信號的監測與處理。響應帶寬是描述光電探測器頻率響應特性[2]的最主要參數之一。

目前對光電探測器帶寬的測量方法主要是基于光纖光路的光外差法[3]，該方法利用兩束激光進行拍頻，光電探測器探測兩束光的差頻分量。固定一束激光的頻率，對另一束激光的頻率進行掃描，得到被測光電探測器的頻率響應曲線，通過計算獲得光電探測器的響應帶寬。在銫原子噴泉鐘實驗中，探測熒光信號的探測器往往增益較大，響應帶寬在百赫茲量級，有的只有十幾赫茲，受激光線寬的限制，光外差法不易實現對探測器響應帶寬的測量。

本文通過聲光調制方式對激光信號進行功率調制，應用光電探測器對調制激光信號進行探測，而后對探測波形進行傅里葉頻譜分析[4]，可以得到光電探測器的響應帶寬。該方法測量原理及實驗過程較為簡單，對于10 kHz以下低響應頻率光電探測器，能準確地實現響應帶寬的測量。

1 理論研究

響應帶寬是指光電探測器可探測的頻率范圍，帶寬越寬，表明光電探測器對各種頻率調制光信號的響應能力就越強。為了更好地表示光電探測器對頻率的動態響應能力[5]，通常可在時域或頻域中對其進行分析[6-7]，而頻域分析方法在檢測領域中更有優勢，可以更加容易地獲得光電探測器的響應帶寬。

光電探測器的響應帶寬一般用-3 dB帶寬來表示[3]，是指功率降為最大值一半時對應的頻帶寬度。研究光電探測器響應帶寬，即是了解探測器對各種頻率信號的響應程度。實際應用中，光電探測器對探測信號的響應大多表現在對高頻信號響應的衰減上，因此大多數光電探測器通過計算或測量其上限截止頻率[8]即可獲得其響應帶寬。在光電探測器電路中，光電二極管的PN結間會形成結電容，該電容及探測電路其他電容會與取樣電阻形成一個回路，電容與取樣電阻的大小，會共同決定光電探測器的響應帶寬[9]:

(1)

式(1)中，R為取樣電阻阻值，C為光電二極管結電容和電阻R的分布電容以及導線分布電容之和[10]。

在實際應用中，對于多數光電探測器，例如購買的光電探測器，其電路為一成品電路，電路中電容、電阻等參數無法精確獲知，因此無法進行理論計算。就這些情況而言，用實驗的方法來測量光電探測器響應帶寬是一種既準確又實用的技術。

實驗中對光電探測器響應帶寬的測量基于聲光調制技術，運用到的關鍵器件即為聲光調制器(acousto-optic modulator，AOM)，其工作原理基于聲光效應[11]。利用聲光調制技術對光電探測器響應帶寬進行測量，需要將控制信號以振幅調制方式加載到射頻載波上，調幅信號經電-聲換能器將電功率轉換為聲功率在聲光介質中產生超聲波，入射光波與介質內超聲波經聲光互作用后發生衍射現象，衍射光光強受到超聲驅動功率調制，從而使得衍射效率在一定范圍內受到射頻驅動信號電功率的線性調制[12]，其衍射效率為[13]

(2)

式(2)中，Io為入射光強，Id為衍射光強,L為聲束寬度，M為材料的品質因數，Is為理想情況下所需要的聲強度。

激光通過聲光調制器會發生光束偏轉。衍射角與聲頻在一定范圍內存在比例關系，可以通過改變聲頻來改變衍射角，促使光束發生偏轉。當聲波頻率為Ω時，衍射光與入射光之間的夾角為[13]

(3)

式(3)中，λ為光波長，n為介質折射率，V為聲速。

各高級衍射光將互相抵消，只出現0級和±1級衍射光。利用光闌可以將0級與其中一級衍射光遮擋，得到另一級按驅動信號頻率變化的調制光，并被探測器探測。實驗過程中通過對聲光調制器射頻驅動信號功率和頻率等的調節，可實現對激光束的強度調制和角度偏轉。

2 實驗研究

實驗研究中所用光電探測器是基于銫原子噴泉鐘工作系統研制的光電探測器，它主要由光電二極管與前后兩級放大電路組成，該光電探測器可以通過改變前級放大電路中采樣電阻阻值，進而改變整個光電探測器的增益、帶寬等參數。

實驗中分別對不同采樣電阻下光電探測器的響應帶寬進行了測量。本文以采樣電阻阻值R=10 MΩ與R=20 MΩ情況下的探測器為例，進行光電探測器響應帶寬的測量與分析。

實驗光路原理如圖1所示。基于銫原子噴泉鐘光學系統，采用TOPTICA激光器，產生波長為852 nm的激光。激光通過光纖注入到準直器，而后經衰減片將光功率進行一定比例的衰減，再經兩個耦合鏡對激光束進行調節，使激光束通過聲光調制器進行調制，調制后只讓其中一級衍射光通過光闌，最后被光電探測器探測，其他級衍射光均被光闌遮擋。為減小外部環境對測量過程的影響，整個實驗過程在遮光環境中進行。

