基于线阵InGaAs光电二极管阵列的光纤光栅传感解调
InGaAs(P)InP近红外单光子探测器暗计数特性研究.doc
InGaAs(P)/InP近红外单光子探测器暗计数特性研究基于InGaAs(P)/InP 雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diodes,SPADs)的近红外单光子探测器具有功耗低、不需超低温制冷、可靠性高、使用简单、易集成、近红外探测效率高等优点,在光通讯波段(1310 nm、1550 nm)量子密钥分发(QKD)、激光测距(1064nm、1550nm)等前沿领域有着迫切的应用需求,但其暗计数特性对应用有诸多限制。
InGaAs(P)/InPSPAD基近红外单光子探测器主要包括InGaAs(P)/InP SPAD及其驱动电路,二者的性能均可影响探测器性能。
本论文主要针对InGaAs(P)/InP SPAD基近红外单光子探测器的暗计数特性及其影响因素、InGaAs(P)/InPSPAD暗电流特性及其影响因素进行深入研究,探索二者关联特性,为SPAD器件及单光子探测器的性能优化提供指导。
搭建SPAD 器件变温测试平台对SPAD暗电流特性进行了研究;搭建激光束诱导电流(LBIC)测试系统对SPAD器件的响应均匀性及其边缘击穿特性进行了研究;研制SPAD器件单光子探测性能测试装置对不同SPAD器件对应单光子探测器的暗计数特性进行了研究。
对SPAD器件暗电流特性及其对应单光子探测器的暗计数关联性进行探索,研究发现SPAD雪崩击穿偏压处的暗电流斜率与相应单光子探测器的暗计数相关,斜率较小时相应的暗计数较小;暗电流与暗计数存在抖动情况,此抖动均与温度呈负相关,与过偏压无关。
目前对暗计数特性的研究主要集中于影响机制,并未发现对上述结果的报导。
基于光纤光栅传感的输电杆塔在线监测系统研究
基于光纤光栅传感的输电杆塔在线监测系统研究目录1. 内容概览 (3)1.1 研究背景 (4)1.2 研究意义 (5)1.3 国内外研究现状 (6)2. 光纤光栅传感器技术简介 (7)2.1 光纤光栅传感器工作原理 (9)2.2 光纤光栅传感器的优势 (10)2.3 光纤光栅传感器应用案例 (11)3. 输电杆塔结构与健康状况 (12)3.1 输电杆塔结构 (13)3.2 输电杆塔健康状况监测 (15)3.3 杆塔常见问题及风险 (17)4. 光纤光栅传感在输电杆塔监测中的应用 (18)4.1 光纤光栅传感器安装方法 (19)4.2 光纤光栅传感器数据采集方法 (21)4.3 光纤光栅传感器信号处理方法 (22)5. 在线监测系统设计 (23)5.1 系统总体架构设计 (24)5.2 硬件系统设计 (26)5.3 软件系统设计 (28)5.4 系统稳定性与可靠性分析 (28)6. 监测系统性能评估 (30)6.1 监测精度的评估 (31)6.2 监测范围与分辨率的评估 (33)6.3 系统响应速度评估 (34)6.4 系统耐久性与抗环境干扰能力评估 (35)7. 实景区域研究 (36)7.1 监测区域选择与环境因素分析 (37)7.2 现场安装与调试过程 (38)7.3 监测数据收集与分析 (40)8. 系统优化与案例研究 (41)8.1 系统性能优化方法 (42)8.2 典型案例分析 (43)8.3 研究成果总结 (45)9. 结论与展望 (46)9.1 研究成果总结 (47)9.2 存在问题与不足 (48)9.3 未来研究方向 (49)1. 内容概览本研究旨在探讨基于光纤光栅（Fiber Bragg Grating, FBGs）的先进传感技术在输电杆塔在线监测系统中的应用。
我们将首先介绍输电杆塔结构及其重要性，以及传统的监测方法和它们的局限性。
我们将详细讨论光纤光栅的基本原理、特性和传感能力，并分析其在桥梁、建筑和电力传输系统监测中的应用。
光电二极管在光栅解调电路中的应用
０ 引 言
很重要 。因此 ， 于 高频光信 号 的解调 ， 使光 电二 极管 工作 对 需
在有反偏 电压 的状 态下 ， 以， 所 着重讨 论加 ５ｖ偏置 电压 的情况 下光电二 极管 的特 性 。光 电二 极管 的等效 电路见 图 １ 。图 １ 中， Ｒ为内阻 ， 大约为 １０ｌ ０ Ｑ～１０∞ ， 【 ０ 温度每升 高１ Ｃ 减低 ０。其 １２ Ｃ为 电容 ， 结 电流和 二极管 偏 置 电压 的函数 ， ／； 是 随着偏 置 电压 的增加而减少 。
（ ６ａ ＦｂｒＳｎｏ ｅｈ ｏｏｙ＆ Ｅ，ｎ ｅｉｇＲ ｓａｃ ｅｔ ， ０ｐ ｃｌ ｉｅ ｅｓｒＴ ｃｎ ｌ ｇ ， ｅｒ ｅｅｒｈ Ｃ ｎｅ ￣ ｎ ｒ
