【摘要】：隨著光纖通信技術(shù)與半導(dǎo)體光敏器件的飛速發(fā)展,光電檢測技術(shù)的應(yīng)用深入到生產(chǎn)生活的各個方面。光電檢測有直接檢測和相干檢測兩種,在微弱光信號檢測領(lǐng)域,經(jīng)常采用相干檢測的方式。相干檢測在激光通信、雷達(dá)測速和測距、外差光譜學(xué)、激光陀螺及紅外物理等方面都有很廣泛的應(yīng)用。相干檢測又可以分為零差檢測和外差檢測,其中零差檢測作為測量電磁場正交分量的一種有力工具,經(jīng)常應(yīng)用于非經(jīng)典光領(lǐng)域,如光學(xué)相干層析成像,壓縮態(tài)探測和相干態(tài)探測。本文主要研究零差檢測技術(shù)及零差檢測器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。首先介紹了零差檢測原理,零差檢測器的電路結(jié)構(gòu),分析了零差檢測器的噪聲組成和降噪途徑;其次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩種零差檢測器,分析了在實(shí)現(xiàn)零差檢測器過程中芯片的選擇標(biāo)準(zhǔn),電路原理圖和PCB圖的設(shè)計(jì)方式;然后著重對表征零差檢測器的參數(shù)進(jìn)行分析和測試,總結(jié)兩種零差檢測器的性能參數(shù)并指出其優(yōu)劣勢;最后給出了零差檢測器的改進(jìn)方案。目前科研機(jī)構(gòu)所報(bào)道的零差檢測器,其散粒噪聲比電噪聲和帶寬等參數(shù)無法很好的兼顧。而本論文主要研究的兩種零差檢測器,在保證這些參數(shù)同時達(dá)到較高水平的同時,又在散粒噪聲比電噪聲和帶寬兩方面各有突破。這兩種零差檢測器具有以下性能指標(biāo):Ⅰ.5MHz零差檢測器采用高增益帶寬積的跨阻抗運(yùn)放芯片方案,通過設(shè)計(jì)兩級放大電路結(jié)構(gòu),零差檢測器的實(shí)際帶寬達(dá)到6MHz,均方根電噪聲為3.6mV,增益為121.6dB,當(dāng)光功率為1.78mW時,在0-5MHz任意頻率點(diǎn)處的散粒噪聲比電噪聲均大于27.85dB,共模抑制比在5MHz處為40.78dB。Ⅱ.1.2GHz零差檢測器采用大帶寬射頻運(yùn)放芯片方案,通過設(shè)計(jì)兩級放大電路結(jié)構(gòu),零差檢測器的實(shí)際帶寬達(dá)到1.2GHz,均方根電噪聲為3.08mV,增益為73.7dB,當(dāng)光功率為8mW時,散粒噪聲比電噪聲達(dá)到18dB,共模抑制比在50MHz處達(dá)到57.9dB。以上兩種零差檢測器均已達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),并且5MHz零差檢測器的散粒噪聲比電噪聲指標(biāo)和1.2GHz零差檢測器的帶寬指標(biāo)均已達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先水平,很好地滿足了零差檢測系統(tǒng)對零差檢測器的要求。
【圖文】：

２．２零差檢測原理逡逑零差檢測是相干檢測的一種，它區(qū)別于直接檢測，零差檢測可以響應(yīng)光輻射逡逑的相干場，能夠給出光波的振幅和相位信息。下面我們借助如圖２－１所示的零差逡逑檢測結(jié)構(gòu)示意圖，從電磁場和電路理論入手討論零差檢測的原理。逡逑｜邋Ｉ】（ｔ）逡逑Ｌｏｃａｌ逡逑—堅(jiān)—ｉ＾ｖ＞ＪＬｃＬｗ：ｐａｓｓ逡逑Ｃｏｕｐｌｅｒ邋＼逡逑Ｓｉｇｎａｌ邐＾逡逑＾邐Ｅ２（ｔ）＾邋▲逡逑Ｔ７２（ｔ）逡逑圖２－１零差檢測結(jié)構(gòu)示意圖逡逑Ｌｏｃａ卜本振光，Ｓｉｇｎａｌ：信號光，Ｃｏｕｐｌｅｒ：光纟千搞合器，丨－Ｖ：電逡逑流電壓轉(zhuǎn)換電路，Ｌｏｗ－ｐａｓｓ邋Ｆｉｌｔｅｒ：低通濾波器。逡逑首先設(shè)信號光（Ｓｉｇｎａｌ）和本振光（Ｌｏｃａｌ）的場表達(dá)式分別為逡逑Ｅｓ（０邋＝邋Ｅｓ0邋ｃｏｓ（0）ｓｔ邋＋０Ｓ），邐（２－１）逡逑６逡逑

在光電二極管中，產(chǎn)生在耗盡區(qū)內(nèi)的載流子被加速向二極管兩端運(yùn)動，逡逑產(chǎn)生在耗盡區(qū)之外的載流子只能通過擴(kuò)散進(jìn)行運(yùn)動或直接被復(fù)合。逡逑所謂光電效應(yīng)如圖２－２所示，指的是在半導(dǎo)體材料中，由于ＰＮ結(jié)的存在，逡逑Ｐ區(qū)的空穴和Ｎ區(qū)的電子在擴(kuò)散作用下自發(fā)形成內(nèi)建電場Ｅ，此電場由Ｎ區(qū)指逡逑向Ｐ區(qū)，形成耗盡區(qū)。當(dāng)沒有光照時，多數(shù)載流子的擴(kuò)散會與少數(shù)載流子的漂移逡逑作用相互抵消，此時沒有載流子通過ＰＮ結(jié)產(chǎn)生電流。當(dāng)有光照射時，半導(dǎo)體材逡逑料釋放電子空穴對，光子將能量轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體材料中，電子和空穴對被激發(fā)到導(dǎo)逡逑態(tài)，而這部分載流子不一定會形成電流流動，只有在半導(dǎo)體材料ＰＮ結(jié)的耗盡區(qū)逡逑內(nèi)釋放的載流子在內(nèi)建電場Ｅ的加速作用下才會跨過ＰＮ結(jié)形成電流。如果在逡逑ＰＮ結(jié)外加反向偏置電壓，，增強(qiáng)內(nèi)建電場Ｅ，可以擴(kuò)大耗盡區(qū)，使得更長擴(kuò)散長逡逑度內(nèi)生成的載流子成為傳導(dǎo)電流。ＰＮ結(jié)的深度和廣度既決定著耗盡區(qū)的位置，逡逑又對有效響應(yīng)的光波長起決定性作用［２８］。薄型的ＰＮ結(jié)可以有效響應(yīng)短波長的光
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN29

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本文編號：2637297