（通信与信息系统专业论文）误差前馈超快光脉冲稳定技术的研究及实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘罩荽 摘要 自从激光问世以来，激光脉冲技术已经广泛应用于工，农，医等高科技领 域。激光脉冲幅度的稳定性是一个很关键的技术指标，这一指标的研究已经成 为科学工作者普遍关注的问题。过去比较多的主要是着眼于激光脉冲的泵浦、 精确控制q 开关的开启时问或选择合适的工作条件等措施。现在主要研究可以 与激光器无关的独立工作的幅度稳定系统。本文利用误差前馈的设计思想，提 出了一种基于光电导开关的脉冲光源稳定技术。 本文首先分析了目前光脉冲稳定的主要技术。指出了各种技术的特点及其 不足，提出了基于光电导开关的脉冲光源稳定系统构架。接着重点介绍了光电 导器件的工作原理、主要技术指标，指标测试、衰减网络设计以及高速p c b 设 计中的重要问题。指出了选择适当的光电导器件是衰减网络设计的关键。 第四章研究了线性电光效应、晶体的电光线性系数和晶体的对称性对电光 系数矩阵的影响，着重分析了k d p 晶体的线性电光效应，进而提出了基于线性 电光调制的普克尔盒的原理以及特性。比较系统、全面的介绍了普克尔盒的工 作机理。 在第五章中通过介绍光电探测器的物理效应、光电转换定律及其光电探测 器主要性能指标，较全面的描述了光电探测器的原理及其特性。提出了光电探 测电路，分析了耦合电容对电路的影响，指出了耦合电容是光探测电路的设古卜 时需要重点考虑的因素 第六章首先介绍了集成运放的参数、使用中的异常现象及克服的措施。研 究了半导体激光器的主要技术指标并给出了放大与驱动电路原理图，指出了脉 冲展宽电路设计的要点及其激光器电路工作电路。 最后，第七章指出了系统联合调试过程中的关键性问题，确保了系统的正 常运行，提供了理论计算，给出并分析了实验数据，并指明了以后的工作方向 关键词：光脉冲稳定，误差前馈，光电导体，衰减网络，光电效应，普克尔盒 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t s i n c el a s e rc a m o u t , t e c h n o l o g yo fp u l s eo p f i c a ls o u r c eh a sb e e ne x t e n s i v e l y u s e di ns u c hh i g h - t e c hf i e l d sa si n d u s t r y , a 鲥c u l t u r e , i a t r o l o g y , e t c s h a b i l i t yo f l a s e r p u l s ea m p l i t u d ei sav e r yc r i d c a iq u a l i f i c a t i o na n dr e s e 口c h a so ft h eq u a l i f i c a t i o n w i d e l y 翻= t r a c ts c i e n t i f i cw o r k e r s a n 洲o i li nt h ep a s t , s c i e n t i f i cw o r k e r sp r i m a r i l y s t r e s s e ds u c hm e a s u r e sa sl a s e rp u l s ep u m p i n g ，a c c u r a t ec o n t r o lo b ( h eo p e n i n gt i m e o fqs w i t c ha n da d e q u t e l yo p e r a t i n gc o n d i t i o n n o w , t h e ym o s t l ys t u d ya m p l i t u d e s t a b i l i z a t i o ns y s t e m s , w h i c hc a ni n d e p e n d e n t l yw o r k , i r r e s p e c t i v e l yo f t h el 黼t h e t h e s i s , i nt h e1 i g