40 Gb_s光电探测器小信号测试法和大信号测试系统研究

独创性说明
本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国科学 研究院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
学位授予单位：中国科学院研究生院
40 Gb/s 光电探测器小信号测试法和 大信号测试系统研究
Small-Signal Measurement Technique and 40 Gb/s Large-Signal Measurement System for Photodetectors
研究生姓名：张邦宏 指导教师姓名：祝宁华
学位授予单位
中国科学院研究生院
答辩委员会主席：
中国科学院研究生院博士学位论文
论文题目：40 Gb/s 光电探测器小信号测试法和大信号测试系统研究 作者：_________张__邦__宏____________
指 导 教 师： 祝宁华研究员 单位：中国科学院半导体研究所
指导小组成员：
单位：
பைடு நூலகம்单位：
论文提交日期：2010 年 05 月 16 日
1.2.1 光电子器件 S 参数....................................................................................- 3 1.2.2 激光器的频率响应测试方法....................................................................- 4 1.2.3 电光强度调制器的频率响应测试方法...................................................- 6 1.2.4 光电探测器的频率响应测试方法 ...........................................................- 9 1.3 光电子器件大信号测试系统 ............................................................................- 13 1.4 本论文的主要工作和创新点 ............................................................................- 16 参考文献： ................................................................................................................- 17 第二章 光外差技术分析激光器的附加调制效应........................................................- 23 2.1 光外差技术原理及应用.....................................................................................- 24 2.1.1 光外差技术原理及测试系统..................................................................- 24 2.1.2 光外差技术的应用 ..................................................................................- 25 2.2 光外差法检测附加调制效应 ............................................................................- 26 2.2.1 附加调制现象 ..........................................................................................- 27 2.2.2 附加调制成因分析 ..................................................................................- 29 2.2.3 激光器电流源的结构..............................................................................- 30 2.2.4 附加调制信号的来源和消除..................................................................- 30 2.3 本章小结 .............................................................................................................- 34 参考文献.....................................................................................................................- 34 第三章 谐波分析法测试光电探测器的频率响应特性 ...............................................- 37 3.1 光电探测器频率响应测试方法........................................................................- 38 -
40 Gb/s
光 电 探 测 器 小 信 号 测 试 法 和 大 信 号 测 试 系 统 研 究 张 邦 宏 中 国 科 学 院 半 导 体 研 究 所 二 零 一 零 年 五 月
分类号：____________ UDC：____________
密 级：______公__开______ 编 号：______________
A harmonic analysis method for measuring the frequency response of photodetectors has been proposed based on the swept frequency method. The frequency measurement range in the conventional swept frequency method is limited by the bandwidths of the devices in measurement setup. However, the harmonic analysis method can break the limit. We analyze the non-linear effect and generate the harmonics in a modulator. The frequency response of a photodetector is obtained by measuring the 2nd harmonic. Small signal power measuring method is used as an effective calibration method, and the results give good accuracies. The harmonic analysis method achieves double frequency measurement range as the conventional swept frequency method with the same measurement setup. It also provides a new method to measure higher speed photodetectors.
为了满足高速率器件的测试要求，我们将 10 Gb/s 大信号测试系统升级为 40Gb/s 大 信号传输测试系统。本系统可以对通信用光电子和微电子器件进行 40 Gb/s 的非归零伪 随机码的传输参数测试，如眼图、误码率、信噪比、灵敏度等。另外，我们还开发了相 应的自动测试程序。
关键词： 附加调制， 光电探测器， 谐波分析， 误码率
签名：___________ 导师签名：___________ 日期：____________
摘要
摘要
光纤通信系统的高速发展，极大的促进了器件带宽和速率的提升，同时各种光电子 器件测试方法也日益显现出了它们的局限性。在小信号频率响应测试方面，要求改进测 试方法以适应宽带宽器件的测试要求。同时在大信号测试中，器件的发展也要求更高速 率的测试系统。本论文主要研究新型的光电探测器高频响应测试方法，以实现更宽带宽 和更高速率的测试。
Key Words：Additional Modulation, Bit Error Rate (BER), Harmonic Analysis, Photodetector.
III
目录
目录
摘 要.................................................................................................................................... I Abstract................................................................................................................................... III 第一章 绪 论....................................................................................................................- 1 -
中国科学院研究生院 北京 100083，中国
Doctor Degree Candidate： Bang Hong Zhang Supervisor： Ning Hua ZHU
Institute of Semiconductors Chinese Academy of Sciences Graduate School of the Chinese Academy of Sciences Beijing 100083，P.R.CHINA
We establish a 40 Gb/s bit error rate (BER) test system based on a 12.5 Gb/s system in our lab. This system can also be used to measure other features of optoelectronics and microelectronics devices, such as eye diagram, signal to noise ratio (SNR), and sensitivity.
光外差技术作为光谱与频谱分析的重要手段，将不易分辨的光谱结构转移到容易观 察的电域，解决了光谱仪分辨率不高的问题。本文利用光外差技术分析了半导体激光器 的附加调制现象，发现调制信号来源于激光器电流源制冷电路。最后通过隔离电流源直 流驱动电路和制冷电路消除了附加调制效应。
本文提出了谐波分析法来测试高速光电探测器的频率响应，它可以克服传统扫频法 在频率测试范围上受到的限制。我们在对调制器中的非线性效应及其谐波产生机制分析 的基础上，由测量二次谐波有效地获得了探测器的频率响应曲线；通过小信号功率测试 法对测试数据进行了校准，校准得出的结果和参考曲线符合得很好。测试结果显示，在 相同的条件下，二次谐波分析法的频率测量范围为传统扫频法的两倍，并且有很高的精 度。该方法为测试超高速光电探测器的带宽提供了新的解决途径。
The optical heterodyne technique can be used to analyze the fine structure of optical spectrum in the electrical domain, which avoids the limitation of low resolution of the optical spectrum analyzer. We analyze an undesirable additional modulation effect of laser by using the optical heterodyne technique. It is found that the thermal electrical cooler (TEC) circuit of the laser driver results in the additional modulation signal, which is eliminated by isolating the TEC circuit from the laser driver in our study.
I
Abstract
Small-Signal Measurement Technique and 40 Gb/s Large-Signal Measurement System for Photodetectors
Abstract
The measurement techniques and systems for high speed devices face new challenge with the rapid development of optical fiber communication systems. Small-signal frequency response measurement techniques, especially for the optoelectronic devices with extremely broad bandwidth need to be improved. Meanwhile, the development of devices requires largesignal measurement systems with higher data rate. This dissertation focuses on the technique for broader bandwidth or higher speed measurement using the same test system.
1.1 引 言....................................................................................................................- 1 1.2 光电子器件小信号频率响应测试......................................................................- 3 -
中国科学院研究生院 博士学位论文
论文题目：40 Gb/s 光电探测器小信号测试法和大信号测试系统研究
张邦宏
指导教师： 祝宁华 研究员
中国科学院半导体研究所
申请学位级别：工学博士 学科专业名称:微电子学与固体电子学
论文提交日期 2010 年 5 月 论文答辩日期 2010 年 5 月
培养单位
中国科学院半导体研究所
签名：___________ 日期：____________
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