（机械电子工程专业论文）微弱激光功率检测方法与技术研究.pdf

原创性声明 f t f l lf1fr r l l ll t l 1 l lr 1l l i i iiiff ! y 1916 0 6 5 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 曹讪 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 期：纠年莎月o 日 式 签 j i y币导 u 饥曾 名签者作 摘要 微弱激光功率检测系统最大的特点在于快速精确地检测微弱激光功率，用于 测量激光信号传输衰减与损耗，在当代高速发展的光纤通信工程及相关科学实验 和教学中起着重要的作用。针对目前微弱激光功率检测系统精度、速度、重复度 越来越高的特点，对微弱激光功率检测方法和技术进行研究，探索微弱激光功率 检测系统精确测量、信号搜索和监测跟踪的融合机制，研究灵敏度精度 响应时间的相关规律，提出微弱激光功率检测系统设计方案。主要研究工作包括 以下几个部分： 1 、检测系统噪声研究 从噪声源入手，围绕噪声功率谱密度，建立噪声传递模型，提出了微弱激光 功率检测系统噪声分析方法。采用m u l t i s i m 工具，对噪声传递模型进行了仿真 分析，结果表明：所提出的噪声分析方法可行，并且它为微弱激光功率计的硬件 方案设计提供依据。 2 、微弱激光功率计硬件方案设计 分析了微弱激光功率计的技术难点，提出了硬件系统的设计方案。主要从光 探头参数选择、噪声网络匹配、放大电路设计、增益切换和误差消减等5 个方面 构建微弱激光功率计硬件。 3 、检测系统软件编译 根据检测系统硬件需求，编译检测系统增益切换、误差消减、温度报警、通 信及显示软件，并对检测结果进行自适应噪声抵消的程序设计。 4 、检测系统实验研究 构建了微弱激光功率检测系统，检测结果表明g 设计的微弱激光功率检测系 统具有光功率检测功能，整体性能与设计指标相仿。其灵敏度为6 0 d b m 、动态 范围为7 0 d b 、响应时间处在毫秒量级。 关键词：微弱激光功率，灵敏度，噪声研究，误差消减 a b s t r a c t w e a kl a s e rp o w e rd e t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hc a r ld e t e c tw e a kl a s e rp o w e rq u i c k l y a n da c c u r a t e l y ，i sak i n do fp r e c i s ei n s t r u m e n ti nj u d g i n gl a s e rs i g n a lt r a n s m i s s i o n a t t e n u a t i o na n dl o s s ，a n dp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n e n g i n e e r i n g ，r e l a t e d s c i e n t i f i c e x p e r i m e n t s a n d t e a c h i n g a i m e d a tb e t t e r p e r f o r m a n c e so fw e a kl a s e rp o w e rd e t e c t i o ns y s t e mi np r e c i s i o n ，r e s p o n s es p e e da n d m u l t i p l i c i t y ，t h em e t h o d sa n dt e c h n i q u e so fw e a kl a s e rp o w e rd e t e c t i o na r es t u d i e d ， f u s e dm e c h a n i s mo fa c c u r a t em e a s u r e m e n t ，s i g n a ls e a r c ha n dm o n i t o rt r a c k i n ga r e a n a l y z e d ，a n dt h er u l e sb e t w e e np a r a m e t e r so fd e t e c t i o ns y s t e ma r ep r e s e n t e d 1 1 1 e p u r p o s eo ft h i sw o r ki st op r o p o s ew e a kl a s e rp o w e rd e t e c t i o ns y s t e md e s i g ns c h e m e t