h to f 缸i d e ao fe r r o r - f e e d f o r w a r d , p r o p o s e st h es t a b i l i z a t i o n t e c h n i q u eo f p u l s eo p t i c a ls o u r c eb a s e do bp h o t o c o n d u c t o r f i r s t l y , c u r r t l ym a j o rt e e h u l q u e so fo p t i c a lp u l s es t a b i l i z a t i o nma n a l y z e d t h e i rc h 砌d j e r sa n dw e a k n e s s e sa r cp o i n t e do u t , a n dt h e nt h es y s t e mo f o p t i c a lp u l s e s t a b i l i z a t i o ng r o u n d e do np h o t o c o n d u c t o ri so f f e r e d s e c o n d l y , o p e r a t i n gp r i n c i p l e , 芦妇1 a r yq u a l i f i c a t i o n s a n d q u a l i f i c a t i o n s t e s t so fp h o t o c o n d u c t o r , d e s i g no f a t t e n u a t i o nn e t w o r k sa n di m p o r t a n ti s s u eo f h i g h - s p c c dp c bm m a i n l yi n t r o d u c e d n i sc l e a r t h a t a p p r o p n a t e p h o t o c o n d u c t o r i s k e y t o d e s i g n o f 蜘u a f i o n n e t w o r k s l i n e a re l e c 西o p t i ce f f e c t , l i n e a rc i c e r o - o p t i cc o e f f i c i e n to fc r y s t a la n d i n f l u e n c eo f c r y s t a l ss y m m e t r yo nc o e f f i c i e n _ tm a l l 叔ms t u d i e di ne h a l x e r4 1 i n e a r e l e c 缸o - o p r ee f f e c to fk d pc r y s t a li sd 畦e f l ya n a l y z e d , t h e np r i n c i p l ea n de h a t e r o f p o c k e l s - c e uf o u n d e do nl i n e a re l e c t r o - o p t i cm o d u l a t i o na t p r e s e n t e d i n c h a p t e r5 ，p r i n c i p l ea n dc h 自c e ro f p h o t od e t e c t o ri sc o m p a r a t i v e l yg e n e r a l l y r e p r e s e n t e dt h r o u g hi n m x i u c f i o no fp h y s i c a le f f e c tp h o t o t r a n s l a t i n gl a wa n dm a i n p e r f b n n a n c ei n d e x e so fp h o t od e m c t o nt h ec i r c u i to fp h o t o d e t e c t i o r , w h i c hi s p r