Ｓｈ ｏ ｏ ｏｔ ｌ ｃ ｎｅａｄＥ ｇ ｅｒ ｇ ｈ ｎ ｏｇＵ ｉ ｒ ｔ， ｉ ａ ２０６ ， ｈｎ ） ｃｏｌ ｆ ｎｒ ｉ ｃ ｎ ｎ ｉ ｅｉ ，Ｓ ａｄ ｎ ｎｖ ｓｙ Ｊ＇ ｎ ５０ １Ｃ ｉａ Ｃ ｏＳｅ ｎ ｎ ｅｉ ｎ
常天 英 ， 贾 磊， 隋青 关 ， 东升 李
（ 山东大学控制科学 与工程 学院光 纤传 感技术工程研究 中心 ， 山东济南 ２０６ ） ５０ １
摘要 ： 对光电二极 管施加 ５Ｖ偏置 电压 的情况 下， 在 对于其接 收的不 同强度 的光信号 ， 采用不 同的负载 电阻而输 出的
电信号进行 了大量 实验 。实验表 明： 同强度 的光信号以及不 同阻值的 负载 电阻对其 输 出信号均 有影响 ， 出 了确切 的 不 给
数据和形 象的 曲线。可 以得 出结论 ： 光栅 解调 电路 中， 在 对于确定 的光路 ， 可以通过 实验找 到最佳 负载 电阻 ， 而便 于实 从
现对外界物理量的测量 。
关键 词： 电二极 管； 光 光信 号； 负载 电阻； 置电压 偏
InGaAs_InPAPD探测器光电特性检测
将偏微分方程转化为可求解的线性代数方程组。
2.2 获得倍增因子M=1的 IP0 的方法 倍增因子定义为在完全相同的注入条件下，有
雪崩增益时通过器件的电流与无雪崩增益时通过器 件的电流之比。
在实际器件中，获得的最高直流倍增因子受串
联电阻的空间电荷效应限制，这些因素可以合并成
wi为权重，达到最小。使用Q→min为标准的拟合称 为最小二乘法。使用最小二乘原理处理非线性曲线
拟合，令权重wi=1，非线性曲线拟合的数学表达为： 已知一组数据{xi，yi}，i=1,2,…, n，满足已知方程形 式f(xi, bj)，j=1,2,…,m，求解{bj}，使其满足
n
∑ Q = [ yi − f (xi ,bj )]2 → min ，即求解 ∂Q / ∂bj = 0 。 i =1
=
I0 P0
+ ∆IP0
。
3 测量
本文研究了台面型InP/InGaAs APD静态光电特
性。该APD的光敏面直径为500 µm，光照下的电流
与电压关系曲线及无光照下的暗电流与电压关系曲
线如图1所示，将有光照与无光照时候相同偏压下的
电流值相减得到的电流即为光电流。图1还显示了倍
增因子与偏压的关系，其中，实线对应由实验测量
中图分类号 TN312+.7
文献标识码 A
Measurement of the Static Optoelectronic Characteristics of InGaAs/InP Avalanche Photodiode
XIAO Xue-fang1, YANG Guo-hua1, GUI qiang1, WANG Guo-hong1, MA Xiao-yu1, CHEN Chao2, and CHEN Liang-hui1
铟镓砷光电二极管
铟镓砷光电二极管铟镓砷光电二极管（Indium gallium arsenide photodiode）是一种基于铟镓砷（InGaAs）材料的光电器件。
它具有高灵敏度、高速度和宽波长响应范围等优点，被广泛应用于通信、光谱分析、红外成像等领域。
铟镓砷光电二极管的基本原理是光电效应。
当光线照射到铟镓砷材料时，光子的能量被吸收，使得材料中的电子激发并跃迁到导带。
这些激发的电子会在外电场的作用下被加速，产生电流。
通过测量这个电流的大小，可以间接地测量光线的强度。
铟镓砷光电二极管的灵敏度非常高，可以探测到宽波长范围内的光线。
铟镓砷材料的能带结构使其具有较小的能隙，因此可以感受到红外光的能量。
这使得铟镓砷光电二极管在红外成像和光谱分析等领域有着重要的应用。
铟镓砷光电二极管的工作速度也非常快，可以实现高频率的信号检测和传输。
这使得它在通信领域中被广泛应用于光纤通信和无线通信系统中。
在光纤通信系统中，铟镓砷光电二极管用于接收光信号并将其转换为电信号，以实现光信号的传输和解调。
在无线通信系统中，铟镓砷光电二极管用于接收红外光信号并将其转换为电信号，以实现无线信号的接收和解码。
除了通信领域，铟镓砷光电二极管还在其他领域有着广泛的应用。
在光谱分析中，铟镓砷光电二极管可以用于检测和测量不同波长的光线，从而分析样品的光谱特性。
在红外成像中，铟镓砷光电二极管可以用于接收红外辐射并将其转换为电信号，从而实现红外图像的获取和显示。
尽管铟镓砷光电二极管具有许多优点，但也存在一些限制。
由于铟镓砷材料的制备和加工工艺复杂，导致铟镓砷光电二极管的成本较高。
此外，铟镓砷材料对温度敏感，工作温度范围较窄，需要在特定的温度条件下工作以保证性能。
铟镓砷光电二极管是一种具有高灵敏度、高速度和宽波长响应范围的光电器件。
它在通信、光谱分析、红外成像等领域有着重要的应用。