h ec o n t e n t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： l 、n o i s eo fd e t e c t i o ns y s t e mi sr e s e a r c h e d o nt h eb a s e o fn o i s es o u r c e sa n dn o i s e p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ，n o i s e t r a n s m i s s i o nm o d e li se s t a b l i s h e da n dn o i s ea n a l y s i sm e t h o di sa n a l y z e d t h er e s u l t s p r o v et h a tt h en o i s ea n a l y s i sm e t h o dw h i c hc a np r o v i d et h e o r e t i c a ld i r e c t i o nt ot h e h a r d w a r ec o n s t r u c t i o no fw e a kl a s e rp o w e rd e t e c t i o ns y s t e mi sr i g h t 2 、ah a r d w a r es y s t e mo fd e t e c t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d t e c h n i c a ld i f f i c u l t i e so fd e t e c t i o ns y s t e ma r ea n a l y z e d t h e n ，s o l u t i o n sa n d d e s i g ns c h e m e o fh a r d w a r es y s t e ma r ep r e s e n tf r o mp r o b ep r e f e r e n c e s ，n o i s e n e t w o r k sm a t c h i n g ，m a g n i f y i n gc i r c u i t sd e s i g n ，g a i ns w i t c h i n ga n de r r o rc a n c e l l i n g 3 、as o r w a r es y s t e mo fd e t e c t i o ns y s t e mi sp r o g r a m m e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fh a r d w a r es y s t e m ，s o f t w a r eb l o c kd i a g r a m s w h i c hi n c l u d eg a i ns w i t c h i n g ，e r r o rc a n c e l l i n g ，t e m p e r a t u r ew a r n i n g ，c o m m u n i c a t i o n a n dd i s p l a yo fd e t e c t i o ns y s t e ma r ec o m p i l e d ，a n da d a p t i v en o i s ec a n c e l l e ri su s e di n t h ef o r mo fs o f t w a r e 4 、n l ee r r o ro fd e b u g g e dd e t e c t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d aw e a kl a s e rp o w e rd e t e c t i o ns y s t e mi sd e b u g g e d t h er e s u l t sp r o v et h a tt h e h a r d w a r eo ft h ew e a kl a s e rp o w e rd e t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hr e a l i z e - 6 0 d b ms e n s i t i v i t y ， 7 0 d b md y n a m i cr a n g ea n dr e s p o n s et i m eo f m sl e v e l ，i sf e a s i b l ea n de f f i c i e n c y k e y w o r d ：w e a kl a s e rp o w e r , s e n s i t i v i t y ，n o i s er e s e a r c h ，e r r o re l i m i n a t e n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录。