微弱光信号零差检测研究

发布时间：2020-04-23 03:23

【摘要】：随着光纤通信技术与半导体光敏器件的飞速发展,光电检测技术的应用深入到生产生活的各个方面。光电检测有直接检测和相干检测两种,在微弱光信号检测领域,经常采用相干检测的方式。相干检测在激光通信、雷达测速和测距、外差光谱学、激光陀螺及红外物理等方面都有很广泛的应用。相干检测又可以分为零差检测和外差检测,其中零差检测作为测量电磁场正交分量的一种有力工具,经常应用于非经典光领域,如光学相干层析成像,压缩态探测和相干态探测。本文主要研究零差检测技术及零差检测器的设计实现。首先介绍了零差检测原理,零差检测器的电路结构,分析了零差检测器的噪声组成和降噪途径;其次设计实现了两种零差检测器,分析了在实现零差检测器过程中芯片的选择标准,电路原理图和PCB图的设计方式;然后着重对表征零差检测器的参数进行分析和测试,总结两种零差检测器的性能参数并指出其优劣势;最后给出了零差检测器的改进方案。目前科研机构所报道的零差检测器,其散粒噪声比电噪声和带宽等参数无法很好的兼顾。而本论文主要研究的两种零差检测器,在保证这些参数同时达到较高水平的同时,又在散粒噪声比电噪声和带宽两方面各有突破。这两种零差检测器具有以下性能指标:Ⅰ.5MHz零差检测器采用高增益带宽积的跨阻抗运放芯片方案,通过设计两级放大电路结构,零差检测器的实际带宽达到6MHz,均方根电噪声为3.6mV,增益为121.6dB,当光功率为1.78mW时,在0-5MHz任意频率点处的散粒噪声比电噪声均大于27.85dB,共模抑制比在5MHz处为40.78dB。Ⅱ.1.2GHz零差检测器采用大带宽射频运放芯片方案,通过设计两级放大电路结构,零差检测器的实际带宽达到1.2GHz,均方根电噪声为3.08mV,增益为73.7dB,当光功率为8mW时,散粒噪声比电噪声达到18dB,共模抑制比在50MHz处达到57.9dB。以上两种零差检测器均已达到设计指标,并且5MHz零差检测器的散粒噪声比电噪声指标和1.2GHz零差检测器的带宽指标均已达到业界领先水平,很好地满足了零差检测系统对零差检测器的要求。
【图文】：

２．２零差检测原理逡逑零差检测是相干检测的一种，它区别于直接检测，零差检测可以响应光辐射逡逑的相干场，能够给出光波的振幅和相位信息。下面我们借助如图２－１所示的零差逡逑检测结构示意图，从电磁场和电路理论入手讨论零差检测的原理。逡逑｜邋Ｉ】（ｔ）逡逑Ｌｏｃａｌ逡逑—坚—ｉ＾ｖ＞ＪＬｃＬｗ：ｐａｓｓ逡逑Ｃｏｕｐｌｅｒ邋＼逡逑Ｓｉｇｎａｌ逦＾逡逑＾逦Ｅ２（ｔ）＾邋▲逡逑Ｔ７２（ｔ）逡逑图２－１零差检测结构示意图逡逑Ｌｏｃａ卜本振光，Ｓｉｇｎａｌ：信号光，Ｃｏｕｐｌｅｒ：光纟千搞合器，丨－Ｖ：电逡逑流电压转换电路，Ｌｏｗ－ｐａｓｓ邋Ｆｉｌｔｅｒ：低通滤波器。逡逑首先设信号光（Ｓｉｇｎａｌ）和本振光（Ｌｏｃａｌ）的场表达式分别为逡逑Ｅｓ（０邋＝邋Ｅｓ0邋ｃｏｓ（0）ｓｔ邋＋０Ｓ），逦（２－１）逡逑６逡逑

在光电二极管中，产生在耗尽区内的载流子被加速向二极管两端运动，逡逑产生在耗尽区之外的载流子只能通过扩散进行运动或直接被复合。逡逑所谓光电效应如图２－２所示，指的是在半导体材料中，由于ＰＮ结的存在，逡逑Ｐ区的空穴和Ｎ区的电子在扩散作用下自发形成内建电场Ｅ，此电场由Ｎ区指逡逑向Ｐ区，形成耗尽区。当没有光照时，多数载流子的扩散会与少数载流子的漂移逡逑作用相互抵消，此时没有载流子通过ＰＮ结产生电流。当有光照射时，半导体材逡逑料释放电子空穴对，光子将能量转移到半导体材料中，电子和空穴对被激发到导逡逑态，而这部分载流子不一定会形成电流流动，只有在半导体材料ＰＮ结的耗尽区逡逑内释放的载流子在内建电场Ｅ的加速作用下才会跨过ＰＮ结形成电流。如果在逡逑ＰＮ结外加反向偏置电压，，增强内建电场Ｅ，可以扩大耗尽区，使得更长扩散长逡逑度内生成的载流子成为传导电流。ＰＮ结的深度和广度既决定着耗尽区的位置，逡逑又对有效响应的光波长起决定性作用［２８］。薄型的ＰＮ结可以有效响应短波长的光
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN29

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本文编号：2637297