CN102721955B - 2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器 - Google Patents

Abstract

2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器，为了解决在2μm相干激光测风雷达***中，平衡式外差光电探测器的模拟器件较多，不仅成本高，模拟器件还带来热噪声问题。在一个探测单元上同时制作两个参数几乎完全相同的PIN光电二极管。入射信号光和本振光分别经过分束器分为两束，分别导入到参数匹配的两个反向PIN管上在两个PIN光电探测器光敏面上进行光混频，各自产生外差信号，经过差分器后通过两级放大器输出平衡外差中频信号。其中，电容C1、电容C2和电容C3起滤波作用。本发明用于将光信号转换为电信号。

Description

2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器

技术领域

本发明涉及一种光电探测器，特别涉及一种2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器。

背景技术

目前采用平衡式外差探测技术，克服2-m相干激光测风雷达***中本振光散粒噪声对外差探测信噪比的影响，通过将两个具有相同属性的光电二极管的输出进行差分便可以消除本振光噪声，提高外差信号的信噪比，其工作原理如图1所示，平衡式外差接收单元由两只并联的探测器组成，每只探测器都有独立的光电二极管(PIN)、低噪声前置放大器、主放大器及带通滤波器。信号光和本振光分别经分束器分为上下两路。信号光和本振光的下路一并投射到下面的光电二极管上，信号光上路和180°相移的本振光一并投射到上面的光电二极管上。两路探测器的输出信号（相位相反）一同进入合成器再输出中频信号。

根据光电效应，在两个探测器上的输出端得到光电流(加负载产生光电压)，其中η₁、η₂分别表示两个探测器的量子效率，ε和(1-ε)为单模保偏光纤分束器的分束比，S²和L²表示信号光和参考光的光场强度，则有下式：

两个探测器中的噪声功率密度N₁和N₂，分别可表示为：

$N_1=2e{I}_{1,\mathrm{dc}}+2\mathrm{e\γ}{I}_{1,\mathrm{dc}}^2---\left(3\right)$

$N_2=2e{I}_{2,\mathrm{dc}}+2\mathrm{e\γ}{I}_{2,\mathrm{dc}}^2---\left(4\right)$

如果假设两路中的滤波器函数为A₁，那么就对光电流和噪声没有影响。为了推到这个***的信噪比密度，先假设增益2的增益因子为A₁，通过改变增益A₁的增益因子，分析信噪比功率密度。这时***的差分中频电流和差分噪声功率分别是：

$N\_=2e(A_1^2{I}_{1,\mathrm{dc}}-I_{2,\mathrm{dc}})+2\mathrm{e\γ}{(A_1{I}_{1,\mathrm{dc}}-I_{2,\mathrm{dc}})}^2---\left(6\right)$

从而可以得到信噪比为：

这时，如果独立推导探测器1或者探测器2单独工作的信噪比，只需让增益A₁为无穷大或者为零，即得到：

因为单元探测器是平衡式探测器的特殊情况，但并不是最优的，因此，很明显双端探测器的探测性能最低与单元探测器相同。

2μm平衡式外差光电探测器用来完成信号光和本振光的拍频，并对拍频后的中频信号放大以满足数字信号处理***的要求。

目前，平衡式外差光电探测器的模拟器件较多，不仅成本高，模拟器件还带来热噪声。

发明内容

本发明的目的是为了解决在2μm相干激光测风雷达***中，平衡式外差光电探测器的模拟器件较多，不仅成本高，模拟器件还带来热噪声问题，本发明提供一种2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器。

2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器，它包括第一PIN光电二极管、第二PIN光电二极管、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3、一级放大器、二级放大器、第一FC/APC端口和第二FC/APC端口；第一FC/APC端口的信号光输出端口与第一PIN光电二极管的光信号接收端连接，第一PIN光电二极管的阴极接电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端接供电电源的正极，第二FC/APC端口的本振光输出端口与第二PIN光电二极管的光信号接收端连接，第二PIN光电二极管的阳极接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端接供电电源的负极，第一PIN光电二极管的阳极、第二PIN光电二极管的阴极、电阻R3的一端同时与电容C1的一端连接，所述阻R3的另一端接电源地，所述电容C1的另一端与一级放大器的放大信号输入端连接，一级放大器的放大信号输出端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与二级放大器的放大信号输入端连接，二级放大器的放大信号输出端与电容C3的一端连接，电容C3的另一端为2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器的中频信号输出端。