i 第一章绪论1 1 1 课题来源与意义1 1 1 1 课题来源。l 1 1 2 课题的研究背景与意义l 1 2 微弱激光功率检测2 1 2 1 微弱激光功率检测理论与技术2 1 2 2 微弱激光功率检测国内外研究现状4 1 3 论文主要研究内容和章节安排5 第二章微弱激光功率检测噪声源和噪声特性。7 2 1 光探头噪声源分析7 2 1 1 散粒噪声7 2 1 2 热噪声8 2 1 3 暗电流噪声1 0 2 2 电子系统的噪声源分析。l l 2 2 1 电子系统内部的固有噪声源1 1 2 3 2 场效应管的噪声特性1 3 2 3 3 运算放大器的噪声特性1 4 2 3 光探头固有噪声特性分析1 5 2 3 2 噪声分析方法1 5 2 3 2 仿真验证2 0 2 4 检测系统干扰噪声及其抑制2 2 2 5 本章小结2 2 第三章微弱激光功率计系统设计2 3 3 1 微弱激光功率计系统方案设计2 3 3 2 硬件方案设计。2 4 3 2 1 光探头参数选择。2 4 3 2 2 电流电压转换电路设计。2 7 3 2 3 放大电路设计3 0 3 2 4a d 转换3 3 3 2 5 通信接口设计一3 4 3 3 软件方案设计3 5 3 3 1 通信与显示软件设计3 5 3 3 2 自适应噪声抵消3 6 3 4 本章小结3 7 第四章微弱激光功率计的调试与误差分析3 9 4 1 微弱激光功率检测系统的构建。3 9 4 2 微弱激光功率检测系统的调试实验4 0 4 2 1 光探头线性关系的测量实验4 0 4 2 2 光功率测量范围及测量绝对误差验证4 6 4 3 微弱激光功率计测量误差分析5 0 4 4 本章小结51 第五章总结与展望5 3 5 1 全文总结。5 3 5 2 研究展望5 3 参考文献5 5 致 射5 9 攻读硕士期间研究成果6 l 附录a 放大电路电路图一6 2 附录b 通信接口程序6 3 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源与意义 1 1 1 课题来源 第一章绪论 课题“微弱激光功率检测方法与技术研究 ，来源于国家自然科学基金重点 项目“阵列波导器件封装制造的基本原理与关键技术( 5 0 7 3 5 0 0 7 ) ”和国家高新 技术研究发展技术( 8 6 3 计划) 项目“阵列波导器件封装技术与设备的研究开发 ( 2 0 0 7 a a 0 4 2 3 “) 。课题针对微弱激光功率检测方法和技术进行研究，以实现 微弱激光功率高精度快速检测为目标，分析微弱激光功率检测的原理，建立微弱 激光功率检测系统噪声模型，探索微弱激光功率检测系统精确测量、信号搜索和 监测跟踪的融合机制，提出微弱激光功率检测系统设计方案，分析灵敏度精 度响应时间的相关规律，为有效解决微弱激光功率检测、噪声抑制和检测性 能提高提供理论依据和解决方案。 1 1 2 课题的研究背景与意义 随着光通信技术的发展，阵列波导器件作为光技术的载体，在骨干传输网络 和删( 光纤到户) 中广泛应用【。平面光波导器件的封装是平面光波导器件 制造的关键技术之一，利用亚微米精度的运动平台，将波导芯片与阵列光纤进行 对准耦合并固定，是目前光电子器件封装研究的热点问题之一【2 】，微弱激光功率 计是检测波导芯片与阵列光纤耦合对准的重要设备。 微弱激光功率检测系统是一种光、机、电综合系统，具有很长的光谱响应范 围，能对微弱光辐射和强光辐射的光功率实现高精度测量1 3 。图1 1 是微弱激光 功率检测系统的信息流程图，激光光源通过传输介质( 光纤或波导器件) 传导至 光学系统，光学系统滤除目标波段外激光信号并将其发送到光探头光敏区，光探 头将激光功率转换为光电流，转换关系式为： 厶= r a xp( 1 - 1 ) 式中：为光电流，a ； 心为积分灵敏度，又称响应率刖w ； 尸为入射辐射光的光功率，w 。 光电流经电子系统电流电压转换、电压放大、采样和数据处理后便得到激 中南人学硕士学位论文第一章绪论 光功率值，电子系统对光功率进行记录、显示、采集、储存、转换、控制和通信 等操作。l 台微弱激光功率计能用于检测光端设备的性能，与激光源配合使用， 则能测量连接损耗，评估光纤链路传输质量。具体来说，微弱激光功率计具有以 下3 个方面的功能： l 、精确测量：对激光功率的测量是微弱激光功率计的基本功能，通过p f m 调制的视频信号和音频信号也可以用微弱激光功率计检测，这种功能要求检测系 统具有较高的灵敏度、精度和重复度： 2 、信号搜索：通过快速扫描得出波导器件空间光强分布图，找到激光功率 最大点，为亚微米精度运动平台提供光纤纤芯空间坐标。