高速光电子芯片测试及校准技术研究

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光电子集成芯片具有低功耗、高速率、高可靠、小体积等优势而受到广泛关注。作为光电子集成技术中的核心器件,高速光电子芯片也在迅速发展,广泛应用于光通信、光计算、微波光子等领域中。准确评估光电子芯片的性能和工作状态,完成光电子芯片的测试和校准是光电子芯片制造和应用中不可或缺的重要环节。本文针对光电子芯片测试中的微波适配网络校准及电光型器件和光电型器件自校准的关键问题进行研究,将扩展开路-短路-负载(OSL)法和T矩阵去嵌入法结合实现了微波适配网络的校准,并且提出了一种基于锁模激光器的光采样扫频测试法实现了高速光电子芯片频响特性的自校准测试。主要研究内容如下:(1)微波适配网络的校准。从光电子器件的S参数理论出发,分析了由光电子器件组成的级联网络的S参数与光电子器件频响特性和反射特性之间的关系。采用扩展OSL法提取出适配网络的S参数,利用T矩阵的级联特性和S参数与T参数的关系实现了微波适配网络的去嵌入校准,进而获得光电子器件的相对频率响应和反射系数。并在仿真和实验的基础上,测量了马赫-曾德尔调制器(MZM)和光电探测器的频率响应和反射系数,实验结果与短路-开路-负载-直通(SOLT)校准法比较,验证了微波适配网络校准方法的正确性。(2)基于锁模激光器的光采样扫频测试方法实现了高速光电子器件的自校准测试。本方法使用锁模激光器产生的光频梳作为光载波,对由电光强度调制器和光电探测器构成的级联网络进行三次扫频测试,建立测试系统中光电子器件频响特性之间的关系,计算出电光强度调制器和光电探测器的频率响应特性。从仿真和实验上进行验证,测量了MZM的半波电压和相对频率响应及光电探测器的相对频率响应。本方案消除了锁模激光器的不平坦响应引入的误差,无需额外的参考器件,测试方便,系统简单,实现了光电子器件频响特性高精度、高准确度的自校准测试。(3)完成了光电探测器芯片相对频率响应特性的测试以及电吸收调制激光器(EML)的测试和建模。通过微波适配网络的校准方法和基于锁模激光器的自校准方法提高了测试结果的准确度。将EML看做电-电-光的三端口网络,建立EML的小信号等效电路模型,通过测得的S参数,提取出电路模型中各元件参数,实现了EML内部微波串扰作用的表征,为EML芯片的优化思路提供了参考。
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