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UPD超快光电探测器的功率密度计算

作者: 时间:2023-06-12

在使用Alphalas UPD超快光电探测器时,对于所有遇到光电探测器没有信号或信号非常小这种问题的客户,经过事实证明,没有任何例外的原因都是落在光电探测器芯片敏感区的输入光功率太低。


下面以UPD-50-SP超快光电探测器为例:



用功率仅为1 mW633nm激光对UPD-50-SP进行测试。首先,我们参考UPD超快光电探测器UPD-50-SP的灵敏度曲线。在633nm,灵敏度为0.5 A/W(或0.5 mA/mW)。因为具有1mW的光功率,所以将仅产生0.5mA的光电流。这个光电流将在快速示波器的50欧姆输入阻抗上产生0.5 mA*50欧姆=25 mV的电压降。这就是应该期待的信号。

对于PULSED信号(如短激光脉冲),电压幅度会更低,因为连接光电探测器和示波器的50欧姆阻抗电缆和高带宽示波器的50欧姆阻抗输入构成了2:1的分压器,所以我们只能得到上述计算幅度的一半(12.5 mV)。指定的灵敏度值仅在1 mW的全部光功率落在光电探测器的感光区时有效(Alphalas UPD-50-SP的直径为100 μm,但可能更小,最快的光电探测器的直径为30 μm)。我们不能简单地把光电探测器放在633nm的光束中(通常有1毫米的直径),并期望根据上述计算得到一个信号。实际上,信号将由激光束的面积和光电探测器敏感区的比例决定。这是一个系数:(1毫米/0.1毫米)2=100(非常不准确的估计,因为激光束有一个高斯强度分布)。因此,信号将是: 25 mV/100 = 0.25 mV而已。大多数示波器不能检测到这样的低电平信号,所以客户就得到了光电探测器没有信号的结果。


再举一个如何计算信号振幅的例子:

通过使用灵敏度曲线并假设光束截面与光电探测器的小敏感区相匹配(请参考数据表): 让一个波长为500nm、峰值功率为0.1W的光脉冲落在UPD超快光电探测器UPD-300-SP的敏感区内。根据灵敏度曲线,其灵敏度为0.23 A/W。那么,峰值电流将是0.023 A。在50 Ohm欧姆终端(例如示波器的输入)上,这个电流将导致0.023 A*50欧姆=1.15 V的电压信号。

上述计算输出信号的方法是正确的,前提是:

        a)光电探测器的带宽有限,光脉冲没有被整合。例如,如果有一个10ps长的脉冲,而光电探测器的指定FWHM响应是100ps,那么光信号将被光电探测器强烈地积分,导致比上面计算的振幅大约低10倍;

        b) 使用与光电探测器带宽相比带宽较小的示波器,情况也是如此。如果光电探测器有10GHz的带宽,但在一个1GHz的示波器上观察脉冲,来自光电探测器的信号将被强烈地整合(大约10倍)。1 GHz的示波器上观察脉冲,来自光电探测器的信号将被强烈整合(大约10倍),导致振幅大大降低。关于损坏阈值也必须被考虑到(请参考相应的文件)。


从光电探测器得到的信号很小或没有时的解决方案:

a) 用透镜聚焦激光束,使全光功率落在光电探测器的敏感区域。但是,这里需要特别注意,不要超过光电探测器的功率极限(对于这个特定的光电探测器UPD-30-VSG-P来说,它是: 脉冲宽度>1 ns的连续光到脉冲光: 5 mW;只有脉冲,< 1 ns50 mW). 对于具有良好光束质量(M2<2)的CW激光,还有一个危险是,即使是非常低的功率,当非常紧密地聚焦时,也会对光电探测器造成热损伤。如果在633nm处聚焦一束10mW的光,接近衍射极限(比如说直径约为2微米),功率密度将是: 10e-3 W/ 3.14*1e-8cm2 = 320 kW/cm2。这种巨大的功率密度可能会融化或局部破坏光电探测器的半导体芯片。

b) 将光电探测器安装在XYZ平移状态,以使光电探测器的微小敏感区与聚焦激光束的焦点相匹配。请注意:在短脉冲的情况下,由于光电探测器和示波器的积分会降低计算出的峰值电压振幅。当然,需要确保电源的连接(或安装电池),以提供光电探测器的偏压,并检查所有电缆是否正常工作。同样,对于光纤耦合光电探测器(如UPD-15-IR2-FC,光纤模场直径只有9μm),需要提供足够的光功率耦合到单模光纤,从而避免从光电探测器得到的信号很小或没有。


综上所述,请按照以下步骤来计算预期的信号峰值:

1.根据灵敏度曲线,计算出峰值光电流Ip,方法是将感兴趣的波长处的灵敏度A/W乘以预期(或已知)峰值功率W

2. 将峰值光电流Ip乘以50欧姆(对于短脉冲,除以2)。结果就是示波器屏幕上观察到的峰值电压信号。

3.考虑到脉冲宽度、光电探测器的带宽和示波器的带宽。



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