o f o u n d l yi n f l u e n c e db yc o u p l i n gc a p a c i t y , i sp u tf o r w a r d m p a r a m e t e r s , a b n o r m a lp h e n o m e n aa n dl e c t i 白m e a s u r e so fi n t e g r a t i o n o p e r a t i o na m p l i f i e ra x er e c o m m e n d e d , t h e nm a i nq u a l i f i c a t i o n so fs e m i c o n d u c t o r l a s e ra n dc i r c u i to fa m p l i f y i n ga n dd r i v i n gc i r c u i ta i es t u d i e di nc h a p t e r6 t h i s 却汩。g i v et h eh i g h l i g h t so f p u l s es 毗b i n gc i r c u i ta n dl a s e rw o r k i n gc i r c u i t t h ec r i t i c a li s s u e s , i nt h e o c e s so f u n i t ed e b u go f t h es y s t e m 撒i n d i c a t e dt o e l k q u r en o r m a lo p e r a t i o no f t h es y s t e m t h e o m i c a lc a l c a l a t i o n sa n dt h ee x p e r i m e n t a l d a t aa g i v m o r e o v e r , f u f t h o rs t u d yi sc l e a r l ys h o w ni nc h a p t 日7 k e yw o r d s ：o p d c a lp u l s es t a b i l i z a t i o n ，e r r o r - f e c d f o r w a r & p h o t o c o n d u c t o r , a r c n u 剐j o nn e t w o r k s p h ，t ( h 啦b c t ，p o c k e l s - c d l 独创性声明 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。据我所知，除了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，也不包含为获得重废整虫太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学赢。叩求良黼瓤加箩年钼可日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废邮电太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权重废邮电太堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 ；编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 。学叠做储魏耀睁 i 签字日期：加莎年岁, e l 叫日 导师签名： 移矽 签字日期：j 功5 年厂月；日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自从激光问世以来，激光脉冲技术已经广泛应用于工、农、医等高科技领 域。激光脉冲幅度的稳定性是一个很关键的技术指标，这一指标的研究已经成 为科学工作者普遍关注的问题。例如，在实验室用高功率激光实现惯性约束核 聚变( i c f ) ，对激光驱动器提出了很高的要求，需要大能量激光束、激光脉冲整 形、多路激光束空间对称、单路照明均匀、各路激光束之闻功率平衡等。