王之哲　陳勇國　陳思　王小強(qiáng)

摘要：目前國內(nèi)缺乏專門針對四象限探測器的測試標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致在實(shí)際測試中存在參數(shù)不統(tǒng)一、測試體系不完善等問題。該文從四象限探測器的工作原理出發(fā)，分析四象限探測器關(guān)鍵參數(shù)及其定義，研究形成四象限探測器關(guān)鍵參數(shù)的測試方法，并選取一款四象限APD探測器組件開展測試驗(yàn)證，對比分析不同工作溫度對產(chǎn)品噪聲、上升時(shí)間、下降時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)的影響。樣品各象限響應(yīng)度不小于1.40×105V/W，象限間響應(yīng)一致性超過96%;各象限噪聲均為1.09mV，表現(xiàn)出良好的性能。同時(shí)樣品的噪聲與其工作溫度成正比;當(dāng)工作溫度為25°C時(shí)，組件上升時(shí)間與下降時(shí)間均最短，響應(yīng)速度最快。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明形成的測試方法合理可行，能夠?yàn)樗南笙尢綔y器的測試及評價(jià)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用光學(xué);四象限探測器;測試方法;激光跟蹤

中圖分類號：TN215

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）02–0001–06

0 引言

四象限探測器是指利用微電子工藝，將4個(gè)參數(shù)相同的光電二極管按照直角坐標(biāo)系要求，集成在同一半導(dǎo)體基材上的光電探測器。它具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高、光譜范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍寬、體積小、計(jì)算簡便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于激光制導(dǎo)、激光雷達(dá)、空間光通信等激光跟蹤領(lǐng)域[1-4]。

近年來，四象限探測器研究主要側(cè)重于修正定位誤差、改進(jìn)定位算法和提高測量準(zhǔn)確度等方面，很少有文獻(xiàn)涉及四象限探測器關(guān)鍵參數(shù)測試方法的系統(tǒng)研究。張駿等[5]通過分析四象限光電探測器的原理及其定位誤差，提出了一種標(biāo)定并修正其固有誤差以及四象限非均勻性的方法。周洪偉[6]搭建了基于虛擬儀器的四象限探測器噪聲檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了四象限探測器的四通道低頻噪聲同時(shí)檢測與處理。程韋等[7]從理論上詳細(xì)分析了光斑性質(zhì)對探測結(jié)果的影響，并通過數(shù)值仿真得出了光斑大小和光斑強(qiáng)度與測量準(zhǔn)確度的關(guān)系。楊桂栓等[8]詳細(xì)分析了四象限探測器死區(qū)對探測范圍內(nèi)探測靈敏度的影響，發(fā)現(xiàn)死區(qū)寬度相對光斑半徑的比例越大，探測器的靈敏度越高。Tang等[9]提出了一種基于高斯分布的光斑中心定位算法，有效提高了光斑中心位置實(shí)時(shí)測量的準(zhǔn)確度。Wu等[10]則通過分析光斑位置與InGaAs四象限探測器輸出信號的關(guān)系，結(jié)合玻爾茲曼方法，提出了一種新的計(jì)算公式，有效提高光斑測量的準(zhǔn)確度。

目前國內(nèi)缺乏專門針對四象限探測器的測試標(biāo)準(zhǔn)，加上國外的技術(shù)封鎖，導(dǎo)致在產(chǎn)品實(shí)際測試中存在參數(shù)不統(tǒng)一、測試體系不完善等問題，因此，迫切需要開展四象限探測器測試技術(shù)研究。

針對上述問題，本文從四象限探測器的工作原理出發(fā)，研究形成四象限探測器關(guān)鍵參數(shù)的測試方法，同時(shí)開展測試驗(yàn)證。

1 四象限探測器工作原理

當(dāng)光斑照在四象限探測器的光敏面上時(shí)，每個(gè)象限都會(huì)接收光能，產(chǎn)生光電流。假設(shè)4個(gè)象限接收到的光能量分別為P1、P2、P3、P4，對應(yīng)產(chǎn)生的光電流分別為I1、I2、I3、I4。當(dāng)光斑質(zhì)心與四象限探測器中心重合時(shí)，由于每個(gè)象限光照面積相等，所以I1=I2=I3=I4。

四象限探測器工作原理如圖1所示，當(dāng)光斑質(zhì)心相對探測器中心偏離時(shí)，各象限光照面積會(huì)有所差異，從而導(dǎo)致每個(gè)象限產(chǎn)生的光電流也有所不同。由此可以計(jì)算光斑在X方向和Y方向的位移：

