JJF 2076-2023 高速光电探测器校准规范

中华人民共和国国家计量技术规范高速光电探测器校准规范2023-10-12发布2024-04-12实施JJF2076—2023高速光电探测器校准规范CalibrationSpecificationforHighSpeedPhotodetectorsJJF2076—2023归口单位:全国无线电计量技术委员会主要起草单位:中国计量科学研究院参加起草单位:中国航天科工集团二院203所本规范委托全国无线电计量技术委员会负责解释JJF2076—2023本规范主要起草人:冯志刚(中国计量科学研究院)李建威(中国计量科学研究院)赵科佳(中国计量科学研究院)参加起草人:龚鹏伟(中国航天科工集团二院203所)JJF2076—2023Ⅰ引言 (Ⅱ)1范围 (1)2引用文件 (1)3术语 (1)3.1直流响应度 (1)4概述 (1)5计量特性 (1)5.1上升时间 (1)5.2脉冲宽度 (1)5.3直流响应度 (1)5.43dB带宽 (1)6校准条件 (2)6.1环境条件 (2)6.2测量校准及其他设备 (2)7校准项目和校准方法 (3)7.1校准项目 (3)7.2校准方法 (3)8校准结果表达 (7)9复校时间间隔 (7)附录A原始记录格式 (8)附录B校准证书内页格式 (10)附录C主要项目校准不确定度评定示例 (11)JJF2076—2023ⅡJJF1071—2010《国家计量校准规范编写规则》、JJF1001《通用计量术语及定义》和JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》共同构成支撑本规范编制工作的基础性系列规范。本规范为首次发布。JJF2076—20231高速光电探测器校准规范1范围本规范适用于上升时间为3ps~100ps的光纤耦合型高速光电探测器的校准。2引用文件本规范无引用文件。3术语3.1直流响应度currentresponsivity探测器输出电流除以探测器入射光功率,A/W。4概述高速光电探测器是将光信号转化成高响应时间电信号的器件,主要应用于高速光信号检测、光通信系统及微波光子学等领域。其工作原理为:入射激光照到光电探测器的半导体吸收材料上,价带中的电子吸收光子能量后跃迁至导带产生光生载流子,在外加电场的作用下形成光电流,最后经阻抗匹配的同轴结构输出脉冲电压信号。此类基于内光电效应的高速光电探测器光波长响应范围通常在400nm~2400nm;输出电脉冲波形的上升时间可达ps量级,响应带宽可达百GHz。高速光电探测器具有增益高、响应快、噪声低等特点,响应时间特性决定了探测器光电转换的快慢,可作为快沿脉冲发生器使用,并应用于微波电子测量仪器仪表的响应时间及频域特性等校准和检测。5计量特性5.1上升时间范围:3ps~100ps;最大允许误差:±(20%~5%)。5.2脉冲宽度范围:7ps~200ps;最大允许误差:±(20%~5%)。5.3直流响应度范围:0.1A/W~1.0A/W;最大允许误差:±15%。5.43dB带宽范围:3.5GHz~110GHz;最大允许误差:±10%。注:以上指标不作为合格性判别,仅供参考。JJF2076—202326校准条件6.1环境条件环境温度:(23±5)℃;相对湿度:≤80%;供电电源:(220±11)V,(50±1)Hz;校准过程中,周围无任何影响系统正常工作的振动、冲击及电磁干扰等。电光采样法需在超净间内操作,洁净度优于7级,环境温度控制在20℃~25℃范围内,温度波动性不超过1℃,相对湿度≤50%。6.2测量标准及其他设备6.2.1飞秒脉冲激光器波长范围:400nm~2400nm;脉冲重复频率范围及最大允许误差:10MHz~200MHz,±2%;脉冲宽度及最大允许误差:≤300fs,±5%;激光平均功率:3mW~100mW;功率稳定度:优于±1%(30min)。6.2.2示波器带宽:50GHz~100GHz。