圖1 實驗光路原理圖

實驗中用到3個信號源，信號源1輸出10～500 Hz的掃頻信號，信號源2產生1 Hz的方波信號，信號源3輸出80 MHz的正弦波信號。由于測量光電探測器響應帶寬需要用到一個寬帶信號源，實驗中用信號源輸出掃頻信號來滿足該實驗需求，但現有信號源輸出掃頻信號的下限為10 Hz，故用該信號源1輸出10～500 Hz掃頻信號對激光進行調制；信號源2用來產生方波信號，用該信號作為信號源1掃頻信號的觸發信號；信號源3產生的正弦波信號作為掃頻信號的載波信號，同時驅動聲光調制器穩定工作。

光電探測器探測的是激光光強的變化，但信號源提供的是信號頻率的變化。因此光路設計中引入衰減器，按頻率變化的掃頻信號經衰減器后變為按幅度變化的電壓信號，并加載到80 MHz載波信號上，作為聲光調制器的射頻驅動信號。射頻驅動信號作用于聲光調制器，可以相應地控制其衍射光的輸出功率，使衍射光成為可傳輸信息的強度調制波[12]。最后，將聲光調制器的-1級衍射光束作為輸出信號，即光電探測器的探測光信號。在該實驗中，激光器功率波動小于3%，掃描頻率從10～500 Hz之間的變化過程中，AOM輸入端功率會略有波動，但波動幅度遠小于調制深度，不會影響到光電探測器的輸出強度。

3 實驗結果及分析

實驗中首先對調制信號進行探測，了解其波形。而后用光電探測器對入射調制激光信號進行探測，用示波器記錄探測器的響應波形及相應數據，用Origin軟件繪制時域響應圖(如圖2和圖3(a)所示)，并對時域圖進行傅里葉分析，得到頻域響應圖(如圖2和圖3(b)所示)。由于調制信號源產生的掃頻信號低頻由10 Hz開始，圖中對應的10 Hz以下低頻成分不符合要求，且經理論分析可知不會對實驗結果產生影響，故舍去即可。對頻域響應圖進行分析，當頻域曲線值下降為最大值一半時所對應的頻率值為-3 dB帶寬，即光電探測器的響應帶寬。

圖2和3中分別列出取樣電阻為10 MΩ與20 MΩ時光電探測器響應的時域圖與頻域圖，分別對圖2(b)和圖3(b)頻域響應曲線進行分析可知，當光電探測器取樣電阻為10 MΩ時，其響應帶寬約為270 Hz；當光電探測器取樣電阻為20 MΩ時，其響應帶寬約為130 Hz。

圖2 R=10 MΩ探測器響應圖

圖3 R=20 MΩ探測器響應圖

基于實驗中所測光電探測器電路，在該電路中，影響探測器響應帶寬的主要因素為取樣電阻R、光電二極管結電容與補償電容總和C，因此在理論分析中只考慮上述因素對光電探測器響應帶寬的影響即可。分析該光電探測器電路原理圖，光電二極管結電容與補償電容總和約為60 pF，響應帶寬大小隨取樣電阻阻值變化，代入公式(1)進行理論計算，當光電探測器前級放大電路中取樣電阻為10 MΩ時，探測器的響應帶寬理論計算值約為265 Hz，取樣電阻為20 MΩ時的響應帶寬理論值約為133 Hz，實驗結果與該理論計算值接近，同理可計算出取樣電阻為其他阻值時的探測器響應帶寬。

根據響應帶寬的計算公式(1)，繪制如圖4所示的響應帶寬與取樣電阻理論關系曲線(二者成反比關系)。同時將實驗中分別對取樣電阻R取1,10,20和100 MΩ時對應探測器響應帶寬實驗結果繪制于圖中。經分析可知，實驗點基本落在理論曲線上，即實驗值與理論值較為符合。由此可知，通過該實驗方法可以較準確地進行光電探測器響應帶寬的測量。

圖4 響應帶寬與取樣電阻關系曲線

4 結語

本文分析了聲光調制技術的基本原理，并運用該原理對應的方法進行光電探測器響應帶寬的測量。先通過信號源產生一定頻率范圍的掃頻信號，再通過衰減器將掃頻調制信號加載到載波信號上驅動聲光調制器工作，利用聲光調制技術對激光進行調制，并用光電探測器對調制后的激光信號進行探測，可以很好地通過示波器觀察和測量光電探測器對不同頻率信號的響應程度，繼而通過傅里葉頻譜分析結果得到光電探測器的響應帶寬。實驗中對不同取樣電阻下的光電探測器響應帶寬進行了測量，均能較好地分析得到光電探測器對應的響應帶寬，而且與理論計算值較為接近。但由于目前實驗所用儀器及器件參數限制，該方法僅限10 kHz以下低頻光電探測器響應帶寬的測量。本實驗以銫原子噴泉鐘光學系統工作平臺為背景，進行該光電探測器的響應帶寬研究，得到很好的實驗結果。同樣，該實驗也適用于其他領域光電探測器的研究。該方法是一種通過激光調制技術得到光電探測器響應帶寬的新的實驗手段。