四象限探测器测试方法

王之哲　陈勇国　陈思　王小强

摘要：目前国内缺乏专门针对四象限探测器的测试标准，导致在实际测试中存在参数不统一、测试体系不完善等问题。该文从四象限探测器的工作原理出发，分析四象限探测器关键参数及其定义，研究形成四象限探测器关键参数的测试方法，并选取一款四象限APD探测器组件开展测试验证，对比分析不同工作温度对产品噪声、上升时间、下降时间等关键参数的影响。样品各象限响应度不小于1.40×105V/W，象限间响应一致性超过96%;各象限噪声均为1.09mV，表现出良好的性能。同时样品的噪声与其工作温度成正比;当工作温度为25°C时，组件上升時间与下降时间均最短，响应速度最快。实验结果表明形成的测试方法合理可行，能够为四象限探测器的测试及评价提供借鉴和参考。

关键词：应用光学;四象限探测器;测试方法;激光跟踪

中图分类号：TN215

文献标志码：A

文章编号：1674–5124（2019）02–0001–06

0 引言

四象限探测器是指利用微电子工艺，将4个参数相同的光电二极管按照直角坐标系要求，集成在同一半导体基材上的光电探测器。它具有灵敏度高、准确度高、光谱范围宽、动态范围宽、体积小、计算简便等优点，被广泛应用于激光制导、激光雷达、空间光通信等激光跟踪领域[1-4]。

近年来，四象限探测器研究主要侧重于修正定位误差、改进定位算法和提高测量准确度等方面，很少有文献涉及四象限探测器关键参数测试方法的系统研究。张骏等[5]通过分析四象限光电探测器的原理及其定位误差，提出了一种标定并修正其固有误差以及四象限非均匀性的方法。周洪伟[6]搭建了基于虚拟仪器的四象限探测器噪声检测系统，实现了四象限探测器的四通道低频噪声同时检测与处理。程韦等[7]从理论上详细分析了光斑性质对探测结果的影响，并通过数值仿真得出了光斑大小和光斑强度与测量准确度的关系。杨桂栓等[8]详细分析了四象限探测器死区对探测范围内探测灵敏度的影响，发现死区宽度相对光斑半径的比例越大，探测器的灵敏度越高。Tang等[9]提出了一种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实时测量的准确度。Wu等[10]则通过分析光斑位置与InGaAs四象限探测器输出信号的关系，结合玻尔兹曼方法，提出了一种新的计算公式，有效提高光斑测量的准确度。

目前国内缺乏专门针对四象限探测器的测试标准，加上国外的技术封锁，导致在产品实际测试中存在参数不统一、测试体系不完善等问题，因此，迫切需要开展四象限探测器测试技术研究。

针对上述问题，本文从四象限探测器的工作原理出发，研究形成四象限探测器关键参数的测试方法，同时开展测试验证。

1 四象限探测器工作原理

当光斑照在四象限探测器的光敏面上时，每个象限都会接收光能，产生光电流。假设4个象限接收到的光能量分别为P1、P2、P3、P4，对应产生的光电流分别为I1、I2、I3、I4。当光斑质心与四象限探测器中心重合时，由于每个象限光照面积相等，所以I1=I2=I3=I4。

四象限探测器工作原理如图1所示，当光斑质心相对探测器中心偏离时，各象限光照面积会有所差异，从而导致每个象限产生的光电流也有所不同。由此可以计算光斑在X方向和Y方向的位移：

通过利用光斑的分布模型，可以由光斑质心的相对位置（xr，yr）解算出其实际位置（x0，y0）。常用的光斑分布模型有均匀光斑和高斯光斑。在实际应用中，激光光束经过光学元件扩束、整形和耦合后成像在四象限探测器上的光斑能量分布通常为高斯分布[11]。

高斯分布光斑能量表达式为

其中P0为光斑总能量，w为高斯光斑的半径。

假设光斑在探测器光敏面外的光能量可以忽略不计，则有：

将式（3）～式（5）代入式（1）、式（2）可得：

其中erf（x）为误差函数。

光斑质心的实际位置坐标可以由下式推导：

其中erf–1（x）为反误差函数，可以通过查找函数库求解。

2 关键参数测试方法

基于上述的四象限探测器工作原理，借鉴和参考现有的标准如GJB8121-2013《半导体光电组件通用规范》、SJ/T2354-2015《PIN、雪崩光电二极管测试方法》等，分析明确四象限探测器的关键参数（如响应度、象限间响应度一致性、噪声、光动态范围、上升时间、下降时间和输出阻抗等）及其定义。针对每一关键参数，通过分析其测试原理，开展测试条件、测试步骤的研究，最终形成四象限探测器关键参数测试方法。