注:带宽大于被校高速光电探测器标称带宽3倍以上。6.2.3电光采样模块波长范围:400nm~2400nm;带宽范围:50GHz~110GHz;6.2.3ps,不确定度:1.2ps(k=2)。波长范围:400nm~2400nm;衰减范围:0dB~30dB;最大允许误差:±1.0dB。6.2.5可调谐半导体激光器波长范围:400nm~2400nm;激光平均功率:3mW~10mW;功率稳定性:±0.5%(30min)。6.2.6光外差光源差频范围:0GHz~110GHz;差频最大允许误差:±1GHz。6.2.7微波功率计频率范围:10MHz~110GHz;功率范围:-10dBm~0dBm;功率测量不确定度:0.04dB~0.32dB(k=2)。JJF2076—202336.2.8光功率计波长范围:400nm~2400nm;功率范围:1μW~100mW;最大允许误差:±(3%~7%)。6.2.9数字电流表直流电流范围:1mA~100mA;最大允许误差:±(3%~10%)。6.2.10微波频率计频率范围:10MHz~110GHz;频率最大允许误差:±5×10-8。6.2.11光纤分束器波长范围:400nm~2400nm;功率分束比:1∶1;分束比最大允许误差:±2%。6.2.12高速光电转换器波长范围:400nm~2400nm;频率范围:3.5GHz~110GHz。7校准项目和校准方法7.1校准项目校准项目见表1。表1校准项目表序号校准项目名称1上升时间和脉冲宽度2直流响应度33dB带宽7.2校准方法7.2.1外观及功能正常性检查被校高速光电探测器应配有说明书和全部必备附件。被校高速光电探测器及全部附件外形结构应完好无损,各部件机械结构应安装牢固,调节正常。被校高速光电探测器及标准器按照说明书要求预热。用飞秒脉冲激光器激励被校高速光电探测器,并将输出电信号输入至示波器,观察示波器上是否显示正常的脉冲波形,相应检查结果填入表A.1中。7.2.2上升时间和脉冲宽度7.2.2.1示波器法4a)仪器连接如图1所示，用可变光衰减器将飞秒脉冲激光器的输出功率调节至被校高速光电探测器损伤阈值允许范围内，然后与被校高速光电探测器尾纤输入端相连，而被校高速光电探测器的输出端与示波器信号输入端连接，同时将飞秒脉冲激光器的重b)保持系统连接稳定，打开被校高速光电探测器的供电电源，调节示波器的垂直灵敏度系数，使被校高速光电探测器输出的电脉冲波形峰-峰值对应通道量程的50%~80%,调整触发电平和时基，使脉冲波形信号在示波器上持续稳定显示。c)从示波器上直接读取被校高速光电探测器输出电脉冲波形的上升时间的测量值，重复读取n次(n≥10),将n次测量结果记录于表A.2的表格中。按照公式(1)计算d)调节示波器的水平灵敏系数，使示波器屏幕上只显示一个电脉冲波形，从示波器上读取脉冲宽度的测量值，重复读取n次(n≥10),将n次测量结果记录于表A.2的表格中。按照公式(2)计算脉冲宽度示值的平均值：e)将上升时间和脉冲宽度计算的示值的平均值记录于表A.2的相应表格中。7.2.2.2电光采样法5a)仪器连接如图2所示，飞秒脉冲激光器的输出由分束比为1:1的光纤分束器分成两束，其中一束作为激励光脉冲经可变光衰减器输入到被校高速光电探测器尾纤中，并调节可变光衰减器使入射光功率在被校高速光电探测器的损伤阈值允许范围内；另一束作为采样光脉冲输入到电光采样模块中，被校高速光电探测器电脉冲输出端与电光采样模块的电调制输入端连接。b)设置电光采样模块的采样点数和采样步长，使整体采样点数不低于1000,脉冲波形部分采样点数不少于100。从数据采集计算机中获取被校高速光电探测器输出电脉冲波形的采样实验数据，采用众数法计算得到脉冲波形的上升时间和脉冲宽度，重复测量n次(n≥10),将n次测量结果记录于表A.3的表格中。按照公式(1)和公式(2)分别计算上升时间示值的平均值t,和脉冲宽度示值的平均值r。c)将计算的上升时间和脉冲宽度示值的平均值记录于表A.3的相应表格中。