论文研究-流图法在光探测器芯片高频特性测量校准上的应用 .pdf

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流图法在光探测器芯片高频特性测量校准上的应用,苗昂,李轶群,在采用光调制法测量光探测器芯片高频响应特性的过程中,测试系统往往忽视光调制器响应、高频探针衰减以及端口间失配等误差中的一
山国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 其中s"(i,}=1,2)表示调制器和探测器的级联的总体散射参数。显然,对于光调制器,其 反向传输系数和在输岀端的光反射系数非常小;对于光探测器,其反向传输系数和输入端的 光反射系数也是很小的,因此忽略以上系数,即: S Mod Mod DUT S DUT=0 故级联网络的散射参数可表示为: OE Ok Mod aDUn SOE=SDUT 经推导,图2(b)流图有以下关系成立 P E3)1+S22·E,dets"] Pr S·E COE Dut +Ex(1) Probe E 可见,为了求出光探测器真实频响值S2,必须进一步确定各误差项、光探测器输出端反 射系数S22、矢量网终分析仪Po2的反射系数F以及高频探针散射参数S"(,j=1,2) 反射系数的测量 为了准确测量S2和E,,必须进行单端口校准。误差模型如下 E E 图3单端口流图误差模型 Fig 3 One port flow-graph error model 其中M和IDr分别为反射系数测量值及反射系数真实值,根据图3有以下关系成立: T, -E DUT (2) )+E 有三个未知误差系数ER、ED和Es。采用OLS法求出这三个误差系数,即在参考面 左侧分别接标准负载Open、Load、 Short,将三次真实反射系数值rpr和反射系数测量值rM 带入(2)式即可解出误差系数。测量中使用了HP85052D和 CasCade103-726ISS标准负载 红件。 高频探针散射参数的提取 探针附有岀厂参数,但由于磨损和外界影响,每次测试都需要重新提取探针参薮。过程 如下:在探针输出面依次接103-726ISS中的Open、Shot和Load,并在输入端面依次测量 山国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 每次的反射系数O、Ts和。带入下式: S=r(3) E+-2r, (4) Probe.S12 To-T TL-Ts A·e(5) To-Ts 其中: Prob PP= Arg(sre Sno) 由于探针可视为互易二端口网络(即S=SB2m),因此 P Probe Probe 在求θ时要注意避免相位计算错误,由于相频响应是一个以2π为周期的周期函数,因此习 惯取相位的主值(在-180°~180°之冋),形成类似锯齿状眺变的周期曲线,如果直接取周期 衣达值的半就会得到错误的结果。为了得到止确的θ值,应将周期珧变的相位主值展为连 续递减的真实相位值φ,然后再除以2,可得正确θ值。 Frequen cy(GHz Frequen cy(GH Frequency(GH Frequency( GHz 山国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Frequency(GHz) quancy''GHz) 图4探针散射参数的实测值 Fig 4 Measurement result of probe scattering parameters 依照上法,对 Cascade acp40-AGS-100犁探针进行了实际参数提取。图4(a)、(c)、(e)为探 针散射参数实测幅值和出厂幅值的比较,实线为实测值,虚线为出厂值,(b)、(d)、(f)为 散射参数的相位值。 具体测量系统分析 实际测量采用HP8703A型LCA作为主要设备。系统连接如图1(b)所示,波长为155um 的高速调制光信号通过光纤入射至光探测器台面,探测器产生的电信号经高频探针和射频同 轴电缆输入LCA的Port2。采用 Cascade acp40-ASG-100高频探针和 Agilent11612A电压 偏置器。 由于LCA内部线路失配较小且系统线路连接良好,因此≈0,Sm·Esx0。测试前, 对LCA进行“ Response”校准9: S DUT=E response 21M (6) 其中S21M为测量值,S2为待测器件校准后的值。Espn为正向频响误差系数,包含了 光调制器和信号传输通道的频响信息。考虑到预先校准,(1)式变为: S21=E·S21M(7 其中E为误差系数: Pr obe E 1+S2·E2det5"1-SHm,E-52,.a(8) 可见我们已经去除光调制器的频响,准确测量出探测器输出端反射系数S2、 LCA Port2的 反射参数E以及高频探针散射参数S(=1,2) 实验及讨论 为了验证上述方法的正确性,在130MHz~20GHz的范围内,利用LCA对一个自广的 电极共面 OMITMiC( One-Mirror Inclined Three-Mirror Cavity)光探测器芯片进行了S2t 参数的测量,偏压Ⅴbas=-3.5V。利用(7)式对所测数据做进一步修正,实验结果如图5 所示。可见,由于探针本身频响以及接口之间的失配,仅使用 Response校准方法测量的曲 线中出现较大的波动。扣除探针频响和接口间失配影响后,频率响应曲线变得平滑,测得这 时光探测器的3dB带宽为11GHz 山国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 通过实验研究,测试中有以下儿个方面需要注意和考虑:1)测试夹具的形变会导致分 布参数和相位的变化,髙频测试结果对探针针尖形变量十分敏感,而现有测试方法不可避免 地对操作依赖性较强,因此探针炣次接触压焊电极和ISS时,形变量要保持一致且符合ISS 的标记规定,利于探针参数稳定,便于校准:2)测试过程避免震动和温度变化,以减少探 针针尖形变量和温致探测器高频响应的不稳定性;3)从以上两点看来,为了提高测试系统 的机械重复性和稳定性,实现测量自动化变得十分必要:4)测试过程避免外界电磁干扰, 测试系统最好处于电磁屏蔽室中;4测试前仪器预热三小时以上以确保测试源功率稳定;5) 为提高数据处理效率,可通过GPIB接口,利用VB或VC语言结合 Matlab编程,实现数据 的自动提取和处理 22-Cal ibr ated with"Flow-graph" Technique -.-Cal ibr ated only with"Responsa" Technique 图5揆测器芯片频率响应参数S21的幅值 Fig 5 photodetector S21 magnitude before and after further calibration 结论 针对光调制法测量光探测器参数的过程,提出了流图校准法。