实现 这些技术指标的前提是，作为用在0 c f ) 系统的高功率激光脉冲的前端系统，要 为下级预放大级、主放大级和靶场提供稳定可靠的种子光源，要求从激光振荡 器输出的激光脉冲，有比较高的幅度稳定性。减少激光振荡器输出激光脉冲的 幅度起伏的问题，正如美国n i f 装置的研究人员r b w i l c o x ，d f b r o w n i n g 在 一份研究报告“o s c m l a = r o ra n dp u l s b f o r m i n gs y s t e mf o rt h e b e m l e t 中所提出的，这是一个很难克服的技术难题【i 】。因为影响幅度稳定性 的因素多且复杂，例如，用于i c f 前端系统的l d 抽运n d ：y l f 单纵模调q 振荡器， 由于受到l d 电源输出功率稳定性、温控仪控温精度、l d 发光稳定性以及激光 腔内光学元件性能等因素的限制，输出激光脉冲的幅度稳定性已经不能满足要 求越来越高的i c f 前端系统技术指标的需要要获得高稳定激光脉冲，过去比较 多的主要是着眼于激光脉冲的泵浦、精确控制q 开关的开启时间或选择合适的 工作条件等措施。现在主要研究可以与激光器无关的独立工作的幅度稳定系统， 例如，s w i h t e 等人研制的一种“自调整光学衰减器”，胡企铨等人研制的。脉冲 激光输出的电光稳定器” 2 1 。目前，稳定光脉冲的技术主要有以下几种：用电 光偏转器对激光脉冲进行时空变换，实现输出幅度稳定激光脉冲；利用非线性 效应的光限幅原理实现光源的稳定；抗共振环稳定被动调q 激光的瞬态光栅效 应法和基于光电导开光的稳定法等等。本文分别介绍上述几种方法，并提出了 基于光电导开光的误差前馈稳定技术，该技术思路较独特，工作原理简单，运 用电路完成，可靠性好，集成度高，且应用性强，可以实现对较大动态范围的 n s 量级脉冲稳定，为超快光脉冲幅度稳定性问题提供新的解决思路 1 2 时空变换稳幅工作原理 用电光偏转器对激光脉冲进行时空变换，实现输出幅度稳定激光脉冲的实 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 验装置如图1 1 所示这种装置是用同步激光脉冲触发高压电脉冲发生器，驱动 电光偏转器对激光脉冲进行偏转激光束通过电光偏转器偏转后，在其后面的 会聚透镜的后焦面上形成一条偏转扫描光线，实现时空变换。在其扫描光线的 适当位置上放置一宽度可调的狭缝，截取扫描光线中的一部分激光输出狭缝 截取的激光脉冲，相对振荡器输出，幅度的稳定性有显著的提高【1 】 实验证明，用高压脉冲发生器的电脉冲前沿驱动偏转器，进行时空变换时， 对光脉冲前沿不同位置的时空变换，其稳幅效果不同，取在光脉冲前沿靠近前 ，分光镜 电光 偏转器会聚透镜 强流譬光 电探测嚣 图1 1 时空变换稳幅实验装置工作原理框图 端附近进行时空变换，输出光脉冲幅度稳定性最好。狭缝在扫描光线的不同位 置截取输出的激光脉冲稳幅效果也不同，可以找一个最佳位置截取激光脉冲输 出。 1 电光偏转器时空变换原理 从振荡器输出单纵模调q 激光脉冲，光强时间分布波形如图1 2 所示。如果 把这种光强按时序分布，转换为光强按空间不同位置分布，实现这一转换过程 称为时空变换。这一转换过程的实现由电光偏转器来完成。 0一to _ 二、 ! j 、 、 n c i i ：孑 譬荔兽 - n _ _ 图1 , 2 振荡器输出激光脉冲波形 电光偏转器是实现时空变换的主要器件，其工作任务是对通过的激光脉冲 进行偏转。电光偏转器用l n 曲0 3 晶体作为光学介质，采用四柱面的特殊电极结 构当l i n b 0 3 晶体不受外电场作用时，对通过的光几乎没有影响。当晶体受到 外加脉冲电场作用时，在其内部形成电场梯度，由电光效应原理可知，晶体将 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 产生与电场梯度成比例的折射率梯度，这时通过晶体的光束发生偏转。由于不 同时刻产生的电场梯度不同，由此引起的晶体折射率梯度也不同，使不同时刻 通过晶体的光脉冲发生大小不同的偏转。