通過利用光斑的分布模型，可以由光斑質(zhì)心的相對位置（xr，yr）解算出其實(shí)際位置（x0，y0）。常用的光斑分布模型有均勻光斑和高斯光斑。在實(shí)際應(yīng)用中，激光光束經(jīng)過光學(xué)元件擴(kuò)束、整形和耦合后成像在四象限探測器上的光斑能量分布通常為高斯分布[11]。

高斯分布光斑能量表達(dá)式為

其中P0為光斑總能量，w為高斯光斑的半徑。

假設(shè)光斑在探測器光敏面外的光能量可以忽略不計(jì)，則有：

將式（3）～式（5）代入式（1）、式（2）可得：

其中erf（x）為誤差函數(shù)。

光斑質(zhì)心的實(shí)際位置坐標(biāo)可以由下式推導(dǎo)：

其中erf–1（x）為反誤差函數(shù)，可以通過查找函數(shù)庫求解。

2 關(guān)鍵參數(shù)測試方法

基于上述的四象限探測器工作原理，借鑒和參考現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)如GJB8121-2013《半導(dǎo)體光電組件通用規(guī)范》、SJ/T2354-2015《PIN、雪崩光電二極管測試方法》等，分析明確四象限探測器的關(guān)鍵參數(shù)（如響應(yīng)度、象限間響應(yīng)度一致性、噪聲、光動(dòng)態(tài)范圍、上升時(shí)間、下降時(shí)間和輸出阻抗等）及其定義。針對每一關(guān)鍵參數(shù)，通過分析其測試原理，開展測試條件、測試步驟的研究，最終形成四象限探測器關(guān)鍵參數(shù)測試方法。

2.1 響應(yīng)度

響應(yīng)度指在規(guī)定條件下，四象限探測器組件各象限輸出電壓幅度與入射光功率的比值[6]。測試原理框圖如圖2所示。

響應(yīng)度的測試步驟如圖3所示，具體為：

1）調(diào)整數(shù)字源表，設(shè)置四象限探測器的工作電壓，使其處于正常工作狀態(tài)，同時(shí)設(shè)置示波器負(fù)載阻抗RL=1MΩ;

2）根據(jù)四象限探測器使用要求設(shè)置信號源的重復(fù)頻率f、占空比，選擇合適的激光波長λ;

3）將激光器的光輸出端與光衰減器入口連接，用光功率計(jì)測量光衰減器輸出光的平均功率，調(diào)整光衰減器的衰減倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)需要的輸出光平均功率PINA，則脈沖信號峰值光功率PIN=2PINA;

4）按圖2連接，接通電源，遮蔽背景雜散光;

5）保持激光器的驅(qū)動(dòng)條件、光衰減器的衰減倍數(shù)不變，設(shè)置信號源脈寬tw，使光衰減器輸出光通過光纖依次照射到4個(gè)象限的光敏面上，調(diào)整光纖位置，觀察示波器使輸出信號脈沖幅度最大，依次讀取各象限的輸出信號脈沖幅度，記為Vout1、Vout2、Vout3、Vout4;

6）分別計(jì)算組件四個(gè)象限的響應(yīng)度RVn，其表達(dá)式為：

其中n=1，2，3，4，分別代表4個(gè)象限。

2.2 象限間響應(yīng)度一致性

象限間響應(yīng)度一致性指在規(guī)定條件下，四象限探測器組件各象限響應(yīng)度接近4個(gè)象限響應(yīng)度平均值的百分比。測試原理框圖如圖2所示，在測得4個(gè)象限的響應(yīng)度以后，分別計(jì)算四個(gè)象限間響應(yīng)度一致性，其表達(dá)式為

2.3 噪聲

噪聲指在規(guī)定條件下，四象限探測器組件各象限電壓噪聲有效值的大小[2]。測試步驟如圖4所示，具體為：

1）調(diào)整數(shù)字源表，設(shè)置四象限探測器的工作電壓，使其處在正常工作狀態(tài)，同時(shí)設(shè)置示波器負(fù)載阻抗RL=1MΩ;

2）按圖2連接，接通電源，遮蔽背景雜散光;

3）關(guān)閉光源;

4）依次從示波器上讀取組件4個(gè)象限的電壓噪聲有效值RMSn（n=1，2，3，4）。

2.4 光動(dòng)態(tài)范圍

光動(dòng)態(tài)范圍指在規(guī)定條件下，最大接收光功率與最小接收光功率之比。最大接收光功率定義為信號輸出幅度大于等于固定值時(shí)的光功率;最小接收光功率定義為信噪比為1∶1時(shí)的光功率。測試步驟如圖5所示，具體為：

1）分別計(jì)算出組件4個(gè)象限的最小接收光功率PMINn，其表達(dá)式為：

2）調(diào)整數(shù)字源表，設(shè)置四象限探測器的工作電壓，使其處在正常工作狀態(tài)，同時(shí)設(shè)置示波器負(fù)載阻抗RL=1MΩ;