该法旨在提高光探测器高 频特性测量的精度,它仝面考虑了系统频响及端口间失配对结果的影响,使校准更加完善, 并推导出相应校准公式。采用该法对一种光探测器的典型测试系统—基于LCA的测试系 统进行了具体分析。实验表明,用该校准法处理的数据比仅使用原有校准算法有显著改善, 从而验证了流图法校准的可行性。作为·种针对光调制测量法的全面校准方法,流图法对于 基于矢量网络分析仪的其它光电子器件的高频特性测量校准同样有效。 山国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 参考文献 1 G Wang, T Tokumitsu, I I lanawa, et al. Analysis of high speed p-i-n photodiode s-parameters by a novel small-signal equivalent circuit model. IEEE Microwave Theory and Wireless Component Lett., 2002, 12(10): 378 [2 Xu Yao, Wang Wei, Wang Ziyu, Measurement of 3db Bandwidth of Laser Diode Chips. Chiniese Journal of Semiconductors, 2003, 24(8): 794 [NII Zhu, Y Liu,YB Pun, Scattering-parameter measurements of laser diodes. Optical and Quantum Electron 2002,34:747 P D Hale, d F Williams, Calibrated Measurement of Optoelectronic Frequency Response. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2003,43): 1422 [5]R WWong, P Hernday, MGHart, et al. High-speed lightwave component analysis. Hewlett-Packard. 1989 40(3):35 [61J Fitzpattrick, Error models for systems measurements. Microwave, 1978, 5: 63 [71 B Marks, A Jargon, K Rytting, Accuracy of lumped-element calibrations for four-sampler vector network analyzers. IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 1998: 1487 [8 P Debie, L Martens, D Kaiser, Improved error correction technique for on-wafer lightwave measurements of photodetectors. IEEE Photon. Technol. Lett., 1995, 7(4): 418 [9] HP Company, HP 8703A Lightwave component analyzer operating manual, 1991: 7-23 [10JYQ Huang, C Huang,Q Wang, et al. Analysis of a one mirrorinclined three-mirror cavity photodetector for high-speed application. Chinese Optics Lett., 2005, 3(1): 53 Miao Ang, Li Yiqun, Cui Hailin, Wu Qiang, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing(100876) In the process of measuring the high frequency response characteristics of photodetector chips with light modulation technique, the traditional calibration algorithm available in measurement systems always exclude such errors as response of modulator, attenuation of RF probe and mismatches between different ports. In order to reduce the result inaccuracy caused by the inadequacy of the traditional calibration, "Flow-graph"method is proposed in this paper. This method takes into account the effects caused by various frequency responses inaccuracy and mismatches between different ports, and further, deduces a calibration formula. This method was applied to the further calibration analysis of a LCA (Lightwave Component Analyzer) based photodetector measurement system, which is a typical photodetector measurement system. The experiment of a novel photodetector demonstrates that in the scope ranging from 130MHz to 20GHz obvious improvement in calibration of S21 parameter has been achieved comparing to the traditional algorithm, and the proposed method is proved feasible photodetector; high frequency response; calibration

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