为了实现激光脉冲通过晶体时，电脉 冲同时对晶体作用形成折射率梯度，我们应用同步光脉冲触发电脉冲发生器， 获得同步电脉冲驱动电光偏转器，保证了驱动电光偏转器的电脉冲与通过晶体 的光脉冲同步因此，当与高压电脉冲前沿同步的激光脉冲经过晶体时，产生 不同的偏折而偏离原来的传播方向，在与激光束传播方向垂直的平面上，将按 照时序在空间形成一条偏转后的扫描光线( 扫描光斑) ，实现了激光脉冲的时空 变换 2 稳幅原理 偏转后扫描光线的长度反应了电光偏转器对激光束的偏转能力，扫描光线 的各个位置表示不同时刻对激光脉冲的不同偏转从激光振荡器输出激光脉冲 存在幅度起伏时，通过时空变换后扫描成为平面上的一条光线，然后在这一光 线上仅截取出一部分光输出，其幅度起伏必将大大的减少，达到了稳幅的目的。 另一方面，由于从激光振荡器输出激光脉冲幅度起伏最大是在峰值附近，而其 前沿比较平直部分幅度起伏较小，因此在扫描光线上的不同位置截取激光脉冲 输出的幅度稳定性不同，我们可以在激光脉冲前沿对应的扫描光线位置上，截 取激光脉冲输出，其幅度稳定性就最好。 由上述电光偏转器的时空变换可知，扫描速度与电压变化率成正比，电脉 冲前沿的快慢影响偏转器扫描速度，电脉冲前沿越陡峭，扫描速度就越快，扫 描光线就越长；通过偏转器的激光脉冲与驱动偏转器的同步电脉冲控制偏转器 的扫描时间，可以选择激光脉冲最佳位置进行偏转，来获得更长的扫描光线。 扫描光线越长、越均匀，稳幅效果就越好。 该装置所用的振荡器是l d 泵浦n d ：y l f 主动调q 单纵模激光器，输出波长 1 0 5 3 r i m 、脉宽几十纳秒、幅度抖动的r m s 约为1 0 的单纵模调q 激光脉冲。电 光偏转器是用通光孔径4 衄、有效光学长度3 0 m m 、偏转能力为1 0 7 1 0 6 r a d v 、 反应灵敏、响应快速的l i n b 0 3 晶体做成的。高压电脉冲发生器是采用触发灵敏 度高、固有延迟时间短的雪崩管晶体管构成的高压电脉冲电路，产生峰值5 k v 、 前沿约1 0 8 5 n s 的电脉冲。激光脉冲经电光偏转器偏转，时空变换后扫描光线长 约7 0 r a m ，狭缝宽度在l 2 姗间可调整，截取脉宽约为1 0 7 9 n s ，幅度抖动r i m s 约为3 8 4 的激光脉冲输出输出的激光脉冲的稳定性提高了，同时激光脉冲宽 度也得到进一步的压缩。激光脉冲幅度稳定提高了约6 1 6 。 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3 非线性效应的光限幅原理 人们研究了基于各种非线性效应的光限幅机制，例如双光子吸收及多光子 吸收光限幅，反饱和吸收光限幅，非线性折射、非线性反射、衍射光限幅等等。 这些光限幅机制因为破坏阈值比较低而无法应用于强激光系统在此我们只介 绍用于强激光系统，基于受激布里渊散射( s b s ) 原理的光限幅器附，6 】强激光系 统一般都由着干个放大级构成，如果中间某一个放大级出现一个能量起伏，经 过几级放大后能量起伏会被放大很多倍，从而影响了激光系统的稳定输出，如 果我们将此光限幅器放置在某一放大级中，就可以对激光能量进行限幅输出， 获得高稳定的能量输出 ， 受激布里渊散射限幅机理 s b s 光学系统显示出很好的光限幅特性，输出脉冲能量随输入能量变化曲线 明显的可分为两个区。线性区：当入射的泵浦光脉冲能量比较小时，不发生s b s ， 光脉冲能线性通过c c h 液体介质，介质此时是光学透明的，此时介质对纳秒光 脉冲呈现高透过率，能量几乎无损失地通过c c l 4 介质。非线性区：一旦达到某 一个能量值( 光限幅阈值) ，后向散射s t o k e s 光迅速增长，反射率迅速增加，因而 透射能量增加缓慢，并很快趋于饱和值，此后对于在很大范围内变化的入射能 量，此光学系统给出高稳定的出射能量，具有很好的光限幅特性。在低能区， 透射率是线性的，可高达1 0 0 ，当入射能量达到限幅阈值，透射率里非线性， 并随入射能量的增加迅速衰减，因而使该光学系统透射能量受限，显示出光限 幅特性i s , 6 l 。 受激布里渊散射光限幅器之所以可用于激光系统是因为它具有比其他限幅 机制明显的优点：s b s 限幅阈值及破坏阈值均很高，因而可承受的激光功率密 度可以很大，适用于强激光系统；限幅幅值及透射率可控，可尽量减少激光系 统能量损失在许多应用场合，如荧光寿命的测量，激光雷达，t h o m p s o n 散射 的诊断等，一般需要几璐的激光脉冲。因而研究纳秒激光脉冲的光限幅特性是 非常有意义的。