这种功能要求微弱激光 功率计具有快速响应和大量数据储存； 3 、监测跟踪：微弱激光功率计作为伺服反馈环节，跟踪反馈平面光波导与 光纤纤芯的对准偏差，将实时监测数据反馈回控制系统以调整平面光波导与光纤 纤芯的相对位置，这种功能要求检测系统具有较快地响应和一定的精度。 圈回圈 图i - i 微弱激光功率检测系统信息流程图 1 2 微弱激光功率检测 1 2 1 微弱激光功率检测理论与技术 光探头是微弱激光功率检测系统的核心器件f 4 l ，是在p n 结的基础上发展出 来的光电转换器件。p n 结光伏效应是微弱激光功率检测理论，图1 2 给出了p n 结光伏效应的原理图【5 1 。激光射在p n 结的光敏区p 型半导体表面，当入射光的 能量大于p n 结禁带宽度时，p 型半导体表面产生大量光生载流子，并向p n 结 2 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 方向扩散。在内建电场作用下，空穴停留在p n 结p 型半导体一侧，而自由电子 被拉到p n 结n 型半导体一侧。这样p n 结动态平衡被打破，耗尽层宽度缩短， 内建电场电势差减小，而减小的这部分即光生电势差。当外接负载时，就有光电 流产生，并从n 型半导体指向p 型半导体。 光 照一 o oeoo 。o oo 0 0 o o o ee国o ： o ee oo 正向电流 光电流厶 图! - 2p n 结光伏效应原理图 图1 3 是微弱激光功率计的2 种形式：手持式( 又称便携式) 和台式。手持 式微弱激光功率计采用电池供电，结构紧凑，光探头置于机身内部，可以防潮， 主要用于光缆施工与维护、光纤c a t v 工程、综合布线系统等领域的光损耗测 量，也可以直接测量近红外波长的光功率。 ( a ) 手持式微弱激光功率计( b ) 台式微弱激光功率计 图l 3 微弱激光功率计的2 种形式 台式微弱激光计系统采用交流电源供电，采用模块化设计，带有2 个以上插 槽，不同功能模块可以任意组合。以2 插槽微弱激光功率计为例，它可以配置成 双通道激光功率检测系统、回波损耗测试系统或双通道激光源等系统。 反映微弱激光功率计性能的参数主要有灵敏度、动态范围、误差和响应速度， 其中前两项是微弱激光功率检测系统的综合性能参数【8 9 】。 1 、灵敏度( s e n s i t i v i t y ，s ) s = l o l g 只椭 ( 1 2 ) 灵敏度是指微弱激光功率计能分辨出最小激光功率( p m i n ) 的能力，单位是 分贝毫瓦( d b m ) 。 3 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 2 、动态范围( d y n a m i cr a n g e ，d r ) d d r = 1 0 l g 生i 堕 ( 1 3 ) 。圪i 。 动态范围是指微弱激光功率计能检测的最大激光功率( p m 舣) 与最小激光功 率的比值，单位是分贝( d b ) 。 3 、误差( e r r o r ) p p e r r o r = 二生- 1 1 0 0 ( 1 - 4 ) z 误差是指微弱激光功率计光功率测量结果( p m ) 与真值( p 。) 之间的差异。 4 、响应时间( r e s p o n s et i m e ，r t ) r t = f 刍+ 2 + ，毛 ( 1 5 ) 或 r t ：0 3 5 ( 1 6 ) n 光探头检测到稳定信号所需的上升时间或者下降时间。t d f 是p n 结内载流子 漂移过耗尽层的时间，它取决于耗尽层的宽度和载流子漂移速度；“是p n 结外 载流子扩散至耗尽层附近的时间；t g c 是电路时间常量，它与耗尽层宽度和接触 电阻有关；衄为光探头低频截止频率。 微弱激光功率计需要实现m w 级到p w 级的光功率精确快速检测，在保证 光探头与光纤界面稳定准确的前提下，检测系统的精度和速度主要取决于光探头 和电子系统匹配后的噪声和误差情况。光探头和光纤界面的对准和稳定对检测系 统精度影响非常大，以0 1 5 d b 的附加损耗考察，光探头与光纤的横向位错、纵 向位错、轴向角度的光学容差分别只有l l x m ，1 6 1 x m 和o 6 5 。1 2 1 。激光功率检测 技术的关键体现在： l 、光探头与光纤形成稳定准确的界面，气密性好，防污染； 2 、光探头与电子系统兼容； 3 、快速准确的电子系统，良好的散热性能； 4 、自适应噪声抵消。 