虽然存在一些限制，但随着材料和制造工艺的进步，铟镓砷光电二极管有望在更多领域发挥重要作用。
FBG光纤光栅的应变和温度传感特性研究与实验验证
光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1)一光纤光栅传感器理论基础 (1)1 光纤光栅应力测量 (1)2 光纤光栅温度测量 (2)3 光纤光栅压力测量 (3)二光纤光栅传感器增敏与封装 (4)1 光纤光栅的应力增敏 (4)2 光纤光栅的温度增敏 (5)3 光纤光栅的温度减敏 (5)4 嵌入式敏化与封装 (6)5 粘敷式敏化与封装 (7)三光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9)1 参考光纤光栅法 (10)2 双光栅矩阵运算法 (10)3 FBG与LPFG混合法 (11)4 不同包层直径熔接法 (12)5 啁啾光栅法 (12)光纤光栅的应力和温度传感特性研究一光纤光栅传感器理论基础1 光纤光栅应力测量由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。
当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。
由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。
FBG 对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。
当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：eff BB effn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为光栅周期的变化。
光栅产生应力时的折射率变化：()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中： ()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ (4) ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。
假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。
光纤干涉型传感器原理及其相位解调技术
θ 为本振信号的初始相位，调整载波信号幅度 φ H ， 使 J 1 (φ H ) = J 2 (φ H ) 。将上两式相加得
SA = S1A(t) + S2A(t) = 2 ABJ1 (φ H ) cos (3ω H t + θ + φ A sin ω At + φ )
(15)
− KGJ 1 (c) cos Φ (t ) KHJ 2 (c) sin Φ (t )
φ (t ) = π 2 时， 奇 （偶） 数倍角频率 ω 出现在奇 （偶） 数倍载波频率 ω 0 两侧。这些出现在 ω 0 两侧的边带
信号携带着被测信号的相位信息。如果不加调制信
第3期
裴雅鹏 等：光纤干涉型传感器原理及其相位解调技术
19
号，输出光强 I1 = A + B cos Φ (t ) ，若 Φ (t ) = 0 ， 则 cos Φ (t ) = 1 ，由于 Φ (t)的存在，信号将发生消 陷或畸变。 光纤 Mach-Zehnder 干涉仪调制与解调系统如 图 4 所示，将两路干涉的信号做差分运算，消去直 流偏移量，与 G cos
2 I 2 = I12 + I 2 + 2 I1 I 2 cos ( ∆ϕ )
I1 = ALeabharlann + B cos ϕ (t ) I 2 = A − B cos ϕ (t )
臂上外界物理量的变化。
RA RA Lens Lens DC1 DC1 DC2 DC2 PD1
（2） （3）
通过对干涉信号相位的提取来获知作用在信号
中图分类号 TN253
1 引 言
自从 1881 年美国物理学家 Michelson 发明 Michelson 干涉仪以来， 使用激光干涉传感器测量位 移、速度的技术得到了很大的发展。随后又出现了 Sagnac 干涉仪、Mach-Zehnder 干涉仪、Fabry-Peort 干涉仪等一些干涉仪。激光干涉传感器能提供一种 精确、快速、非接触的测量，而信号处理将直接影 响到测量的分辨率、精度和动态范围等因素。在过 去的 20 年， 基于这些干涉仪原理的传感器相位解调 方法已经成为研究的主要课题，出现了许多不同的 调制与解调方法，从而使干涉型传感器的应用更加 广泛。本文首先介绍了几个不同结构干涉型传感器 的原理，然后着重介绍了其调制与解调技术的原理 及实现方法。
