光外差平衡探测关键技术研究
发布时间：2021-12-29 14:07
平衡探测技术由光外差技术演变而来,具有光外差探测技术灵敏度高、抗干扰能力强的优点,另外,平衡探测技术还具有高信噪比、高参考光利用率的独特优势。这些优点使平衡探测技术自提出以来,就迅速引起众多科研人员的关注与研究,并被广泛的应用到光学探测系统中。本文首先介绍了前人对平衡探测技术的研究成果,然后推导了直接探测、光外差探测和平衡探测技术的输出光电流,并对各自的优势进行了分析。介绍了电压模式电路和跨阻放大电路两种电流-电压转换电路,推导了两种电路带宽和增益。分析了平衡探测器中散粒噪声、热噪声和相对强度噪声的特性,推导了平衡探测器的信噪比表达式。随后,本文分析了将平衡探测器用于DVS系统中,输出噪声较大的问题,结合平衡探测器中噪声的特性,从电学角度上提出了使用差分电路处理中频信号和根据信号带宽针对性的调整探测器输出带宽两种优化噪声的方案。制作了用于DVS系统的平衡探测器,验证了平衡探测相对于单源探测的优势。实验数据表明,这两种方案均能改善平衡探测器的输出噪声,相比于使用单端放大电路、具有40MHz带宽的平衡探测器,使用全差分放大电路、信号带宽减小至15MHz时的平衡探测器的整体噪声幅度下降了14...
【文章来源】：武汉邮电科学研究院湖北省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空间耦合平衡探测器
高精度自动平衡时域平衡零拍探测器示意图
武汉邮电科学研究院硕士学位论文7受到极大限制，使用光电二极管和电放大结构的接收机远不能满足超高速光纤通信系统对于通信速率的要求。提高光电探测器的饱和输出功率要远比提高运放的带宽来的容易，于是，研究人员提出了使用光放大器和光电二极管组成的高速光接收机结构，使用光放大器对信号光进行功率放大，代替了电放大结构中的运算放大器，避免了运放自身带宽对系统的影响，提高了接收机的通信速率，同时也简化了接收机的机构[31]，但此种场景下的光电二极管需要有更高的带宽和更高的饱和输出功率。两种接收机框架如图1-4所示。目前，用于高速通信系统的平衡探测器主要是针对具有高带宽和高饱和输出功率的PD芯片研究。图1-4(a)改进的光放大接收机(b)传统的电放大接收机在光电二极管的光电转化过程中，外部提供的直流偏置会在PN结中提供一个偏置电场，这个偏置电场使得载流子穿过耗尽层，形成光电流。在高输入光功率情况下，大量的光生载流子会产生一个反向电场，减小偏置电场的强度，延长载流子渡越耗尽区的时间，限制探测器的输出功率。在高速情况下，空间电荷效应会加剧，探测器的RF输出会受到进一步压缩。研究人员已经研制出各种新型结构的PD结构来实现高频率下的高输出功率，如部分耗尽的吸收层，双耗尽层和单行载流子(UTC)等[32]。目前，高功率高带宽的平衡探测器芯片大多采用UTC结构。比较有代表性的是V.Houtsam等人研制的高功率单行载流子平衡探测器如下图1-5所示，整个结构在半绝缘的InP晶片上生成[33]。使用1550nm的激光器对系统进行测试，，在16V反向偏压、2GHz的带宽条件下，输出到50欧姆的负载上，可提供超过1W(30dBm)的RF输出功率，响应度为0.65A/W，平衡二极管对的共
【参考文献】：
期刊论文
[1]光平衡探测器研究进展和发展趋势分析[J]. 王姣姣,赵泽平,刘建国. 激光与光电子学进展. 2018(10)
[2]高速空间相干光平衡探测器结构优化[J]. 代永红,梁赫西,武强,杨海峰,卢欧欣. 光学精密工程. 2017(10)
[3]Practical Pattern Recognition System for Distributed Optical Fiber Intrusion Monitoring Based on Ф-COTDR[J]. CAO Cong,FAN Xinyu,LIU Qingwen,HE Zuyuan. ZTE Communications. 2017(03)
[4]空间光耦合平衡探测器设计与测试[J]. 梁赫西,代永红,艾勇,石倩芸,周凌林,单欣. 红外与激光工程. 2017(03)
[5]相干光通信中平衡探测器的研究与测试[J]. 石倩芸,艾勇,梁赫西,代永红,陈晶. 科学技术与工程. 2016(16)
[6]时域脉冲平衡零拍探测器的高精度自动平衡[J]. 刘建强,王旭阳,白增亮,李永民. 物理学报. 2016(10)
[7]基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析[J]. 周玉蛟,任侃,钱惟贤,王飞. 红外与激光工程. 2016(01)
[8]用于高速微弱光信号的平衡探测技术研究[J]. 刘宏阳,张燕革,艾勇,代永红,陈晶. 激光技术. 2015(02)
[9]高速相干光通信平衡探测器研究[J]. 代永红,艾勇,肖伟,周浩天,单欣. 光子学报. 2015(01)