7.2.3直流响应度a)仪器连接如图3所示，调节可调谐半导体激光器的输出功率使其在被校高速光电探测器的损伤阈值允许范围内，利用分束比为1:1的光纤分束器将与被校高速光电探测器波长响应匹配的可调谐半导体激光器的输出分成两束。光纤分束器输出的其中一束输入到被校高速光电探测器尾纤中，然后用数字电流表测量高速光电探测器的输出电流，另一束由光功率计测量光功率。b)在光功率计和数字电流表中分别读取设定激光波长下的光功率和电流，重复测量n次(n≥10),按照公式(3)和公式(4)分别计算光功率和电流的平均值：式中：P——响应波长为λ时的被校高速光电探测器入射光功率的平均值，W;I₂——响应波长为λ时的被校高速光电探测器输出电流的平均值，A;n——测量次数；Pa——第i次测量得到的响应波长为λ时的被校高速光电探测器入射光功率测量6I——第i次测量得到的响应波长为λ时的被校高速光电探测器输出电流测量c)按照公式(5),计算得到设定响应波长为λ的被校准高速探测器直流响应度R₄₁,将计算结果记录于表A.4的表格中：R₁=I₄/P₄R₁——直流响应度，A/W; P₄——响应波长为λ时的被校高速光电探测器入射光功率的平均值，W;I——响应波长为λ时的被校高速光电探测器输出电流的平均值，A。d)固定激光器输出光功率不变，在被校高速光电探测器波长响应范围内改变激光器波长，重复测量步骤b)～c),完成所有波长测量。a)仪器连接如图4所示，光外差光源经过分束比为1:1的光纤分束器1将光信号分成A和B两束，其中A束激励高速光电转换器将光信号转化成电信号，然后由微波频率计测量光外差光源的激发频率值。B束光信号被分束比为1:1的光纤分束器2分成C和D两路，C路光信号直接由光功率计测量其光功率值；D路光信号输入到被校高速光电探测器进行光电转化，然后用微波功率计测量光电探测器的输出电功率值。BBCADb)对光外差光源的输出频率进行精细扫描，然后读取每个测量点的光外差微波光源激发频率f、被校高速光电探测器的输入光功率P。和输出电功率P。值，重复测量n次(n≥10),将其记录于表A.5的相应表格中。JJF2076—20237c)根据公式(6)和公式(7)分别计算被校高速光电探测器各测量点的相对频率响应Rf和示值平均值,记录于表A.5的相应表格中。Rf=-10lg(Pof/Pef)(6)Rf=Rfi(7)式中:Pof—被校高速光电探测器的输入光功率示值,W;Pef—被校高速光电探测器的输出电功率示值,W;n—测量次数;Rf—相对频率响应; Rfi—第i次测量得到的被校高速光电探测器的相对频率响应; Rf—被校高速光电探测器的相对频率响应的平均值。d)得到相对频率响应变化曲线后,在频率响应曲线范围内,通常选取10GHz、20GHz等常用整数带宽值附近的点作为带宽参考点,然后从频率响应曲线中找到频率响应下降3dB所对应的频率值,即3dB带宽频率值,将其记录于表A.5的相应表格中。8校准结果表达高速光电探测器校准后,出具校准证书。校准证书至少应包含以下信息:a)标题:“校准证书”;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性和应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;k)校准环境的描述;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范偏离的说明;n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校对象有效的声明;p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。9复校时间间隔复校时间间隔由用户根据使用情况自行确定,推荐为1年。