本文利用c c h y r 质研究了受激布里渊对2 地激光脉冲的光限幅特 性对于输入能量波动范围在1 3 的激光脉冲，实验获得输出能量波动范围为 7 。研究表明受激布里渊散射光限幅机制不仅可实现对激光系统的防护，而且 还可以稳定系统输出能量，并可实现能量幅值在一定范围内连续可调 1 4 抗共振环稳定被动调q 激光 锁模和调q 是获取皮秒和纳秒最常用的方法之一被动式的锁模和调q 由 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 于其操作简便，价格便宜而被广泛使用然而被动锁模和调q 脉冲源于激光腔 内大量随机起伏的噪音脉冲，因此激光输出起伏较大，如何有效提高输出稳定 性、一直是被动锁模和调q 关注的主要问题之一 近年来由于新型可饱和吸收材料c r 4 + ：y a g 晶体的出现、使得被动调q 性能有 所改善，稳定性也有较大提高日前研究结果表明：被动调q 激光的不稳定性 在( 2 5 ) 。而将抗共振环( a r r ) 弓i 入调q 激光器中，通过a r r 稳定被动调q 激光， 可获得能量起伏小于l 的高稳调q 脉冲【7 朋。 抗共振环稳定被动调q 激光的原理 抗共振环( a g g ) 结构f l j s i e g m a n 教授提出。并首次将其应用于固体激光器中 实现了对撞脉冲锁模( c p i v d 、蟠汛在被动锁模激光器中对压缩脉宽和稳定输出 起着非常重要的作用。 当把a r r 引入调q 激光器中，将调q 晶体置于a r r 中心，这时两光强相 等、相向传播的光脉冲在可饱和吸收体处精确对撞相干迭加。形成可饱和吸收 体中的瞬态粒子数分布光栅。瞬态光栅效应以持有的方式稳定了激光脉冲的输 出。 可饱和吸收体粒子数分布光栅的形成对激光脉冲的前沿部分有更强的吸 收，对后沿部分有强的后向散射，而允许脉冲中间部分有较多的能量通过。我 们知道脉冲前后沿光子数密度较小，当它对饱和吸收体进行漂白( 将饱和吸收体 低能级粒子激发到高能态) ，随机性较大，而脉冲中间光强大的部分，这种随机 性较小这种光栅效应能很好地克服这种随机不稳定性，这就大大地提高光脉 冲的稳定性。 。 时空变换法是将时间域中波动的光脉冲变换为空间域中相对平坦而扩展的 光脉冲之后，从空间域选取一小段光脉冲。基于受激布里渊散射( s b s ) 原理的光 限幅系统在限制能量输出的同时，能保持激光系统的较高透过率。由于该限幅系 统具有高功率工作状态及高破坏闽值的优点，它用于高功率强激光系统的防护和 稳定能量输出。a r r 稳定被动调q 激光机制，是从激光腔型切入，将抗共振环 ( a r r ) 弓i 入调q 激光器中的腔内稳定方法由此可见，时空变换法和光限幅对输 入光脉冲能量的损伤较大，而j u 浪稳定被动调q 激光的方法是基于腔内稳定的方 法，实现难度较大，操作不太方便。 1 5 论文结构 本文共分七章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了激光脉冲的稳定的重要性，简要讲述了目前几种光脉冲稳定 的技术及其特点。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第二章比较了几种光脉冲稳定技术，提出了误差前馈超快光脉冲稳定技术 及其该系统的主要技术指标。 第三章详细介绍了光电导器件的原理、性能指标及其相关指标的测量方法 提出了衰减网络的电路结构，分析了光电导器件对衰减网络输出电压及其输入 输出电阻的影响。阐述了高速电路设计中的传输线效应问题，提出了解决传输 线效应的一系列解决办法，为设计高质量的高速p c b 板提供了理论指导 第四章首先提出了线性电光效应，接着分析了晶体的电光线性系数，分析 了晶体的对称性对电光系数矩阵的影响，着重分析了k d p 晶体的线性电光效 应，最后分析了基于线性电光调制的酱克尔盒的原理。 第五章介绍光电探测器原理及其主要性能指标，提出了光电探测电路原理 图，分析了耦合电容对后级电路的影响。 第六章首先介绍了集成运放的参数、使用中的异常现象及克服的措施。然 后分析了半导体激光器的主要技术指标，最后给出了放大与驱动电路，指出了 脉冲展宽电路设计的要点及其激光器电路工作电路。 第七章介绍了系统联合调试过程中的关键性问题，确保了系统的正常运行， 提供了理论计算，给出并分析了实验数据。