1 2 2 微弱激光功率检测国内外研究现状 上世纪7 0 年代开始出现微弱激光功率检测系统，当时的发展重点放在0 8 p m 到0 9 p r o 的近红外波段【i o l ，如1 9 7 8 年日本富士通实现了利用s i - p i n 光探头检测 4 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 波长为0 8 1 x m 的近红外激光功率的检测系统【l 。随着常用光用通讯波段跃迁到 1 3 1 0 m 和1 5 5 p m ，安捷伦科技于2 0 0 1 年推出8 1 6 3 系列微弱激光功率检测系统， 该系统工作温度在0 c 到4 5 ，灵敏度达到1 1 0 d b m t7 1 ，随后在2 0 0 7 年推出n 7 7 系列微弱激光功率检测系统，该系统工作温度在5 c 到4 5 ，响应时间处在l p s 到1 0 s 之间，误差在4 5 【1 2 】。n e w p o r t 公司推出的2 8 3 5 c 微弱激光功率检测 系统，灵敏度达到1 0 0 d b m ，误差在2 5 【1 2 l 。e x f 0 公司推出的i s o 系列微弱 激光功率检测系统，灵敏度达到8 5 d b m ，响应时间为0 3 m s ，误差在5 i l 引。上 海嘉慧公司推出的微弱激光功率检测系统，灵敏度达到7 5 d b m ，误差在3 i l 引。 国内一些高校在这方面也有深入的研究，如哈工大研制的精密光纤功率计灵敏度 达到6 0 d b m ，误差达到0 1 d b m 。 在外型上，微弱激光功率计正发生了变化，光探头和电子系统中的放大模块 脱离主机集成到一起。图1 4 为光探头和主机分离式微弱激光功率计。这种形式 的检测系统较以往的检测系统具备了以下3 个优点： 1 、将电子系统中的模拟信号和数字信号隔离开，减少电路串扰噪声； 2 、光探头远离电子系统中的发热源叫p u ，a d 和d a 转换器； 3 、减少屏蔽层体积和多层板面积，降低制造成本。 靼狲 ( a ) 手持式( b ) 台式检测系统模块 图1 - 4 光探头和主机分离式微弱激光功率检测系统 综上所述，国内外微弱激光功率检测技术水平相当，差别就在于检测系统噪 声抑制方面。目前，抑制噪声的方法有以下几种1 1 6 】： 1 、利用光斩波锁相放大器周期信号的相关检测提高输出信号的信噪比； 2 、利用累积平均法的取样积分器和光子计数器： 3 、小波分析和混沌理论； 4 、伪随机序列调制。 1 3 论文主要研究内容和章节安排 课题的总体任务是通过研究微弱激光功率检测系统的噪声和误差，提出系统 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 设计方案，并实现微弱激光功率检测。 课题前期阶段主要对光探头光电转换理论、特性及参数，检测系统主要技术 参数和噪声源等内容进行研究；中期阶段构思检测系统的基本框架，进行检测系 统噪声和误差分析，并仿真验证，阅读大量芯片数据资料手册，进行元器件选型， 设置检测系统参数；课题后期阶段，完成系统硬件和软件设计，并对检测系统进 行调试和误差分析。 论文全文共分为五章，各章的内容具体安排如下： 第一章是绪论，介绍了微弱激光功率检测系统的研究背景以及国内外的研究 现状，并概括了论文的主要内容和研究工作。 第二章是检测系统噪声分析，围绕噪声功率谱密度，对检测系统的噪声展开 分析，这包括噪声源、噪声传递和噪声系数3 个方面内容。 第三章是检测系统设计，包括硬件和软件设计，分析了器件选型和温度对检 测系统的影响。 第四章是检测系统的构建和调试，并对测量误差进行分析。 第五章是总结与展望，总结本文的主要研究内容、研究成果及存在的不足， 并对下一步工作提出了建议和设想。 6 中南人学硕十学位论文第二章微弱激光功率检测噪卢源与噪卢特性 第二章微弱激光功率检测噪声源和噪声特性 本章主要分析微弱激光信号检测系统中的噪声来源及其传递过程。对光探头 的结构予以概述，介绍了光探头的三种噪声源，介绍了放大模块噪声源的相关情 况，对噪声传递过程中的噪声系数、灵敏度、动态范围和响应时间等相关参数进 行分析，讨论了外界干扰噪声及其抑制办法。 2 1 光探头噪声源分析 光探头中的噪声源包括散粒噪声、热噪声和暗电流，其中散粒噪声和热噪声 是由光探头自身材料和结构决定的，暗电流是外接偏压产生的1 4 7 5 0 1 。 2 1 1 散粒噪声 噪声属于随机信号，没有确定的幅值和相位。功率谱密度是描述频谱分量单 位带宽功率的频率函数，是描述噪声的重要参数。功率谱密度在噪声带宽上的积 分是噪声有效值v n ，它的的表达式为： = 最( ) 缈= 磊1 鼠( ( o ) 幽 ( 2 一1 ) 式中：s n ( f ) 为噪声功率谱密度的频率表达形式； s n ( ) 为噪声功率谱密度的角频率表达形式； 为角频率。 根据功率谱密度划分的噪声类型包括白噪声和有色噪声。白噪声是指在较宽 的频率范围内具有相对恒定功率谱密度的噪声，如散粒噪声、热噪声。有色噪声 是指在较宽的频率范围内功率谱密度波动大的噪声，功率谱密度随噪声带宽减少 而上升的噪声称为红噪声。