2.1 响应度

响应度指在规定条件下，四象限探测器组件各象限输出电压幅度与入射光功率的比值[6]。测试原理框图如图2所示。

响应度的测试步骤如图3所示，具体为：

1）调整数字源表，设置四象限探测器的工作电压，使其处于正常工作状态，同时设置示波器负载阻抗RL=1MΩ;

2）根据四象限探测器使用要求设置信号源的重复频率f、占空比，选择合适的激光波长λ;

3）将激光器的光输出端与光衰减器入口连接，用光功率计测量光衰减器输出光的平均功率，调整光衰减器的衰减倍数，实现需要的输出光平均功率PINA，则脉冲信号峰值光功率PIN=2PINA;

4）按图2连接，接通电源，遮蔽背景杂散光;

5）保持激光器的驱动条件、光衰减器的衰减倍数不变，设置信号源脉宽tw，使光衰减器输出光通过光纤依次照射到4个象限的光敏面上，调整光纤位置，观察示波器使输出信号脉冲幅度最大，依次读取各象限的输出信号脉冲幅度，记为Vout1、Vout2、Vout3、Vout4;

6）分别计算组件四个象限的响应度RVn，其表达式为：

其中n=1，2，3，4，分别代表4个象限。

2.2 象限间响应度一致性

象限间响应度一致性指在规定条件下，四象限探测器组件各象限响应度接近4个象限响应度平均值的百分比。测试原理框图如图2所示，在测得4个象限的响应度以后，分别计算四个象限间响应度一致性，其表达式为

2.3 噪声

噪声指在规定条件下，四象限探测器组件各象限电压噪声有效值的大小[2]。测试步骤如图4所示，具体为：

1）调整数字源表，设置四象限探测器的工作电压，使其处在正常工作状态，同时设置示波器负载阻抗RL=1MΩ;

2）按图2连接，接通电源，遮蔽背景杂散光;

3）关闭光源;

4）依次从示波器上读取组件4个象限的电压噪声有效值RMSn（n=1，2，3，4）。

2.4 光动态范围

光动态范围指在规定条件下，最大接收光功率与最小接收光功率之比。最大接收光功率定义为信号输出幅度大于等于固定值时的光功率;最小接收光功率定义为信噪比为1∶1时的光功率。测试步骤如图5所示，具体为：

1）分别计算出组件4个象限的最小接收光功率PMINn，其表达式为：

2）调整数字源表，设置四象限探测器的工作电压，使其处在正常工作状态，同时设置示波器负载阻抗RL=1MΩ;

3）根据四象限探测器使用要求设置信号源的重复频率f、占空比，选择合适的激光波长λ;

4）连续减小光衰减器的衰减倍数，直至组件4个象限的输出幅度不再随输入光功率的增加而增大，用光功率计测量出对应的输入平均功率记为PINn，则组件4个象限最大线性接收功率PMAXn=2PINn;

5）分别计算出组件4个象限的光動态范围Dλn，其表达式为：

2.5 上升时间、下降时间

为了评价四象限探测器的响应速度，借鉴SJ/T2354-2015《PIN、雪崩光电二极管测试方法》等标准，引入上升时间、下降时间两个参数。上升时间指在规定条件下，四象限探测器组件各象限输出脉冲前沿从峰值的10%到90%的时间间隔。下降时间指在规定条件下，四象限探测器组件各象限输出脉冲后沿从峰值的90%到10%的时间间隔。测试原理见图2，测试步骤如图6所示，具体为：

1）调整数字源表，设置四象限探测器的工作电压，使其处在正常工作状态，同时设置示波器负载阻抗RL=1MΩ;

2）根据四象限探测器使用要求设置信号源的重复频率f、脉宽tw，选择合适的激光波长λ;

3）将激光器的光输出端与光衰减器入口连接，用光功率计测量光衰减器输出光的平均功率，调整光衰减器的衰减倍数，实现需要的输出光平均功率PINA，则脉冲信号峰值光功率PIN=2PINA;