总结了本文所做工作，并探讨了进 一步的研究方向 6 重庆邮电大学硕士论文第二章误差前馈超快光脉冲稳定系统 第二章误差前馈超快光脉冲稳定系统 2 1 系统原理及技术指标 在第一章讲述了几种光脉冲稳定技术，时空变换法是将时间域中波动的光 脉冲变换为空间域中相对平坦而扩展的光脉冲之后，从空间域选取一小段光脉 冲。基于受激布里渊散射的光限幅系统在限制能量输出的同时，能保持激光系 统的较高透过率。该限幅系统主要用于高功率强激光系统的防护和稳定能量输 出。a r r 稳定被动调q 激光机制，是将抗共振环c a r r ) 弓i 入调q 激光器中的腔 内稳定方法【i j , 7 1 由第一章可知，时空变换法和光限幅法对输入光脉冲能量的 损伤较大，而a r r 稳定被动调q 激光的方法是基于腔内稳定的方法，其实现、 操作难度较大。 本课题提出了误差前馈的设计方法，可以对脉冲宽度为几璐，重复频率在 几h z ，甚至是单次的光脉冲的实现稳定。该设计方案利用光电探测器输出的信 号大小，通过放大传输控制光导开关的导通率，进而高速控制后续系统的光通 过率，从而达到提高前端系统输出稳定的目的。 图2 1 系统的原理框图 电路原理框图如图2 1 所示光源发出的光经过光分路器，大部分( 约9 0 的光功率) 通过光纤延迟线传输到普克尔盒，- - 4 , 部分( 约l o 的光功率) 传输到 电路系统。该小部分光先通过光电探测器转化为电信号，经过电荷积分器，由 于电荷积分器输出的电压值较小需要适当放大，经过放大后的电压再加载到 8 0 8 n m l d 上，这样通过电压控制l d 输出的光大小，进而改变衰减网络中光电 导体( 光敏电阻) 的阻值的大小。而驱动电压通过衰减网络后，可以使加在普克 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章误差前馈超快光脉冲稳定系统 尔盒两端的电压也随着改变，利用普克尔盒的线性电光效应，从而实现对光源 的光进行调节，以输出稳定光源唧 该系统的主要技术指标如下： 工作波长：1 0 5 3 r i m 输入光功率：1 0 r o w 调节范围：士1 0 稳定范围：士2 5 脉冲宽度：i n s - 1 0 n s 重复频率：1 h z 一1 0 h z 响应时间： 2 0 0 0 0 2 ，即g o g 必须大于1 0 0 0 0 。就是说必须满足如下条件： 1 + 燥 1 0 0 0 ( 魄+ 岛) 加 一7 由此式可知，为了此要求，选取半导体材料时，要求载流子寿命t 必须大，电阻 率要大，这样其平衡载流子浓度n o 和p 0 才小。另外要求足够强的光照射光敏电 阻，才能使其导通。 对( 3 3 ) 式作变换后有： 卜等 l o2 百一【卞j ( 3 i s ) 式中括号中项称为半导体的光电导增益g 呵“v 俨，它定义为每秒产生的电子- 空穴对总数与每秒通过电极间的载流予数的比 由此可知，要增大g ，就要增大载流子寿命和迁移率，加大两极问电压和 减小极间距离要想有大的载流子寿命就需选用复合中心和浓度都较小的半导 体材料作为光电导材料，即高阻、无缺陷的村底材料。当然g 的增大是以牺牲 响应速度为代价的 重庆邮电大学硕士论文第三章光电导器件与衰减网络设计 3 1 4 弛豫现象与响应度 在光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象，称为 光电导的弛豫现象。在小注入情况下，光生载流子寿命t 是定值，通常把t 称为 弛豫时间；在强注入情况下，光生载流子寿命t 不再是定值，而是光强和时间的 函数，即f = ，( ，) 。 光电导灵敏度一般定义为单位光照度所引起的定态光电导q 在一定光 照下， 吒( 一) 越大，表示其灵敏度也越高。从a o ，= p a i r ，显然f 越大，即 弛豫时间长。可以得到较大的缸，使灵敏区提高。但是，另一方面，光电导 的弛豫时闻却代表着光敏电阻对光信号反应的快慢；t 越长，光电导上升越缓慢， 即对光信号的反应慢；t 越短，即反应越快。