功率谱密度随噪声带宽增大而下降的噪声，称为蓝噪 声。 由于入射光子和载流子电荷量的离散特征，光探头内电流会在其平均值附近 随机波动，这就是散粒噪声，又称散弹噪声。散粒噪声的统计特性符合泊松过程， 所以总是存在。在低频和中频下，散粒噪声的均方根值i 。n 为： l = 4 2 q l a f ( 2 - 2 ) 式中：q = 1 6 x1 0 1 ，为单位电子电荷； i 为流经光探头的电流，a ； 7 中南大学硕十学位论文第二章微弱激光功率检测噪声源与噪声特性 a f 为噪声带宽，h z 。 由式2 1 可知，散粒噪声的功率谱密度恒定，属于白噪声。表2 1 给出了不 同电流下的散粒噪声功率谱密度。 表2 - 1 不同电流下的散粒噪声功率谱密度 2 1 2 热噪声 图2 2 ( a ) 为光探头实物图。它的电路可以等效为1 个电流源并联1 个理想 二极管，其中电流源表示光电流，二极管表示p n 结，在此基础上并联1 个漏电 阻和1 个结电容c j 再串联1 个电阻就能构成完整的光探头等效电路。图 2 - 2 ( b ) 是光探头外接负载电路，虚线l 2 左边的电路即为光探头等效电路f 5 。 1p i- - - - - - o 1 f )乏d 晰引 三j 2 ( a ) 光探头实物图( b ) 光探头负载电路 图2 - 2 光探头等效电路 漏电阻h 是表示光探头电流一电压曲线斜率，它的值在m f l 以上。结电容 c j 表示耗尽层两端面形成的平行板电容，它正比于扩散区面积，反比于耗尽层宽 度，表达式为： 式中：为半导体电介体常数： o 为自由空间透电率； 8 ( 2 - 3 ) 中南大学硕士学位论文第二章微弱激光功率检测噪卢源与喋卢特性 a 为扩散区面积，p m 2 肛为媒介流动性； p 为电导率，m s m ； v b i 为内建电场接触电压，v ； v a 为施加偏压，v 。 串联电阻的意义是表示引线和接触电阻之和，其表达式为： 尺，：盟娑逆+ r(24)c。 彳 式中：w 。是基层厚度，岬； w d 是耗尽层宽度，p r m 是接触电阻，q 。 光探头中载流子无序热运动叠加在载流子有序运动上，便会引起电流偏离平 均值的起伏，这种起伏就是热噪声，又称约翰逊噪声。在低频和中频下，热噪声 i j n 的均方根值为： 厶_ j 警 协5 ) 式中：k = - i 3 8x1 0 2 3 j 。k ，为玻尔兹曼常数； t 为光探头光敏区的温度，k 。 根据式2 5 ，表2 2 给出了不同温度不同漏电阻下热噪声功率谱密度。 表2 - 2 不同电流下的散粒噪声功率谱密度 对比表2 1 和表2 2 可得：当光电流小于o 1 u a 时，光探头内热噪声大于散 粒噪声；当光电流大于o 1 u a 时，光探头内热噪声小于散粒噪声。由于光探头内 的散粒噪声和热噪声受光电流、环境温度和漏电阻的影响，通过式2 2 和式2 5 来计算其大小不方便，而应用噪声等效功率( n o i s ee q u i v a l e n tp o w e r , n e p ) 就能 9 中南人学硕士学位论文 第二章微弱激光功率检测噪声源与噪声特性 更简单地描述光探头噪声情况，n e p 为单位噪声带宽下光探头内散粒噪声和热 噪声的等效光功率，其表达式为： 脚：型堡堡( 2 6 ) b 出现在光探头数据表中的n e p 都是不考虑散粒噪声的典型值，只能说明光 探头功率谱密度所处的量级。 2 1 3 暗电流噪声 光探头在无光照时仍然存在较小的电流，这个电流就是暗电流。它由耗尽层 杂质中心噪声电流，耗尽层边界扩散电流和表面漏电流组成。当光探头反向偏置， 即n 区接电压正级，p 区接电压负级，p 区少子电子和n 区少子空穴跨过p n 结， 向对方区域漂移，形成由n 区指向p 区的反向电流，如图2 3 所示。这个电流 也是暗电流的一部分，其表达式为： l = l o ( e 础膳r 一1 ) ( 2 7 ) 式中：i o 为反向饱和电流，a ； u 为外接偏压，v ； 反向电流 e ：e9e$ 由o ：o e ：ee e台eo ：o + o - - 哪 e ：eo o专o ：审 o ：eee争参0 ：0 图2 - 3p n 结与偏压关系 随着半导体晶体提纯技术和表面技术的发展，新型光探头暗电流已经降到 p a 级。图2 - 4 为光探头暗电流与反向偏压关系曲线图，图2 5 为暗电流与温度 关系曲线图【5 9 】。 图2 4 暗电流与反向偏压典型曲线图 1 0 中南人学硕十学位论文第二章微弱激光功率检测噪声源与噪声特性 图2 - 5 暗电流与温度典型曲线图 从图2 3 上可以看出：暗电流随反向偏压的上升而上升，而上升幅度下降。 从图2 5 上可以看出：暗电流与温度近似成指数关系，温度每升高1 0 ，暗电流 上升1 个数量级。 