JJF2076—20238附录A原始记录格式表A.1外观及功能正常性检查项目检查结果外观及功能正常性检查表A.2上升时间和脉冲宽度(示波器法)序号上升时间/ps脉冲宽度/ps12345678910标称值/ps平均值/ps表A.3上升时间和脉冲宽度(电光采样法)序号上升时间/ps脉冲宽度/ps12345678910标称值/ps平均值/psJJF2076—20239表A.4直流响应度序号RλiI/(A/W)RλiI/(A/W)RλiI/(A/W)1234567910平均值RλiI/(A/W)表A.53dB带宽激发频率GHz序号12345678910fn(频率间隔设为标称3dB带宽频率值的5%)Pofi/WPefi/WRfRf3dB带宽频率值/GHzJJF2076—202310附录B校准证书内页格式表B.1外观及功能正常性检查项目检查结果外观及功能正常性检查表B.2上升时间和脉冲宽度(示波器法)tr标称值/pstr实测值/ps不确定度U(k=2)τ标称值/psτ实测值/ps不确定度U(k=2)表B.3上升时间和脉冲宽度(电光采样法)tr标称值/pstr实测值/ps不确定度U(k=2)τ标称值/psτ实测值/ps不确定度U(k=2)表B.4直流响应度输入波长/nmRλI/(A/W)不确定度U(k=2)表B.53dB带宽激发频率f/GHz频率响应 Rf3dB带宽频率值/GHz不确定度U(k=2)JJF2076—202311附录C主要项目校准不确定度评定示例C.1示波器法上升时间测量不确定度评定C.1.1测量方法(86117A)取样示波器对带宽50GHz的高速光电探测器输出脉冲波形为例,进行不确定度评定。C.1.2不确定度来源经分析,不确定度来源有以下3项:1)示波器固有特性引入的标准不确定度u1;2)测量重复性引入的标准不确定度u2;3)飞秒脉冲激光功率稳定性引入的标准不确定度u3。C.1.3标准不确定度分量评定C.1.3.1示波器固有特性引入的标准不确定度分量示波器固有特性引入的不确定度主要来源于示波器的时基抖动。对于某型号取样示波器,其时基抖动的指标为1.0ps,按均匀分布,则包含因子k=,计算可得该项引入的标准不确定度u1=0.58ps。C.1.3.2测量重复性引入的标准不确定度分量用取样示波器的70GHz模块,重复测量带宽50GHz光电探测器输出脉冲波形上升时间的10次数据见表C.1。表C.1示波器法上升时间测量结果次数12345678910测量值ps7.06.66.87.27.36.76.97.06.56.8采用A类评定方法,计算得到测量重复性引入的标准不确定度u2=0.25ps。C.1.3.3飞秒脉冲激光功率稳定性引入的标准不确定度分量飞秒脉冲激光器的功率稳定性对脉冲波形上升时间引入的测量误差大约为0.2ps,按均匀分布,k=,则该项引入的标准不确定度u3=0.12ps。C.1.4合成标准不确定度示波器法上升时间标准不确定度汇总见表C.2。JJF2076—202312表C.2示波器法上升时间标准不确定度分量汇总表不确定分量不确定来源评定方法标准不确定度/psu1示波器固有特性B类0.58u2测量重复性A类0.25u3飞秒脉冲激光功率稳定性B类0.12由于各标准不确定度分量间互不相关,则合成标准不确定度为:uc==0.64psC.1.5扩展不确定度取k=2,则扩展不确定度U取k=2,则扩展不确定度U=kuc=1.3psC.2示波器法脉冲宽度测量不确定度评定C.2.1测量方法(86117A)取样示波器对带宽50GHz的高速光电探测器输出脉冲波形为例,进行不确定度评定。C.2.2不确定度来源1)示波器固有特性引入的标准不确定度u1;2)测量重复性引入的标准不确定度u2;3)飞秒脉冲激光功率稳定性引入的标准不确定度u3。C.2.3标准不确定度评定C.2.3.1示波器固有特性引入的标准不确定度分量示波器固有特性引入的不确定度主要来源于示波器的时基抖动。对于某型号取样示复u不确定度分量波器,其时基抖动的指标为1.0ps,按均匀分布,则包含因子k复u不确定度分量用取样示波器的70GHz模块,重复测量带宽50GHz光电探测器输出脉冲波形脉冲宽度的10次数据见表C.3。