3）根據(jù)四象限探測器使用要求設(shè)置信號源的重復(fù)頻率f、占空比，選擇合適的激光波長λ;

4）連續(xù)減小光衰減器的衰減倍數(shù)，直至組件4個(gè)象限的輸出幅度不再隨輸入光功率的增加而增大，用光功率計(jì)測量出對應(yīng)的輸入平均功率記為PINn，則組件4個(gè)象限最大線性接收功率PMAXn=2PINn;

5）分別計(jì)算出組件4個(gè)象限的光動(dòng)態(tài)范圍Dλn，其表達(dá)式為：

2.5 上升時(shí)間、下降時(shí)間

為了評價(jià)四象限探測器的響應(yīng)速度，借鑒SJ/T2354-2015《PIN、雪崩光電二極管測試方法》等標(biāo)準(zhǔn)，引入上升時(shí)間、下降時(shí)間兩個(gè)參數(shù)。上升時(shí)間指在規(guī)定條件下，四象限探測器組件各象限輸出脈沖前沿從峰值的10%到90%的時(shí)間間隔。下降時(shí)間指在規(guī)定條件下，四象限探測器組件各象限輸出脈沖后沿從峰值的90%到10%的時(shí)間間隔。測試原理見圖2，測試步驟如圖6所示，具體為：

1）調(diào)整數(shù)字源表，設(shè)置四象限探測器的工作電壓，使其處在正常工作狀態(tài)，同時(shí)設(shè)置示波器負(fù)載阻抗RL=1MΩ;

2）根據(jù)四象限探測器使用要求設(shè)置信號源的重復(fù)頻率f、脈寬tw，選擇合適的激光波長λ;

3）將激光器的光輸出端與光衰減器入口連接，用光功率計(jì)測量光衰減器輸出光的平均功率，調(diào)整光衰減器的衰減倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)需要的輸出光平均功率PINA，則脈沖信號峰值光功率PIN=2PINA;

4）按圖2連接，接通電源，遮蔽背景雜散光;5）將光衰減器輸出光通過光纖依次照射到4個(gè)象限的光敏面上，調(diào)整光纖位置，用示波器依次讀取組件各個(gè)象限輸出信號脈沖響應(yīng)上升時(shí)間trn和下降時(shí)間tfn（n=1，2，3，4）。

2.6 輸出阻抗

輸出阻抗指在規(guī)定條件下，四象限探測器組件各象限輸出信號脈沖幅度最大時(shí)對應(yīng)的輸出端阻抗。測試步驟如圖7所示：

1）～5）與響應(yīng)度測試步驟1）～5）完全一致;

6）設(shè)置示波器負(fù)載阻抗RL=50Ω，依次讀取各象限輸出信號脈沖幅度VOUTn;

7）可計(jì)算出組件的輸出阻抗Ron，其表達(dá)式為：

其中n=1，2，3，4，分別代表4個(gè)象限。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 關(guān)鍵參數(shù)測試

為了驗(yàn)證上述四象限探測器測試方法的有效性，選取某型號四象限APD探測器組件開展關(guān)鍵參數(shù)的測試評價(jià)。測試樣品由制冷型四象限Si基APD探測器、前置放大電路組成，采用晶體管外形封裝（TO封裝），測試時(shí)把樣品固定在定制的測試夾具上。測試樣品和測試夾具照片分別如圖8（a）、圖8（b）所示。

測試平臺如圖9所示，由TDS3034B型數(shù)字示波器、GPS-3303C型直流穩(wěn)壓電源、PM20型光功率計(jì)（置于激光器背面）、Agilet33250A型信號源、Keithley2410數(shù)字源表和1064nm激光器組成。

根據(jù)四象限APD探測器組件的使用要求，確定各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的測試條件如下：

1）組件的正電源UCC設(shè)置為（5±0.05）V，負(fù)電源UDD設(shè)置為（–5±0.05）V，APD工作電壓設(shè)置為反向擊穿電壓的80%（或–60V），確保其工作在線性模式。

2）信號源的重復(fù)頻率f設(shè)置為10kHz，脈寬tw設(shè)置為200ns，占空比設(shè)置為50%;激光波長λ為（1064±10）nm;

3）參數(shù)測試在室溫環(huán)境（25°C）下進(jìn)行。測試響應(yīng)度、輸出阻抗時(shí)脈沖信號峰值光功率PIN設(shè)置為（1±0.05）μW;測試上升時(shí)間、下降時(shí)間測試時(shí)，為了更準(zhǔn)確讀取結(jié)果，PIN設(shè)置為（5±0.05）μW。

