光电探测器：灵敏度、偏置和带宽

实验2. 光电探测器：灵敏度、偏置和带宽

摘要:

本实验将用到实验1测量的中同样为1550 nm激光器，将利用信号发生器调制激光器，并在不同的偏置条件下测量不同光电探测器的灵敏度和带宽；将对商用光电接收器进行同样的测试，比较测量结果。

本实验的目的是了解半导体光电探测器基本使用及其偏置电路最优化设计，之后在本实验和下面的实验中将利用你自己搭建的光电接收器测量激光器及光纤的模式。

有关安全问题同实验1的描述。

步骤:

激光器

如同实验1一样，让激光器工作温度20℃，输出功率2mW（如果实验1中激光器工作温度不是20℃，则选择的温度应接近20℃）；用功率计（用衰减器）检查激光装置；如同实验1中对激光器直接调制。将信号发生器连接到示波器输出不同的波形、振幅和频率。输出一个幅度为0.05 V、频率100 Hz弦波。信号发生器连接到电流源的输入，确信信号发生器没有超出激光器的最大调制速率。

光伏型光电探测器

测量光路如图2.1所示。光电探测器是一光敏面InGaAs光敏二极管。注意光电二极管直接连接到示波器的DC端以便观察激光器的调制信号，通过1M阻抗（示波器的输入阻抗）和衰减器适当衰减就可观察到信号，如果需要增加信号强度可去掉衰减器。观察加在激光器的偏置电流和调制电压如何导致信号的削波。导致削波的机理是什么？是信号使光电探测器饱和了吗？

图2.1不同偏置条件下半导体激光器的调制及光电探测器的灵敏度和带宽测试装置

激光器的偏置应加在其线性区域中心（无失真区），即大信号输入时产生的上下削波量相同。在该偏置电流下确定示波器能够探测到的最小调制电压信号。什么是信号的调制度？图2.2给出了信号调制度的定义。

图2.2.调制度定义为：m = (Imax-Imin)/Imax

使激光器偏置始终处在线性区域中心，在信号不失真情况下确定最大调制信号。失真是由探测器引起的还是激光器引起的？在此情况下信号的调制度是什么？调整调制信号的幅度为小信号，测量小信号的频率响应。固定频率分别测量幅度响应（实验1中已做）和相位响应，通过比较信号发生器输出到示波器的响应测量相位。

光导型光电探测器

如图2.3是通过给探测器加反向偏置改变接收部分的测量装置。

用偏置电压V＝9.0v加偏置电阻（即1M的负载做为示波器的输入阻抗）。确信你使用的是商用光电二极管。如果不慎给二极管加正向偏压而非反向偏压，将会烧坏。调整激光器的偏置让其工作在线性区域的中心重复上述测量：最小可探测的调制电压、不导致削波的最大调制电压和小信号的频率响应。反向偏压明显改变探测器特性吗？探测器限制信道的小频率响应吗？

分别用10k和200欧的偏置电阻重复上述测量，存在最佳偏置电阻吗？或着最佳选择依赖于实际应用？

图2.3.光导型光电二极管偏置电路

商用光电接收器（可选）

用New Focus公司的带前置放大器光电探测器重复上述测量：最小可探测的调制电压、不导致削波的最大调制电压和小信号的频率响应（幅度和相位）。你选择的放大倍数和带宽是多少？为什么？

实验设备

1 1550nm F-P半导体激光器

2 带热—电制冷器及准直透镜的激光器支架

3 焦距f＝5mm激光器支架用准直透镜

4 热—电制冷器控制器

5 精密电流源

6 信号发生器

7 InGaAs光电探测器(功率计) /衰减器

8 功率计显示单元

9 示波器

10 红外感应卡

11 InGaAs光电探测器

12 带前置放大器的InGaAs 光电探测器

13 运算放大器

14 运算放大器电源

15 电池（供探测器偏压）

16 电缆、导线、电阻器、印制电路板和各种连接器

17 光学实验台

18 三维调整支架

19 光机部件（支架、柱）

20 操作手册、表格