2 2 电子系统的噪声源分析 电阻、电子管、晶体管、场效应管是构成微弱光功率计电子系统中常用的半 导体器件，这些半导体器件的常见固有噪声源包括散射噪声、热噪声、l f 噪声 和g - r 产生复合噪声1 5 1 - 5 4 1 。 2 2 1 电子系统内部的固有噪声源 l 、散粒噪声 在电子管、晶体管等结型器件中存在不同形式的散粒噪声。对于二极管和晶 体管，当其发射结处于正偏时，载流子就会越过发射结的势垒进入基极。但并不 是所有的载流子都能顺利地越过发射结，因为这取决于载流子携带的能量是否能 克服势垒的阻碍及载流子的发射速度。这样进入基极的载流子数目会随时间有起 伏。这种起伏就是散粒噪声：对于电子管而言，载流子从阳极发射到阴极也是个 随机过程，它取决于阴极的表面状态、两电极的形状及电位差。 2 、热噪声 在电阻、电子管、晶体管和场效应管等电阻性器件中都存在不同形式的热噪 声。热噪声可以用等效电阻r 与电压源e n 串联来表示，也可以用等效电阻r 与 电流源i n 并联来表示，如图2 6 所示，其中： 霹= 4 k t r a f ( 2 - 8 ) e = 4 k r a f ( 2 9 ) 中南大学硕十学位论文第二章微弱激光功率检测噪声源与噪声特性 r e t ( a ) 等效热噪声电压( b ) 等效热噪声电流 图2 石热噪声等效电路 3 、l f 噪声 由于导体内存在如晶格缺陷、表面不光滑或导电微粒不连续等结构缺陷、器 件内不同材料或两器件接触不良，使得电流通过导体时，电导率发生变化，由此 产生的噪声为1 f 噪声，如图2 7 所示。这种噪声广泛存在与电子器件中，特别 是集成电路中。它的电压频谱密度可以表示为： 蹦伽等 ( 2 - l o ) ) 。 式中：a 为器件结构特性参数； i 为通过器件的电流，a ； y - - - o 8 1 2 为常数； 1 3 = t 毗0 为常数。 功率谱密度与频率成反比是1 f 噪声的显著特点。不同器件的1 f 噪声功率 谱密度不尽相同，但它只在低频段出现，故又称粉红噪声。 图2 7l ，f 噪声 4 、g - r ( 产生复合) 噪声 在半导体材料或器件中，存在着能够发射或俘获载流子的各种杂质中心。根 据它们在禁带中能级的位置不同，分别起着受主中心、施主中心、陷阱中心或产 生一复合中心( g - r ) 的作用。这些杂质中心对载流子的发射和俘获是一种随机 事件，因此占据其能级的载流子数目随机涨落，同时引起导带电子或价带空穴的 1 2 wom豫 |i乱t 覆曩射制 憾鹪mo 慵哺嘣恤。雅椭雅 中南人学硕十学位论文 第二章微弱激光功率检测噪卢源与噪声特性 随机变化。由此产生的噪声就是g - r 噪声。其功率谱密度可表示为： w ) - 4 9 。南 ( 2 - 式中：g 。为单位时间内不出现载流子的概率； t 为g - r 噪声的特征时间常数。 严重的g - r 噪声，又称爆裂噪声，如图2 8 所示。它是由一系列宽度不同， 但幅度基本相同的随机脉冲构成。 - ： ! 一赫 ； | ； 墓t o - l 。j 。i u 。1 。- i - ：越。 y f ”l ”1 鬣”1唧丫2 可哪 2 3 2 场效应管的噪声特性 _ _ o 口o o o 图2 - 8 爆裂噪声波形图 , 碜d l ! 气喘黼碜：ld a m v ，6 ，。d9 如 1 年：一4 ，摹社u 幺 场效应管是电压控制型半导体器件，因具有高输入电阻、低噪声、小功耗、 动态范围大、易集成、无二次击穿、宽阔安全工作区域等优点，常作为集成运算 放大器的输入端。它的噪声源有沟道热噪声、栅级噪声和低频噪声，其中前2 种是场效应管的主要噪声源1 5 5 , 5 6 1 。 场效应管通过调制沟道电阻来工作，故而存在热噪声，而导电沟道的电阻大 小是由外加偏压来控制，因此噪声大小与偏压有关。它的电流噪声功率谱密度可 表示为： s ( 厂) = r 4 k t g 。 ( 2 - 1 2 ) 式中：y 为系数； g 脚为饱和区跨导。 栅极噪声包括两部分：散射噪声和感应栅噪声。低频阶段，p n 结内有反偏 电流存在，故而产生散射噪声，减少反偏电流是降低散射噪声的唯一途径。高频 阶段，沟道里的载流子通过栅电容，沟道电势分布的起伏耦合到栅极上，致使栅 中南人学硕士学位论文第二章微弱激光功率检测噪声源与噪声特性 极电压出现相应的起伏，其电流噪声功率谱密度为： s ( 厂) ：4 七砌坐2 2(2-13) g 懈 式中：a 为系数； 巳为栅电容。 2 3 3 运算放大器的噪声特性 b b ( b u r r b r o w n ) 公司的o p a 6 2 7 型运算放大器内部电路如图2 - 9 所 示【5 7 1 。从图中可以看出它内部包含许多电阻、二极管和场效应管，因此噪声源 很多。如果利用传递函数得出运放输出噪声将费时费力，而根据线性二端口理论， 电路内部的信号源都可以等效到电路的输入端，噪声源也是如此。 