表C.3示波器法脉冲宽度测量结果次数12345678910测量值ps9.28.58.89.09.18.98.79.18.78.9C.2.度u2=0.22ps。飞秒脉冲激光器的功率稳定性对脉冲波形脉冲宽度引入的测量误差大约为0.3ps,按均匀分布,k=,飞秒脉冲激光功率稳定性引入的标准不确定度u3=0.17ps。JJF2076—202313C.2.4合成标准不确定度示波器法脉冲宽度标准不确定度汇总见表C.4。表C.4示波器法脉冲宽度标准不确定度分量汇总表不确定分量不确定来源评定方法标准不确定度/psu1示波器固有特性B类0.58u2测量重复性A类0.22u3飞秒脉冲激光功率稳定性B类0.17由于各标准不确定度分量间互不相关,则合成标准不确定度为:uc==0.64psC.2.5扩展不确定度取k=2,则扩展不确定度取k=2,则扩展不确定度U=kuc=1.3psC.3电光采样法上升时间测量不确定度评定C.3.1测量方法电光采样法上升时间测量是标准源法,使用电光采样脉冲波形测量装置直接测量。C.3.2不确定度来源经分析,不确定度来源有以下2项:1)电光采样脉冲波形测量装置引入的标准不确定度u1;2)测量重复性引入的标准不确定度u2。C.3.3标准不确定度分量评定C.3.3.1电光采样脉冲波形测量装置引入的标准不确定度分量电光采样脉冲波形测量装置由于电光调制芯片散射参数修正、位移台精度及光路准直性、飞秒脉冲激光器功率稳定性等因素将对上升时间测量产生影响。以中国计量科学研究院自研的电光采样脉冲波形测量装置的不确定度评定为例,其整体引入的标准不确10性引入的标准不确定度分量用电光采样脉冲波形测量装置对带宽为70GHz的光电探测器输出脉冲波形的上升时间进行重复测量,10次测量结果如表C.5所示。次数12345678910测量值ps4.654.604.564.694.754.734.554.614.734.58C.3.用得到测量重复性引入的标准不确定度u2=0.07ps。电光采样法上升时间标准不确定度汇总见表C.6。JJF2076—202314表C.6电光采样法上升时间标准不确定度分量汇总表不确定分量不确定来源评定方法标准不确定度/psu1电光采样测量装置B类0.50u2测量重复性A类0.07由于各标准不确定度分量间互不相关,则合成标准不确定度为:uc==0.5psC.3.5扩展不确定度取k=2,则扩展不确定度U取k=2,则扩展不确定度U=kuc=1.0psC.4电光采样法脉冲宽度测量不确定度评定C.4.1测量方法电光采样法脉冲宽度测量与上升时间测量同样是使用电光采样脉冲波形测量装置直接测量。C.4.2不确定度来源1)电光采样脉冲波形测量装置引入的标准不确定度u1;2)测量重复性引入的标准不确定度u2。C.4.3标准不确定度分量评定C.4.3.1电光采样脉冲波形测量装置引入的标准不确定度分量电光采样脉冲波形测量装置由于电光调制芯片散射参数修正、位移台精度及光路准直性、飞秒脉冲激光器功率稳定性等因素会对脉冲宽度测量产生影响。以中国计量科学研究院自研的电光采样脉冲波形测量装置的不确定度评定为例,其整体引入的标准不确10性引入的不确定度分量用电光采样脉冲波形测量装置对带宽为70GHz的光电探测器输出脉冲波形的脉冲宽度进行重复测量,10次测量结果见表C.7。表C.7电光采样法脉冲宽度测量结果次数12345678910测量值ps5.025.005.055.074.904.895.115.144.874.90C.4.用得到测量重复性引入的标准不确定度u2=0.10ps。电光采样法脉冲宽度标准不确定度汇总见表C.8。