本发明的优点是：根据平衡外差探测原理，本发明带光纤输入FC/APC端口的2μm平衡式光电探测器可以收集通过50/50单模保偏光纤分束器的大气后向散射信号光和本振光，同时可以消除本振光产生的幅度噪声，针对现有的平衡式外差光电探测器减少了一些模拟器件，降低了成本，也减少了模拟器件带来的热噪声。

附图说明

图1为现有的平衡式外差探测器的结构示意图。

图2为本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器的结构示意图。

图3为验证本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器的效果的实验电路原理图。

图4为本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器在工作电压为5.0V时，第一PIN光电二极管的时域信号示意图。横坐标表示时间，纵坐标表示第一PIN光电二极管的输出电压。

图5为本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器在工作电压为5.0V时，第二PIN光电二极管的时域信号示意图。横坐标表示时间，纵坐标表示第二PIN光电二极管的输出电压。

图6为本发明在工作电压为5.0V时，本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器输出的中频信号的时域信号示意图。横坐标表示时间，纵坐标表示本发明的输出电压。

图7为本发明在工作电压为5.0V时，本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器输出的中频信号的频域信号示意图。横坐标表示频率，纵坐标表示本发明的输出幅度。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图2至图7说明本实施方式，2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器，它包括第一PIN光电二极管1、第二PIN光电二极管2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3、一级放大器3、二级放大器4、第一FC/APC端口5和第二FC/APC端口6；第一FC/APC端口5的信号光输出端口与第一PIN光电二极管1的光信号接收端连接，第一PIN光电二极管1的阴极接电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端接供电电源的正极，第二FC/APC端口6的本振光输出端口与第二PIN光电二极管2的光信号接收端连接，第二PIN光电二极管2的阳极接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端接供电电源的负极，第一PIN光电二极管1的阳极、第二PIN光电二极管2的阴极、电阻R3的一端同时与电容C1的一端连接，所述阻R3的另一端接电源地，所述电容C1的另一端与一级放大器3的放大信号输入端连接，一级放大器3的放大信号输出端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与二级放大器4的放大信号输入端连接，二级放大器4的放大信号输出端与电容C3的一端连接，电容C3的另一端为2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器的中频信号输出端。

在一个探测单元上同时制作两个参数几乎完全相同的PIN光电二极管。入射信号光和本振光分别经过分束器分为两束，分别导入到参数匹配的两个反向PIN管上在两个PIN光电探测器光敏面上进行光混频，各自产生外差信号，经过差分器后通过两级放大器输出平衡外差中频信号。电容C1、电容C2和电容C3起滤波作用，同时电容C1、电容C2和电容C3的电容值为5pF，电阻R1和电阻R2的阻值为50Ω，R3的阻值为1×10⁴Ω，第一PIN光电二极管1和第二PI光电二极管2型号为GH150-2；一级放大器3型号为LT1012和二级放大器4型号为MAX494。

第一PIN光电二极管1与第二PIN光电二极管2同向时，在其中一路加入一个180°移相器。

本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器的技术指标如表1所示。

表1本发明的技术指标

特性参数	符号	典型值	单位
				光谱响应范围	λ	2050	nm
灵敏度	ρ	1	A/W
				等效噪声功率	NEP	20	pA/(Hz)1/2
量子效率	η	0.7	-
				放大器增益	G	20	dB
-3dB带宽	BW	150	MHz
				输出阻抗	RB	50	Ω
工作电压	VB	5	V
				输入端口	-	FC/APC	-
损伤阈值	-	3	dBm