測試結(jié)果如表1所示，四象限APD探測器組件各關(guān)鍵參數(shù)性能指標(biāo)均滿足規(guī)格要求，表現(xiàn)出優(yōu)良的性能水平：組件4個(gè)象限的響應(yīng)度均達(dá)到或超過1.40×105V/W，象限間響應(yīng)一致性超過96%，展示出較高的探測精度;4個(gè)象限的噪聲均為1.09mV，光動(dòng)態(tài)范圍均為47dB，表現(xiàn)出較高的探測靈敏度和較寬的探測范圍;組件4個(gè)象限的上升時(shí)間均未超過14ns，下降時(shí)間均小于12ns，表現(xiàn)出較快的響應(yīng)速度;4個(gè)象限輸出阻抗都小于12Ω，表現(xiàn)出較高的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。

3.2 工作溫度對關(guān)鍵參數(shù)的影響

為了進(jìn)一步分析不同工作溫度對樣品探測性能的影響，參考GJB8121-2013《半導(dǎo)體光電組件通用規(guī)范》，在現(xiàn)有測試平臺基礎(chǔ)上，集成MC-810P型溫箱，搭建四象限探測器高低溫在線測試系統(tǒng)（見圖10），重點(diǎn)分析不同工作溫度（?45°C、25°C、70°C）對四象限APD探測器組件噪聲、上升時(shí)間、下降時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)的影響，對產(chǎn)品的溫度可靠性開展評價(jià)。

不同工作溫度下樣品的噪聲測試結(jié)果如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)在不同工作溫度下，四象限APD探測器組件4個(gè)象限的噪聲均在1.5mV以下，達(dá)到產(chǎn)品規(guī)格要求，展現(xiàn)出良好的探測靈敏度。同時(shí)，樣品的噪聲與其工作溫度成正相關(guān)，隨著工作溫度的升高，4個(gè)象限的噪聲都有一定程度的增加。這可能由器件的熱噪聲隨溫度升高而增加所導(dǎo)致。

表3和表4給出了不同工作溫度下四象限探測器組件上升時(shí)間與下降時(shí)間的測試結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)在不同工作溫度下，樣品4個(gè)象限的響應(yīng)時(shí)間均在30ns以內(nèi)，滿足產(chǎn)品規(guī)格要求，展現(xiàn)出較快的響應(yīng)速度。測試結(jié)果同時(shí)表明，當(dāng)工作溫度為25°C時(shí)，四象限APD探測器組件的上升時(shí)間與下降時(shí)間均最短，響應(yīng)速度最快。

4 結(jié)束語

為滿足四象限探測器的檢測需求，本文針對其關(guān)鍵參數(shù)測試技術(shù)開展系統(tǒng)研究，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，形成了四象限探測器測試方法，能夠?yàn)樗南笙尢綔y器的檢測及評價(jià)提供借鑒和指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出測試方法的可行性，后續(xù)將針對四象限探測器的可靠性評價(jià)方法開展研究。

參考文獻(xiàn)

[1]范新坤，張磊，宋延嵩，等.四象限探測器的跟蹤與通信復(fù)合探測技術(shù)[J].中國激光，2017（9）：241-248.

[2]張偉，張合，陳勇，等.脈沖激光四象限探測器測角不確定性統(tǒng)計(jì)分布[J].物理學(xué)報(bào)，2017，66（1）：012901.

[3]郭小康，張彥梅，賀仕杰.基于四象限探測器的光斑中心高精度定位算法[J].激光與紅外，2017（11）：1353-1357.

[4]何超，常金濤，王勇，等.基于四象限探測器的斯托克斯向量測量儀[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2016，35（1）：57-62.

[5]張駿，錢惟賢，劉澤偉.四象限探測器輸輸出非均勻性分析與矯正[J].紅外技術(shù)，2016（7）：565-570.

[6]周洪偉.四象限探測器噪聲測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[7]程韋，滕艷華，夏玲燕，等.光斑性質(zhì)對四象限探測器測量精度的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（4）：239-242.

[8]楊桂栓，張志峰，翟玉生，等.死區(qū)對四象限探測器探測范圍和靈敏度影響的研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013，50（6）：152-157.

[9]TANGY， GUG， QIANW， etal.Laserspotcenterlocationalgorithmoffour-quadrantdetectorbasedonGaussiandistribution[J].Infrared&LaserEngineering， 2017， 46（2）： 206003.

[10]WUJ， CHENY， GAOS， etal.ImprovedmeasurementaccuracyofspotpositiononanInGaAsquadrantdetector[J].AppliedOptics， 2015， 54（27）： 8049-8054.

[11]張輝，陳云善，耿天文，等.四象限探測器位置檢測精度的主要影響因素研究[J].中國激光，2015，12（42）：306-314.