1JJF2076—202315表C.8电光采样法脉冲宽度标准不确定度分量汇总表不确定分量不确定来源评定方法标准不确定度/psu1电光采样测量装置B类0.50u2测量重复性A类0.10由于各标准不确定度分量间互不相关,则合成标准不确定度为:uc==0.51psC.4.5扩展不确定度C.5直流响应度测量不确定度评定C.5.1测量模型直流响应度由公式(C.1)获得:取kC.5直流响应度测量不确定度评定C.5.1测量模型直流响应度由公式(C.1)获得:取k=2,则扩展不确定度U=kuc=1.0ps式中:RλI—直流响应度测量值,A/W; Iλ—响应波长为λ时被校高速光电探测器输出电流测量平均值,A;Pλ—响应波长为λ时被校高速光电探测器入射光功率测量平均值,W。C.5.2不确定度来源经分析,不确定度来源有以下4项:1)激光功率引入的相对标准不确定度u1rel;2)测量重复性引入的相对标准不确定度u2rel;3)数字电流表引入的相对标准不确定度u3rel;4)分束器分束比引入的相对标准不确定度u4rel。由于各不确定度分量间不相关,得到RλI的合成标准不确定计算公式为:u=cu+cu+cu+cu其中灵敏系数为c1=,c2=1,c3=,c4=1(C.2)(C.3)经分析处理,相对不确定分量的灵敏系数均为1,则RλI的相对合成标准不确定度计算公式为:ucrel=(C.4)C.5.3标准不确定度分量评定C.5.3.1激光功率引入的相对标准不确定度分量激光功率引入的不确定度包括可调谐半导体激光器的输出功率稳定性和光功率计的测量误差。其中,激光器的输出功率稳定性为±0.5%,光功率计的最大允许误差为±5.0%,都按均匀分布,k=,则激光功率引入的合成相对标准不确定度为JJF2076—202316u1rel==2.9%C.5.3.2测量重复性引入的相对标准不确定度分量用直流响应度标称值为0.6A/W的带宽70GHz光电探测器的直流响应度进行重复测量,10次测量结果见表C.9。表C.9直流响应度测量结果次数12345678910测量值A/W0.610.580.600.620.590.600.580.630.610.59相对标准不确定度u2rel=3.0%。采用A类评定方法计算得到测量重复性引入的标准不确定度u相对标准不确定度u2rel=3.0%。C.5.3.3数字电流表引入的相对标准不确定度分量数字电流表的测量精度将对被校光电探测器输出电流值的测量产生误差,最大允许..%4。分束器分束比引入的相对标准不确定度分量误差为±10%,按均匀分布,k=3,数字电流表引入的相对标准不确定..%4。分束器分束比引入的相对标准不确定度分量光纤分束器分束比不准确将引起被校准光电探测器的实际输入光功率和光功率计测量值之间的误差。分束器分束比的最大允许误差为±2%,按均匀分布,k=,分束度u4rel=1.2%。直流响应度相对标准不确定度汇总见表C.10。表C.10直流响应度相对标准不确定度分量汇总表不确定分量不确定来源评定方法相对标准不确定度u1rel激光功率B类2.9%u2rel测量重复性A类3.0%u3rel数字电流表B类5.8%u4rel分束器分束比B类1.2%由于各不确定度分量间不相关,计算得到RλI的相对合成标准不确定度为:ucrel==7.2%C.5.5扩展不确定度C.6取3Urel=kucrel=14.4%。C.6.1测量模型3dB带宽测量模型可表示为:JJF2076—202317B=f3dB(C.5)式中:B—带宽测量值,GHz;f3d频率响应下降3dB所对应的频率值,GHz。根据测量原理,3dB带宽是频率响应下降3dB时所对应的频率值,则相对频率响应Rf3dB计算公式为:Rf3dB=-10lg(Pof/Pef)(C.6)式中:Rf3dB—3dB频率点相对频率响应;Pof—被校高速光电探测器的入射光功率的测量值,W。Pef—被校高速光电探测器的输出电功率的测量值,W。尽管相对频率响应Rf3dB跟频率没有固定的对应关系,但由于光功率计和微波频率计等的测量不准确导致相对频率响应Rf3dB测量误差,继而导致3dB带宽的频率值的不确定。对3dB频率点附近,频率变化量Δf3dB与相对频率响应变化量ΔRf3dB呈近似线性关系,可表示为:Δf3dB