平衡探測技術由光外差技術演變而來,具有光外差探測技術靈敏度高、抗干擾能力強的優(yōu)點,另外,平衡探測技術還具有高信噪比、高參考光利用率的獨特優(yōu)勢。這些優(yōu)點使平衡探測技術自提出以來,就迅速引起眾多科研人員的關注與研究,并被廣泛的應用到光學探測系統(tǒng)中。本文首先介紹了前人對平衡探測技術的研究成果,然后推導了直接探測、光外差探測和平衡探測技術的輸出光電流,并對各自的優(yōu)勢進行了分析。介紹了電壓模式電路和跨阻放大電路兩種電流-電壓轉換電路,推導了兩種電路帶寬和增益。分析了平衡探測器中散粒噪聲、熱噪聲和相對強度噪聲的特性,推導了平衡探測器的信噪比表達式。隨后,本文分析了將平衡探測器用于DVS系統(tǒng)中,輸出噪聲較大的問題,結合平衡探測器中噪聲的特性,從電學角度上提出了使用差分電路處理中頻信號和根據(jù)信號帶寬針對性的調整探測器輸出帶寬兩種優(yōu)化噪聲的方案。制作了用于DVS系統(tǒng)的平衡探測器,驗證了平衡探測相對于單源探測的優(yōu)勢。實驗數(shù)據(jù)表明,這兩種方案均能改善平衡探測器的輸出噪聲,相比于使用單端放大電路、具有40MHz帶寬的平衡探測器,使用全差分放大電路、信號帶寬減小至15MHz時的平衡探測器的整體噪聲幅度下降了14... 

【文章來源】：武漢郵電科學研究院湖北省

【文章頁數(shù)】：60 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

空間耦合平衡探測器

高精度自動平衡時域平衡零拍探測器示意圖

武漢郵電科學研究院碩士學位論文7受到極大限制，使用光電二極管和電放大結構的接收機遠不能滿足超高速光纖通信系統(tǒng)對于通信速率的要求。提高光電探測器的飽和輸出功率要遠比提高運放的帶寬來的容易，于是，研究人員提出了使用光放大器和光電二極管組成的高速光接收機結構，使用光放大器對信號光進行功率放大，代替了電放大結構中的運算放大器，避免了運放自身帶寬對系統(tǒng)的影響，提高了接收機的通信速率，同時也簡化了接收機的機構[31]，但此種場景下的光電二極管需要有更高的帶寬和更高的飽和輸出功率。兩種接收機框架如圖1-4所示。目前，用于高速通信系統(tǒng)的平衡探測器主要是針對具有高帶寬和高飽和輸出功率的PD芯片研究。圖1-4(a)改進的光放大接收機(b)傳統(tǒng)的電放大接收機在光電二極管的光電轉化過程中，外部提供的直流偏置會在PN結中提供一個偏置電場，這個偏置電場使得載流子穿過耗盡層，形成光電流。在高輸入光功率情況下，大量的光生載流子會產(chǎn)生一個反向電場，減小偏置電場的強度，延長載流子渡越耗盡區(qū)的時間，限制探測器的輸出功率。在高速情況下，空間電荷效應會加劇，探測器的RF輸出會受到進一步壓縮。研究人員已經(jīng)研制出各種新型結構的PD結構來實現(xiàn)高頻率下的高輸出功率，如部分耗盡的吸收層，雙耗盡層和單行載流子(UTC)等[32]。目前，高功率高帶寬的平衡探測器芯片大多采用UTC結構。比較有代表性的是V.Houtsam等人研制的高功率單行載流子平衡探測器如下圖1-5所示，整個結構在半絕緣的InP晶片上生成[33]。使用1550nm的激光器對系統(tǒng)進行測試，，在16V反向偏壓、2GHz的帶寬條件下，輸出到50歐姆的負載上，可提供超過1W(30dBm)的RF輸出功率，響應度為0.65A/W，平衡二極管對的共

【參考文獻】：
期刊論文
[1]光平衡探測器研究進展和發(fā)展趨勢分析[J]. 王姣姣,趙澤平,劉建國.  激光與光電子學進展. 2018(10)
[2]高速空間相干光平衡探測器結構優(yōu)化[J]. 代永紅,梁赫西,武強,楊海峰,盧歐欣.  光學精密工程. 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]空間光耦合平衡探測器設計與測試[J]. 梁赫西,代永紅,艾勇,石倩蕓,周凌林,單欣.  紅外與激光工程. 2017(03)
[5]相干光通信中平衡探測器的研究與測試[J]. 石倩蕓,艾勇,梁赫西,代永紅,陳晶.  科學技術與工程. 2016(16)
[6]時域脈沖平衡零拍探測器的高精度自動平衡[J]. 劉建強,王旭陽,白增亮,李永民.  物理學報. 2016(10)
[7]基于光電二極管反偏的光電檢測電路的噪聲分析[J]. 周玉蛟,任侃,錢惟賢,王飛.  紅外與激光工程. 2016(01)
[8]用于高速微弱光信號的平衡探測技術研究[J]. 劉宏陽,張燕革,艾勇,代永紅,陳晶.  激光技術. 2015(02)
[9]高速相干光通信平衡探測器研究[J]. 代永紅,艾勇,肖偉,周浩天,單欣.  光子學報. 2015(01)
[10]光電二極管低噪聲放大電路的設計[J]. 李漢超,劉士興,魯迎春,黃俊杰.  合肥工業(yè)大學學報(自然科學版). 2014(08)

碩士論文
[1]適合于水聲信號探測的外差相干光接收機性能分析[D]. 甘雙園.北京郵電大學 2019
[2]基于平衡探測器的光外差探測系統(tǒng)研究[D]. 李玉.國防科學技術大學 2015
[3]合成孔徑激光雷達中平衡探測技術研究[D]. 何佶珂.西安電子科技大學 2010
[4]光外差法產(chǎn)生微波（毫米波）信號的研究[D]. 王沁泉.電子科技大學 2009



本文編號：3556278