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JJF2076—2023高速光电探测器校准规范CalibrationSpecificationforHighSpeedPhotodetectors2023-10-12发布2024-04-12实施国家市场监督管理总局发布高速光电探测器校准规范CalibrationSpecificationforHighSpeedPhotodetectors􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀧣􀧣􀧣􀧣JJF2076—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—2023目录引言(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)……………………………………………ⅠJJF2076—2023引言JJF1071—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。ⅡJJF2076—2023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。1JJF2076—20236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;上升时间:7ps~3ps,不确定度:1.2ps(k=2)。6.2.4可变光衰减器波长范围: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)。2JJF2076—20236.2.8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3JJF2076—2023a)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频同步输出端口与示波器的外触发输入端相连接。图1示波器法仪器连接示意图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)计算上升时间示值的平均值:tr=1n∑ni=1tri(1)式中:tr———被校高速光电探测器上升时间示值的平均值,ps;n———测量次数;tri———第i次测量得到的被校高速光电探测器上升时间测量值,ps。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:τ=1n∑ni=1τi(2)式中:τ———被校高速光电探测器脉冲宽度示值的平均值,ps;n———测量次数;τi———第i次测量得到的被校高速光电探测器脉冲宽度测量值,ps。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4JJF2076—2023图2电光采样法校准连接示意图a)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tr和脉冲宽度示值的平均值τ。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:Pλ=1n∑ni=1Pλi(3)Iλ=1n∑ni=1Iλi(4)式中:Pλ———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;Iλ———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;Pλi———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值,W;5JJF2076—2023Iλi———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值,A。图3直流响应度校准连接示意图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RλI,将计算结果记录于表A.4的表格中:RλI=Iλ/Pλ(5)式中:RλI———直流响应度,A/W;Pλ———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;Iλ———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。7.2.43