[10]光电二极管低噪声放大电路的设计[J]. 李汉超,刘士兴,鲁迎春,黄俊杰. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2014(08)
硕士论文
[1]适合于水声信号探测的外差相干光接收机性能分析[D]. 甘双园.北京邮电大学 2019
[2]基于平衡探测器的光外差探测系统研究[D]. 李玉.国防科学技术大学 2015
[3]合成孔径激光雷达中平衡探测技术研究[D]. 何佶珂.西安电子科技大学 2010
[4]光外差法产生微波（毫米波）信号的研究[D]. 王沁泉.电子科技大学 2009
本文编号：3556278
【文章来源】：武汉邮电科学研究院湖北省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空间耦合平衡探测器
高精度自动平衡时域平衡零拍探测器示意图
武汉邮电科学研究院硕士学位论文7受到极大限制，使用光电二极管和电放大结构的接收机远不能满足超高速光纤通信系统对于通信速率的要求。提高光电探测器的饱和输出功率要远比提高运放的带宽来的容易，于是，研究人员提出了使用光放大器和光电二极管组成的高速光接收机结构，使用光放大器对信号光进行功率放大，代替了电放大结构中的运算放大器，避免了运放自身带宽对系统的影响，提高了接收机的通信速率，同时也简化了接收机的机构[31]，但此种场景下的光电二极管需要有更高的带宽和更高的饱和输出功率。两种接收机框架如图1-4所示。目前，用于高速通信系统的平衡探测器主要是针对具有高带宽和高饱和输出功率的PD芯片研究。图1-4(a)改进的光放大接收机(b)传统的电放大接收机在光电二极管的光电转化过程中，外部提供的直流偏置会在PN结中提供一个偏置电场，这个偏置电场使得载流子穿过耗尽层，形成光电流。在高输入光功率情况下，大量的光生载流子会产生一个反向电场，减小偏置电场的强度，延长载流子渡越耗尽区的时间，限制探测器的输出功率。在高速情况下，空间电荷效应会加剧，探测器的RF输出会受到进一步压缩。研究人员已经研制出各种新型结构的PD结构来实现高频率下的高输出功率，如部分耗尽的吸收层，双耗尽层和单行载流子(UTC)等[32]。目前，高功率高带宽的平衡探测器芯片大多采用UTC结构。比较有代表性的是V.Houtsam等人研制的高功率单行载流子平衡探测器如下图1-5所示，整个结构在半绝缘的InP晶片上生成[33]。使用1550nm的激光器对系统进行测试，，在16V反向偏压、2GHz的带宽条件下，输出到50欧姆的负载上，可提供超过1W(30dBm)的RF输出功率，响应度为0.65A/W，平衡二极管对的共
【参考文献】：
期刊论文
[1]光平衡探测器研究进展和发展趋势分析[J]. 王姣姣,赵泽平,刘建国. 激光与光电子学进展. 2018(10)
[2]高速空间相干光平衡探测器结构优化[J]. 代永红,梁赫西,武强,杨海峰,卢欧欣. 光学精密工程. 2017(10)
[3]Practical Pattern Recognition System for Distributed Optical Fiber Intrusion Monitoring Based on Ф-COTDR[J]. CAO Cong,FAN Xinyu,LIU Qingwen,HE Zuyuan. ZTE Communications. 2017(03)
[4]空间光耦合平衡探测器设计与测试[J]. 梁赫西,代永红,艾勇,石倩芸,周凌林,单欣. 红外与激光工程. 2017(03)
[5]相干光通信中平衡探测器的研究与测试[J]. 石倩芸,艾勇,梁赫西,代永红,陈晶. 科学技术与工程. 2016(16)
[6]时域脉冲平衡零拍探测器的高精度自动平衡[J]. 刘建强,王旭阳,白增亮,李永民. 物理学报. 2016(10)
[7]基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析[J]. 周玉蛟,任侃,钱惟贤,王飞. 红外与激光工程. 2016(01)
[8]用于高速微弱光信号的平衡探测技术研究[J]. 刘宏阳,张燕革,艾勇,代永红,陈晶. 激光技术. 2015(02)
[9]高速相干光通信平衡探测器研究[J]. 代永红,艾勇,肖伟,周浩天,单欣. 光子学报. 2015(01)
[10]光电二极管低噪声放大电路的设计[J]. 李汉超,刘士兴,鲁迎春,黄俊杰. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2014(08)
硕士论文
[1]适合于水声信号探测的外差相干光接收机性能分析[D]. 甘双园.北京邮电大学 2019
[2]基于平衡探测器的光外差探测系统研究[D]. 李玉.国防科学技术大学 2015
[3]合成孔径激光雷达中平衡探测技术研究[D]. 何佶珂.西安电子科技大学 2010
[4]光外差法产生微波（毫米波）信号的研究[D]. 王沁泉.电子科技大学 2009
本文编号：3556278
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