楊帆，王心亮，阮軍，張首剛

(1.中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

光電探測技術(shù)是光信息科學(xué)的主要技術(shù)手段之一，它廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科研、軍事技術(shù)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域[1]。光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成方便測量的電信號(hào)，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測信號(hào)的監(jiān)測與處理。響應(yīng)帶寬是描述光電探測器頻率響應(yīng)特性[2]的最主要參數(shù)之一。

目前對(duì)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(jìn)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(duì)另一束激光的頻率進(jìn)行掃描，得到被測光電探測器的頻率響應(yīng)曲線，通過計(jì)算獲得光電探測器的響應(yīng)帶寬。在銫原子噴泉鐘實(shí)驗(yàn)中，探測熒光信號(hào)的探測器往往增益較大，響應(yīng)帶寬在百赫茲量級(jí)，有的只有十幾赫茲，受激光線寬的限制，光外差法不易實(shí)現(xiàn)對(duì)探測器響應(yīng)帶寬的測量。

本文通過聲光調(diào)制方式對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)制，應(yīng)用光電探測器對(duì)調(diào)制激光信號(hào)進(jìn)行探測，而后對(duì)探測波形進(jìn)行傅里葉頻譜分析[4]，可以得到光電探測器的響應(yīng)帶寬。該方法測量原理及實(shí)驗(yàn)過程較為簡單，對(duì)于10 kHz以下低響應(yīng)頻率光電探測器，能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)響應(yīng)帶寬的測量。

1 理論研究

響應(yīng)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(duì)各種頻率調(diào)制光信號(hào)的響應(yīng)能力就越強(qiáng)。為了更好地表示光電探測器對(duì)頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力[5]，通常可在時(shí)域或頻域中對(duì)其進(jìn)行分析[6-7]，而頻域分析方法在檢測領(lǐng)域中更有優(yōu)勢，可以更加容易地獲得光電探測器的響應(yīng)帶寬。

光電探測器的響應(yīng)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(shí)對(duì)應(yīng)的頻帶寬度。研究光電探測器響應(yīng)帶寬，即是了解探測器對(duì)各種頻率信號(hào)的響應(yīng)程度。實(shí)際應(yīng)用中，光電探測器對(duì)探測信號(hào)的響應(yīng)大多表現(xiàn)在對(duì)高頻信號(hào)響應(yīng)的衰減上，因此大多數(shù)光電探測器通過計(jì)算或測量其上限截止頻率[8]即可獲得其響應(yīng)帶寬。在光電探測器電路中，光電二極管的PN結(jié)間會(huì)形成結(jié)電容，該電容及探測電路其他電容會(huì)與取樣電阻形成一個(gè)回路，電容與取樣電阻的大小，會(huì)共同決定光電探測器的響應(yīng)帶寬[9]:

(1)

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

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于多數(shù)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(shù)無法精確獲知，因此無法進(jìn)行理論計(jì)算。就這些情況而言，用實(shí)驗(yàn)的方法來測量光電探測器響應(yīng)帶寬是一種既準(zhǔn)確又實(shí)用的技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)光電探測器響應(yīng)帶寬的測量基于聲光調(diào)制技術(shù)，運(yùn)用到的關(guān)鍵器件即為聲光調(diào)制器(acousto-optic modulator，AOM)，其工作原理基于聲光效應(yīng)[11]。利用聲光調(diào)制技術(shù)對(duì)光電探測器響應(yīng)帶寬進(jìn)行測量，需要將控制信號(hào)以振幅調(diào)制方式加載到射頻載波上，調(diào)幅信號(hào)經(jīng)電-聲換能器將電功率轉(zhuǎn)換為聲功率在聲光介質(zhì)中產(chǎn)生超聲波，入射光波與介質(zhì)內(nèi)超聲波經(jīng)聲光互作用后發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射光光強(qiáng)受到超聲驅(qū)動(dòng)功率調(diào)制，從而使得衍射效率在一定范圍內(nèi)受到射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)電功率的線性調(diào)制[12]，其衍射效率為[13]

(2)

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

激光通過聲光調(diào)制器會(huì)發(fā)生光束偏轉(zhuǎn)。衍射角與聲頻在一定范圍內(nèi)存在比例關(guān)系，可以通過改變聲頻來改變衍射角，促使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)聲波頻率為Ω時(shí)，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(zhì)折射率，V為聲速。