四象限InGaAs APD探测器的研究
四象限InGaAs APD探测器的研究王致远;李发明;刘方楠【摘要】文章中设计的四象限InGaAs雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)的管芯结构采用正入光式平面型结构,而材料结构采用吸收区、倍增区渐变分离的APD结构,在对响应时间、暗电流和响应度等参数进行计算与分析的基础上,优化了器件结构参数.试验结果表明,其响应时间≤1.5 ns,响应度≥9.5 A/W,暗电流≤40 nA,可靠性设计时使PN结和倍增层均在器件表面以下,可有效抑制器件表面漏电流,提高器件的可靠性.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2007(000)006【总页数】4页(P43-46)【关键词】InGaAs雪崩光电二极管;吸收区倍增区渐变分离-雪崩光电二极管;光谱响应范围;响应度;暗电流【作者】王致远;李发明;刘方楠【作者单位】重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065;重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065;重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065【正文语种】中文【中图分类】TN3InGaAs材料制作的探测器具有直接禁带、室温工作和高纯度的优点，由它制作的光电探测器具有极低的暗电流和噪声。
在过去的十多年中，在光纤通信需求的推动下，InGaAs材料和器件有了很大的发展，现在已经能制备出性能非常优良的探测器。
激光导引头、激光经纬仪等光电跟踪、定位和准直仪器中常用四象限探测器作为光电传感器。
激光制导武器的核心器件便是激光导引头，位于导引头最前端的象限光电探测器是捕获目标、判断目标位置、分析目标状态的第一信息的关键部分［1］。
开发In-GaAs四象限探测器已成为激光制导、激光瞄准、探索和跟踪等装备的迫切需求，也是民用大气检测、土壤水分和碳化物等监控所需象限探测器的发展趋势［2］。
1 工作原理及器件参数设计1.1 工作原理四象限探测器的基本工作原理如图1所示。
器件的4 个象限同时工作在反向偏压下，当光照射时，在每个象限耗尽区内，光激发产生的载流子分别向两极运动，电子在运动过程中经过具有高电场的电荷层加速，在倍增层内碰撞产生大量的空穴电子对（雪崩效应），在外电路形成比光激发电流大得多的雪崩电流，实现器件的增益，同时，也将光信号转换成了4 路电流信号，如图1（a）所示。
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Alex ander G. Sim pson 等 人提 出了基 于 CCD 和闪耀布喇格光纤光栅对光纤传感器进行解调的方 案[ 8] . 虽然 CCD 能对光纤传感器进行解调, 但是由 于它们的波长响应范围在 400~ 1 100 nm , 而布喇 格光纤光栅传感解调波长在 1 500 nm 附近, 如果用 CCD 进行解调, 不得不镀膜而增加额外的成本. 由 于线阵 InGaA s 光电二极管阵列的波长响应范围是 800~ 1 700 nm, 而且在波长 1 500 nm 附近具有很 高的量子效率 和反应 灵敏 度. 因此本 文利 用线 阵 InG aA s 光电二极管阵列[ 9] 探测波长随外界物理量 变化的移动, 然后把光信号转化为电信号, 通过模数
图 7 不同工作温度下输入功率的精确度 F ig . 7 Input power accuracy at different operating temperature
5 结论
提出了基于线阵 InGaAs 光电二极管阵列和体 相位光栅并结合波分复用和空分复用技术的解调系 统. 该解调系统不仅实现了尺寸小, 低功耗, 高的分 辨率, 而且具有很快的解调速度. 实验结果和系统分 析表明: 基于线阵 InGaAs 光电二极管阵列和体相 位光栅的解 调系统, 可用于 解调带宽 为 42 nm 的 F BG 传感器阵列, 实现了信噪比为 30 dB, 信噪比漂 移 0. 5 dB, 中心波长误差 15 pm, 输入功率误差
图 5 是解调系统测得四个波长的信噪比随温度
9期
李国玉, 等: 基于线阵 InG aA s 光电二极管阵列的光纤光栅传感解调
159 3
变化的误差, 由图可见, 信噪比误差在 0. 5 dB之间.