在图3所示的实验电路原理图下，

2μm单模保偏光纤的连续激光器的最大输出线偏振光功率为100mW，2μm单模保偏光纤的连续激光器的FC/APC输出端与2μm全光纤的100MHz声光移频器的FC/APC输入端相连，其0级光经过在线式可调的衰减器后与1级光通过2μm单模保偏光纤的合束器合束，合束器的分束比为50/50，然后合束后的光功率平均分为两部分，分别注入到本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器的两个光敏面上，本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器输出的平衡外差信号经过中频放大器接到示波器上，在示波器上就可以观测到100MHz的外差信号。由于平衡式光电探测器的两个光电二极管的特性相同，因此为了在示波器上观测最佳本振光功率对外差信号信噪比的影响，可将本发明的探测器其中的任意一个输入端信号去掉，这样就得到了单元探测器的外差信号。

在图3所示的实验电路原理的基础上，验证本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器的可行性。依然把连续激光器输出功率固定在1.4mW，利用光功率计测本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器的两个FC/APC输入端的本振光功率分别通过在光路中附加一个在线可调的衰减器使两个FC/APC输入端的注入光功率相同，即都为0.40mW。然后去掉本振光，测试第一PIN光电二极管输入端信号光功率的大小为0.90mW，第二PIN光电二极管信号光功率为0.89mW。依然通过示波器分别观测每个单元的光电二极管输出的信号和平衡式差分输出信号。

从图4和图5可以看出，两个单元光电二极管各自输出的信号相位相差180°，满足平衡式光电探测器电路的设计要求，但是两个单元二极管各自输出的信号时域曲线存在振幅波动，且波峰和波谷处的曲线有毛刺出现，说明两个探测器都存在本振光的幅度噪声。

从图6和图7中可以看到，频域信号存在一个幅度很强的峰，这就是所要测量的100MHz的中频信号，时域内的中频信号的幅度同单元探测器输出信号的幅度相比明显增加，并且与图4和图5相比时域曲线比较光滑，振幅没有波动现象的出现，说明噪声明显的减小了。

同时，在实验过程中，通过对采集到的外差信号对应的二进制数据进行数字信号处理分别得到了在最佳本振光功率处的本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器的第一PIN光电二极管输出的外差信号的信噪比为82.15dB，第二PIN光电二极管输出的外差信号的信噪比为82.10dB，本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器输出的外差信号的信噪比分别为87.38dB，通过测量结果可以看到，本发明所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器的信噪比同2μm单元的探测器的信噪比相比高出5dB，说明2μm平衡式探测器的信噪比明显改善了，更加适合于微弱的大气后向散射回波信号的检测。能够满足2μm相干激光测风雷达外差探测***的需要。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器的进一步说明，第一PIN光电二极管1、第二PIN光电二极管2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3、一级放大器3和二级放大器4集成在微电子封装中。

这种封装的优点是可以降低寄生电容，增加光电探测器的接收带宽。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器的进一步说明，所述平衡式光电探测器采用InGaAs材料实现。

Claims (3)

1.2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器，其特征在于，它包括第一PIN光电二极管（1）、第二PIN光电二极管（2）、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3、一级放大器（3）、二级放大器（4）、第一FC/APC端口（5）和第二FC/APC端口（6）；第一FC/APC端口（5）的信号光输出端口与第一PIN光电二极管（1）的光信号接收端连接，第一PIN光电二极管（1）的阴极接电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端接供电电源的正极，第二FC/APC端口（6）的本振光输出端口与第二PIN光电二极管（2）的光信号接收端连接，第二PIN光电二极管（2）的阳极接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端接供电电源的负极，第一PIN光电二极管（1）的阳极、第二PIN光电二极管（2）的阴极、电阻R3的一端同时与电容C1的一端连接，所述电阻R3的另一端接电源地，所述电容C1的另一端与一级放大器（3）的放大信号输入端连接，一级放大器（3）的放大信号输出端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与二级放大器（4）的放大信号输入端连接，二级放大器（4）的放大信号输出端与电容C3的一端连接，电容C3的另一端为2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器的中频信号输出端。

2.根据权利要求1所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器，其特征在于，第一PIN光电二极管（1）、第二PIN光电二极管（2）、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3、一级放大器（3）和二级放大器（4）集成在微电子封装中。

3.根据权利要求2所述的2μm相干激光测风雷达***中平衡式光电探测器，其特征在于，所述平衡式光电探测器采用InGaAs材料实现。

Images