t r i m + h 3 7 + v 8 o l 岫n 6 叱 4 图2 - 9o p a 6 2 7 型运算放大器内部电路 运算放大器噪声的标准模型由2 个不相关的电流噪声源、1 个电压噪声源和 1 个无噪声运算放大器组成，如图2 1 0 所示1 5 射。电压噪声源可视为随时间变化 的输入偏移电压分量，而电流噪声源则可视为随时间变化的偏置电流分量。表 2 3 为o p a 6 2 7 运放的噪声数据表f 5 7 1 。v 。 图2 - 1 0 运算放大器的噪声模型 1 4 中南人学硕十学位论文第二章微弱激光功率检测噪声源与噪声特性 表2 - 3o p a 6 2 7 噪声数据表15 n v h z l 尼 2 3 光探头固有噪声特性分析 2 3 2 噪声分析方法 光探头有光电导( p h o t o c o n d u c t i v e ，p c ) 和光伏( p h o t o v o l t a i e ，p v ) 2 种工 作模式，p c 模式的特点是在光探头上施加反向偏压。应用这种工作模式能改善 光探头的响应速度和线性度，但缺点是带来了暗电流【5 1 1 。图2 1 l 为光探头p c 模式弱光高速应用电路，在这个应用电路中的噪声源包含：光探头的3 个噪声源 ( 含暗电流) 、运放的4 个噪声源和电阻的3 个热噪声源。 c ， 五t 图2 - 1 l 光探头p c 模式弱光高速应用电路 p v 模式不施加反向偏压，温度变化对它几乎没有影响。这种工作模式产生 的光电流是扩散电流，因此响应时间较p c 模式长。图2 1 2 为光探头光伏p v 模 式微弱光中低速应用电路，在这个应用电路中的噪声源包含：光探头的2 个噪声 源( 不含暗电流) 、运放的2 个噪声源和电阻的1 个热噪声源。 中南人学硕十学位论文 第二章微弱激光功率检测噪声源与噪声特性 图2 - 1 2 光探头p v 模式应用电路 若采用逐个噪声源代入传递函数求噪声传递特性，则图2 1 l 电路要进行l o 步传递计算及1 步叠加计算，图2 1 2 电路要进行5 步传递计算及l 步叠加计算 若采用等效方法，将各级噪声源等效到输入端再进行传递计算，则图2 1 l 电路 要进行7 步等效、2 步叠加和2 步传递计算，图2 1 2 电路要进行3 步等效，1 步 叠加，l 步传递计算。采用先等效再通过传递函数的计算方法比直接通过传递函 数的计算方法运算量少，以图2 1 1 第2 级为例，其等效方案如图2 1 3 所示。 图2 1 3 噪声源等效方案 针对p c 模式，其噪声传递特性分析方法如下： 设4 维向量x i 为： 五- n p , 一ln r , n o v , d r ( 2 1 4 ) 式中：n p i 为前级传递下来的噪声功率谱密度； 1 6 中南人学硕士学位论文第二章微弱激光功率检测噪卢源与噪卢特性 n r i 为电阻热噪声功率谱密度； n o ，i 为运放电压噪声功率谱密度； n o i i 为运放电流噪声功率谱密度。 设4 维向量y i 为： ，：- - o , _ 1 石历历历】7 ( 2 1 5 ) 、 式中：g i 为噪声增益； f ；为噪声带宽。 则各级运放等效输入噪声有效值圪，： = 0i x , ，r 】| i ( 2 1 6 ) p c 模式主放大输出噪声有效值圪： k = g 2 ( 2 - 1 7 ) 根据高斯噪声概率分布函数3 仃理论，p c 模式主放大输出噪声峰峰值一p ： 一p = 6 圪 ( 2 - 1 8 ) p c 模式应用电路的响应时间为： r t ：q ：! !( 2 1 9 ) 【z ，以】嗍 式中：【f l ，捌m 舣为最大噪声带宽。 p c 模式应用电路的灵敏度为： s ：l o 1 9 j 些+ 3 0 ( 2 2 0 ) 9 心g l g 2 p c 模式灵敏度对前置放大器噪声带宽求导为： 筹= 等u 剁掣 沼2 ， 饼 k ，k 】1 1 2 一一。 p c 模式灵敏度对主放大器噪声带宽求导为： 象= 删 沼2 2 ， = j = olz - z zj 识 0k ，k 由式2 2 l 和式2 2 2 可知p c 模式应用电路灵敏度与各级噪声带宽成反比， 与增益、光探头及运放噪声水平成正比。 针对p v 模式，其噪声传递特性分析方法如下： 建立p v 模式噪声模型。如图2 1 4 ( a ) 所示。图中l l i o l 培为光探头散粒噪声， n l o p r 为光探头热噪声，i i a i 为运放电流噪声，n a y 为运放电压噪声，l i r f 为电阻热噪 声。根据等效方法得出噪声等效模型，如图2 1 4 ( b ) 所示。 1 7 中南大学硕十学位论文第二章微弱激光功率检测噪声源与噪声特性 ( a ) 光伏工作模式噪声模型 b 。 ( b ) 光伏工作模式噪声等效模型 图2 1 4 光伏工作模式噪声模型计等效模型 噪声增益g n 为： q = 警( 2 - 2 3 ) 噪声带宽矗w 为： f n - l