图 4 InGaA s 解调系统信噪比的测量 F ig. 4 SN R measurement of the InGaA s
图 6 不同工作温度下波长的精确度 F ig . 6 Wavelength accuracy at different operating temperature
同理, 功率的精确度测量是 InGaAs 解 调系统 测 得的输入功率与它的∃ 真值%的比值. 这里的∃ 真 值%由功率计测得. 图7就是四波长的输入功率随着温 度变化的误差, 由图可见, 功率的精确度为 0. 3 dB.
与噪音功率的绝对比值, 计算公式为
SN R=
10
# lo g10 [
Ps ignal P ] noise
信噪比的测量在某一恒定的温度和相同的光照
强度下, FBG 波峰的相对强度与解调系统的最大噪
音的比值. 图 4 就是 InGaAs 解调系统在不同的解
调波长下测量得到的信噪比, 从图中可以看出, 解调 波 长范围为42 nm, 测量得到的信噪比为30 dB左右.
15 pm, 功率测量精确度为 0. 3 dB. 基于线阵 InGaA s 光电二极管阵列和体相位光栅的光纤光
栅解调系统不但尺寸小, 功耗低, 而且具有较高的解调速度.
关键词: 光纤光栅传感; InGaAs 光电二极管阵列; 解调系统
中图分类号: T IP21211
文献标识码: A
文章编号: 1004 4213( 2007) 09 1591 4
转化( A/ D) , 直接输入计算机, 实现光纤光栅传感的 分布式实时测量, 增强了光纤光栅传感的智能化.
1 原理和结构
InGaAs 是近红外区域具有良好光敏感性的 !族复合型半导体材料. 通过改变它的掺杂浓度, 可 以控制它的灵敏度. 和 CCD 不同的是 InGaAs 探测 器是一些光电二极管离散的排列在一块集成的片子 上, 从而形成一个线性阵列. InGaAs 探测器阵列在 结构上包括 P IN 二极管阵列、雪崩二极管( APD) 阵 列和金 属 半导 体 金属 ( M SM ) 二 极管 阵 列. 由于 M SM 型二极管阵列结构特别复杂, 而且难于生产, AP D 型二极管阵列需要在高电压下工作, 而且具有 很大的暗电流, 所以它们不适宜应用在光纤光栅传 感的解调系统中. 实验中采取的 P IN 型光电二极管 阵列探测器是利用光生伏特 效应( Dember 效应) , 光照射到 p n 结上, InGaA s 层就会吸收光子, 同时 产生电子 空穴对. 在外电场的作用下, 光生载流子 就会产生漂移, 从而在外围电路生成光电流. 图 1 为 640 像素的 PIN 型光电二极管阵列的结构, 阵列长 度是 40 nm , 像素间隔为 65 pm .
第 36 卷第 9 期 2007 年 9 月
光子学报 ACT A PH OT ON ICA SINICA
V ol. 36 N o. 9 Sept ember 2007
基于线阵 InGaAs 光电二极管阵列的光纤 光栅传感解调*
李国玉, 刘波, 郭团, 张键, 袁树忠, 开桂云, 董孝义
( 南开大学现代光学研究所, 天津 300071)
F ig . 3 Detected ( a) strain and ( b) temperature induced w aveleng th shifts w ith the InG aA s interr og at ion system
4 系统性能分析
一般信噪比定义为某一个信道波长, 信号功率
2 实验装置
实验中采用的 14 m, 512 像素的线阵 InGaAs 光电二极管阵列放置在耦合光输出的平面上, 它由 离散分布的光电二极管, 电荷放大器阵列, 三极管以 及相关的取样电路, 偏移补偿电路, 移位寄存器和时 序发生器组成, 见图 2. 为了区分特别接近的空间信 道并且获得高散射效率, 实验中采用的体相位光栅 夹在两棱镜之间. 这种结构可以允许在 1 550 nm 波 长附近为了满足布拉格方程而达到的大角度. 中心 波长为 1 550 nm , 波长范围为 1 525~ 1 570 nm .