4）按图2连接，接通电源，遮蔽背景杂散光;5）将光衰减器输出光通过光纤依次照射到4个象限的光敏面上，调整光纤位置，用示波器依次读取组件各个象限输出信号脉冲响应上升时间trn和下降时间tfn（n=1，2，3，4）。

2.6 输出阻抗

输出阻抗指在规定条件下，四象限探测器组件各象限输出信号脉冲幅度最大时对应的输出端阻抗。测试步骤如图7所示：

1）～5）与响应度测试步骤1）～5）完全一致;

6）设置示波器负载阻抗RL=50Ω，依次读取各象限输出信号脉冲幅度VOUTn;

7）可计算出组件的输出阻抗Ron，其表达式为：

其中n=1，2，3，4，分别代表4个象限。

3 测试结果及分析

3.1 关键参数测试

为了验证上述四象限探测器测试方法的有效性，选取某型号四象限APD探测器组件开展关键参数的测试评价。测试样品由制冷型四象限Si基APD探测器、前置放大电路组成，采用晶体管外形封装（TO封装），测试时把样品固定在定制的测试夹具上。测试样品和测试夹具照片分别如图8（a）、图8（b）所示。

测试平台如图9所示，由TDS3034B型数字示波器、GPS-3303C型直流稳压电源、PM20型光功率计（置于激光器背面）、Agilet33250A型信号源、Keithley2410数字源表和1064nm激光器组成。

根据四象限APD探测器组件的使用要求，确定各个关键参数的测试条件如下：

1）组件的正电源UCC设置为（5±0.05）V，负电源UDD设置为（–5±0.05）V，APD工作电压设置为反向击穿电压的80%（或–60V），确保其工作在线性模式。

2）信号源的重复频率f设置为10kHz，脉宽tw设置为200ns，占空比设置为50%;激光波长λ为（1064±10）nm;

3）参数测试在室温环境（25°C）下进行。测试响应度、输出阻抗时脉冲信号峰值光功率PIN设置为（1±0.05）μW;测试上升时间、下降时间测试时，为了更准确读取结果，PIN设置为（5±0.05）μW。

测试结果如表1所示，四象限APD探测器组件各关键参数性能指标均满足规格要求，表现出优良的性能水平：组件4个象限的响应度均达到或超过1.40×105V/W，象限间响应一致性超过96%，展示出较高的探测精度;4个象限的噪声均为1.09mV，光动态范围均为47dB，表现出较高的探测灵敏度和较宽的探测范围;组件4个象限的上升时间均未超过14ns，下降时间均小于12ns，表现出较快的响应速度;4个象限输出阻抗都小于12Ω，表现出较高的驱动负载能力。

3.2 工作温度对关键参数的影响

为了进一步分析不同工作温度对样品探测性能的影响，参考GJB8121-2013《半导体光电组件通用规范》，在现有测试平台基础上，集成MC-810P型温箱，搭建四象限探测器高低温在线测试系统（见图10），重点分析不同工作温度（?45°C、25°C、70°C）对四象限APD探测器组件噪声、上升时间、下降时间等关键参数的影响，对产品的温度可靠性开展评价。

不同工作温度下样品的噪声测试结果如表2所示，可以发现在不同工作温度下，四象限APD探测器组件4个象限的噪声均在1.5mV以下，达到產品规格要求，展现出良好的探测灵敏度。同时，样品的噪声与其工作温度成正相关，随着工作温度的升高，4个象限的噪声都有一定程度的增加。这可能由器件的热噪声随温度升高而增加所导致。

表3和表4给出了不同工作温度下四象限探测器组件上升时间与下降时间的测试结果。可以发现在不同工作温度下，样品4个象限的响应时间均在30ns以内，满足产品规格要求，展现出较快的响应速度。测试结果同时表明，当工作温度为25°C时，四象限APD探测器组件的上升时间与下降时间均最短，响应速度最快。

4 结束语

为满足四象限探测器的检测需求，本文针对其关键参数测试技术开展系统研究，通过理论分析和实验验证，形成了四象限探测器测试方法，能够为四象限探测器的检测及评价提供借鉴和指导。实验结果验证了本文提出测试方法的可行性，后续将针对四象限探测器的可靠性评价方法开展研究。

参考文献

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