各高級(jí)衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級(jí)和±1級(jí)衍射光。利用光闌可以將0級(jí)與其中一級(jí)衍射光遮擋，得到另一級(jí)按驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率變化的調(diào)制光，并被探測器探測。實(shí)驗(yàn)過程中通過對(duì)聲光調(diào)制器射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率和頻率等的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束的強(qiáng)度調(diào)制和角度偏轉(zhuǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)研究中所用光電探測器是基于銫原子噴泉鐘工作系統(tǒng)研制的光電探測器，它主要由光電二極管與前后兩級(jí)放大電路組成，該光電探測器可以通過改變前級(jí)放大電路中采樣電阻阻值，進(jìn)而改變整個(gè)光電探測器的增益、帶寬等參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)不同采樣電阻下光電探測器的響應(yīng)帶寬進(jìn)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(jìn)行光電探測器響應(yīng)帶寬的測量與分析。

實(shí)驗(yàn)光路原理如圖1所示?；阡C原子噴泉鐘光學(xué)系統(tǒng)，采用TOPTICA激光器，產(chǎn)生波長為852 nm的激光。激光通過光纖注入到準(zhǔn)直器，而后經(jīng)衰減片將光功率進(jìn)行一定比例的衰減，再經(jīng)兩個(gè)耦合鏡對(duì)激光束進(jìn)行調(diào)節(jié)，使激光束通過聲光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后只讓其中一級(jí)衍射光通過光闌，最后被光電探測器探測，其他級(jí)衍射光均被光闌遮擋。為減小外部環(huán)境對(duì)測量過程的影響，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在遮光環(huán)境中進(jìn)行。

圖1 實(shí)驗(yàn)光路原理圖

實(shí)驗(yàn)中用到3個(gè)信號(hào)源，信號(hào)源1輸出10～500 Hz的掃頻信號(hào)，信號(hào)源2產(chǎn)生1 Hz的方波信號(hào)，信號(hào)源3輸出80 MHz的正弦波信號(hào)。由于測量光電探測器響應(yīng)帶寬需要用到一個(gè)寬帶信號(hào)源，實(shí)驗(yàn)中用信號(hào)源輸出掃頻信號(hào)來滿足該實(shí)驗(yàn)需求，但現(xiàn)有信號(hào)源輸出掃頻信號(hào)的下限為10 Hz，故用該信號(hào)源1輸出10～500 Hz掃頻信號(hào)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制；信號(hào)源2用來產(chǎn)生方波信號(hào)，用該信號(hào)作為信號(hào)源1掃頻信號(hào)的觸發(fā)信號(hào)；信號(hào)源3產(chǎn)生的正弦波信號(hào)作為掃頻信號(hào)的載波信號(hào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器穩(wěn)定工作。

光電探測器探測的是激光光強(qiáng)的變化，但信號(hào)源提供的是信號(hào)頻率的變化。因此光路設(shè)計(jì)中引入衰減器，按頻率變化的掃頻信號(hào)經(jīng)衰減器后變?yōu)榘捶茸兓碾妷盒盘?hào)，并加載到80 MHz載波信號(hào)上，作為聲光調(diào)制器的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)。射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用于聲光調(diào)制器，可以相應(yīng)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(qiáng)度調(diào)制波[12]。最后，將聲光調(diào)制器的-1級(jí)衍射光束作為輸出信號(hào)，即光電探測器的探測光信號(hào)。在該實(shí)驗(yàn)中，激光器功率波動(dòng)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(huì)略有波動(dòng)，但波動(dòng)幅度遠(yuǎn)小于調(diào)制深度，不會(huì)影響到光電探測器的輸出強(qiáng)度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中首先對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行探測，了解其波形。而后用光電探測器對(duì)入射調(diào)制激光信號(hào)進(jìn)行探測，用示波器記錄探測器的響應(yīng)波形及相應(yīng)數(shù)據(jù)，用Origin軟件繪制時(shí)域響應(yīng)圖(如圖2和圖3(a)所示)，并對(duì)時(shí)域圖進(jìn)行傅里葉分析，得到頻域響應(yīng)圖(如圖2和圖3(b)所示)。由于調(diào)制信號(hào)源產(chǎn)生的掃頻信號(hào)低頻由10 Hz開始，圖中對(duì)應(yīng)的10 Hz以下低頻成分不符合要求，且經(jīng)理論分析可知不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，故舍去即可。對(duì)頻域響應(yīng)圖進(jìn)行分析，當(dāng)頻域曲線值下降為最大值一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率值為-3 dB帶寬，即光電探測器的響應(yīng)帶寬。

