【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(cè)技術(shù)的應(yīng)用深入到生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。光電檢測(cè)有直接檢測(cè)和相干檢測(cè)兩種,在微弱光信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域,經(jīng)常采用相干檢測(cè)的方式。相干檢測(cè)在激光通信、雷達(dá)測(cè)速和測(cè)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(cè)又可以分為零差檢測(cè)和外差檢測(cè),其中零差檢測(cè)作為測(cè)量電磁場(chǎng)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(cè)和相干態(tài)探測(cè)。本文主要研究零差檢測(cè)技術(shù)及零差檢測(cè)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。首先介紹了零差檢測(cè)原理,零差檢測(cè)器的電路結(jié)構(gòu),分析了零差檢測(cè)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(cè)器,分析了在實(shí)現(xiàn)零差檢測(cè)器過(guò)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(duì)表征零差檢測(cè)器的參數(shù)進(jìn)行分析和測(cè)試,總結(jié)兩種零差檢測(cè)器的性能參數(shù)并指出其優(yōu)劣勢(shì);最后給出了零差檢測(cè)器的改進(jìn)方案。目前科研機(jī)構(gòu)所報(bào)道的零差檢測(cè)器,其散粒噪聲比電噪聲和帶寬等參數(shù)無(wú)法很好的兼顧。而本論文主要研究的兩種零差檢測(cè)器,在保證這些參數(shù)同時(shí)達(dá)到較高水平的同時(shí),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(cè)器具有以下性能指標(biāo):Ⅰ.5MHz零差檢測(cè)器采用高增益帶寬積的跨阻抗運(yùn)放芯片方案,通過(guò)設(shè)計(jì)兩級(jí)放大電路結(jié)構(gòu),零差檢測(cè)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(shí),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(cè)器采用大帶寬射頻運(yùn)放芯片方案,通過(guò)設(shè)計(jì)兩級(jí)放大電路結(jié)構(gòu),零差檢測(cè)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(shí),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(cè)器均已達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),并且5MHz零差檢測(cè)器的散粒噪聲比電噪聲指標(biāo)和1.2GHz零差檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)對(duì)零差檢測(cè)器的要求。
【圖文】：

２．２零差檢測(cè)原理逡逑零差檢測(cè)是相干檢測(cè)的一種，它區(qū)別于直接檢測(cè)，零差檢測(cè)可以響應(yīng)光輻射逡逑的相干場(chǎng)，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(cè)結(jié)構(gòu)示意圖，從電磁場(chǎng)和電路理論入手討論零差檢測(cè)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(cè)結(jié)構(gòu)示意圖逡逑Ｌｏｃａ卜本振光，Ｓｉｇｎａｌ：信號(hào)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(hào)光（Ｓｉｇｎａｌ）和本振光（Ｌｏｃａｌ）的場(chǎng)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(dòng)，逡逑產(chǎn)生在耗盡區(qū)之外的載流子只能通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(chǎng)Ｅ，此電場(chǎng)由Ｎ區(qū)指逡逑向Ｐ區(qū)，形成耗盡區(qū)。當(dāng)沒(méi)有光照時(shí)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散會(huì)與少數(shù)載流子的漂移逡逑作用相互抵消，此時(shí)沒(méi)有載流子通過(guò)ＰＮ結(jié)產(chǎn)生電流。當(dāng)有光照射時(shí)，半導(dǎo)體材逡逑料釋放電子空穴對(duì)，光子將能量轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體材料中，電子和空穴對(duì)被激發(fā)到導(dǎo)逡逑態(tài)，而這部分載流子不一定會(huì)形成電流流動(dòng)，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(chǎng)Ｅ的加速作用下才會(huì)跨過(guò)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(chǎng)Ｅ，可以擴(kuò)大耗盡區(qū)，使得更長(zhǎng)擴(kuò)散長(zhǎng)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(duì)有效響應(yīng)的光波長(zhǎng)起決定性作用［２８］。薄型的ＰＮ結(jié)可以有效響應(yīng)短波長(zhǎng)的光
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN29

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7 黃瑞通,孟克;基于DSP的PGC信號(hào)解調(diào)方案的應(yīng)用研究[J];應(yīng)用科技;2005年03期

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本文編號(hào)：2637297