圖2和3中分別列出取樣電阻為10 MΩ與20 MΩ時(shí)光電探測器響應(yīng)的時(shí)域圖與頻域圖，分別對(duì)圖2(b)和圖3(b)頻域響應(yīng)曲線進(jìn)行分析可知，當(dāng)光電探測器取樣電阻為10 MΩ時(shí)，其響應(yīng)帶寬約為270 Hz；當(dāng)光電探測器取樣電阻為20 MΩ時(shí)，其響應(yīng)帶寬約為130 Hz。

圖2 R=10 MΩ探測器響應(yīng)圖

圖3 R=20 MΩ探測器響應(yīng)圖

基于實(shí)驗(yàn)中所測光電探測器電路，在該電路中，影響探測器響應(yīng)帶寬的主要因素為取樣電阻R、光電二極管結(jié)電容與補(bǔ)償電容總和C，因此在理論分析中只考慮上述因素對(duì)光電探測器響應(yīng)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(jié)電容與補(bǔ)償電容總和約為60 pF，響應(yīng)帶寬大小隨取樣電阻阻值變化，代入公式(1)進(jìn)行理論計(jì)算，當(dāng)光電探測器前級(jí)放大電路中取樣電阻為10 MΩ時(shí)，探測器的響應(yīng)帶寬理論計(jì)算值約為265 Hz，取樣電阻為20 MΩ時(shí)的響應(yīng)帶寬理論值約為133 Hz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與該理論計(jì)算值接近，同理可計(jì)算出取樣電阻為其他阻值時(shí)的探測器響應(yīng)帶寬。

根據(jù)響應(yīng)帶寬的計(jì)算公式(1)，繪制如圖4所示的響應(yīng)帶寬與取樣電阻理論關(guān)系曲線(二者成反比關(guān)系)。同時(shí)將實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)取樣電阻R取1,10,20和100 MΩ時(shí)對(duì)應(yīng)探測器響應(yīng)帶寬實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制于圖中。經(jīng)分析可知，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)基本落在理論曲線上，即實(shí)驗(yàn)值與理論值較為符合。由此可知，通過該實(shí)驗(yàn)方法可以較準(zhǔn)確地進(jìn)行光電探測器響應(yīng)帶寬的測量。

圖4 響應(yīng)帶寬與取樣電阻關(guān)系曲線

4 結(jié)語

本文分析了聲光調(diào)制技術(shù)的基本原理，并運(yùn)用該原理對(duì)應(yīng)的方法進(jìn)行光電探測器響應(yīng)帶寬的測量。先通過信號(hào)源產(chǎn)生一定頻率范圍的掃頻信號(hào)，再通過衰減器將掃頻調(diào)制信號(hào)加載到載波信號(hào)上驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器工作，利用聲光調(diào)制技術(shù)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，并用光電探測器對(duì)調(diào)制后的激光信號(hào)進(jìn)行探測，可以很好地通過示波器觀察和測量光電探測器對(duì)不同頻率信號(hào)的響應(yīng)程度，繼而通過傅里葉頻譜分析結(jié)果得到光電探測器的響應(yīng)帶寬。實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同取樣電阻下的光電探測器響應(yīng)帶寬進(jìn)行了測量，均能較好地分析得到光電探測器對(duì)應(yīng)的響應(yīng)帶寬，而且與理論計(jì)算值較為接近。但由于目前實(shí)驗(yàn)所用儀器及器件參數(shù)限制，該方法僅限10 kHz以下低頻光電探測器響應(yīng)帶寬的測量。本實(shí)驗(yàn)以銫原子噴泉鐘光學(xué)系統(tǒng)工作平臺(tái)為背景，進(jìn)行該光電探測器的響應(yīng)帶寬研究，得到很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同樣，該實(shí)驗(yàn)也適用于其他領(lǐng)域光電探測器的研究。該方法是一種通過激光調(diào)制技術(shù)得到光電探測器響應(yīng)帶寬的新的實(shí)驗(yàn)手段。