t 是光敏电阻是一个很重要的参量， 尤其对于高频光信号，弛豫时间必须足够小，才能跟得上光信号的变化在实 际应用中，既要求灵敏度高( 觇大) ，又要求弛豫时间短0 小，反应快) ，这两 者是相互矛盾的，因此，必须根据实际要求来选用适当的材料【1 2 1 3 1 半导体的光电导是一种结构灵敏现象，它与内含的复合中心和陷阱中心有 关，研究光电导的机理，实际上是研究光生载流子的复合过程，从而确定它的 寿命 3 1 5 光电导体有关指标的测试 1 暗电阻的测试 光敏器件在一定的外加电压下，当没有光照时，流过器件的电流称为暗电 流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻。测试原理图见图3 2 调节电压到所需 的值，通过精密数字表测出流过器件的电流，由欧姆定理可计算出所测器件的 暗电阻。 图3 2 暗电阻测试电路原理 重塞塑皇盔堂亟主堡窒第三章光电导器件与衰减网络设计 2 导通电阻的测试 光敏元件在一定的外加电压下，当有光照时，流过器件的电流称为光电流。 外加电压与光电流之比称为光电阻。而当光强增加到一定量使器件处于几乎导 通状态时的电阻称为导通电阻。 图3 3 测试电路原理框图 在一定的电压下，调节光强，通过精密数字表测出流过器件的电流，则可 计算出所测的电阻。按图3 3 接好测试电路，被测器件加上电压v o ，然后使足 够强的光脉冲( 毫焦以上) 照射在器件上使其处于饱和导通状态，读出示波器 上的v l ，则可计算出导通电阻r 暑。 3 耐电压的测试 耐电压就是在无光照条件下，器件所能承受的最大脉冲电压。测试原理图如 12 图3 4 测试电路原理图 图3 4 所示。按图3 4 接好各种元器件及示波器，先把开关置于1 位置，加上高 电压。然后将开关切换到2 的位置上，使电容放电，取下器件，测试器件暗电 阻如此时所得的暗电阻值与未加高压之前的暗电阻值相近，则说明器件的耐 压符合要求【堋 3 2 衰减网络的设计 衰减网络采用t 型结构，电路原理图如图3 5 所示为输入驱动电压；p 0 为衰减网络输出，接普克尔盒输入端；设廓为普克尔盒的输入阻抗，阻值为5 0 q ；如为光电导器件研。衰减网络的输入输出关系为： 重庆邮电大学硕士论文第三章光电导器件与衰减网络设计 r ir l 图3 5 衰减网络原理图 衰减网络的输入阻抗为： 乙= 墨 v m ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 当光脉冲的幅度增大时，通过高速探测器的电流增大，积分电压增大，驱 动l d 激光器的电流增大，l d 激光器发出的光强度增大，照射衰减网络中的 表3 1 光电导器件对衰减网络输出电压的影响 当r 在导通状态下 暗电阻 r i ( r 2 归 r 3 n r ：3 0k q 时 调整范围 ( v 。v 。) r | ，q、“h z n “h 1 48 4 63 0 0 05 00 5 6 25 0 3 90 5 6 4o 0 0 17 62 2 8 82 0 0 05 00 7 8 55 0 9o 7 8 70 0 0 2 53 2 8 9l0 0 05 0o 8 1 85 2 0 50 8 2 1o 0 0 3 1 49 8 55 5 00 5 6 35 2 7 40 5 7 40 0 1 l 1 21 6 1 62 5 05 00 6 1 35 6 7 40 6 3 6o j 0 2 3 1 3 7 5 9 61 2 5 4 0 0 5 3 54 7 70 5 7 50 0 4 0 1 51 9 31 2 55 00 5 3 86 3 5 30 5 8 70 0 4 9 1 21 1 89 04 00 5 6 55 2 60 6 2 30 0 5 8 1 54 8 1 79 05 00 5 3 87 2 1 6o 6 0 9 0 0 7 1 1 38 5 95 0 4 0 0 5 3 67 1 5 80 6 5 00 1 1 4 2 25 4 7 85 05 00 3 8 98 5 50 5 1 6o 1 2 7 2 0 4 2 0 3 0 4 0 0 3 5 77 9 8 80 5 3 50 1 7 8 2 96 1 43 05 00 2 “9 8 80 4 4 70 1 8 l 光敏电阻使其电阻值减小，进而控制普克尔盒输入电压减小，经过普克尔盒之 后减小光脉冲幅度：反之，若光脉冲的幅度减小时，经过普克尔盒之后增大了 1 4 重庆邮电大学硕士论文第三章光电导器件与衰减网络设计 光脉冲幅度，从而达到稳定输出光源的目的。 当光脉冲幅度变化时，为了增加调节的灵敏度，要求有一定的变化范 围。同时为了减少电路反射，应尽量使衰减网络的输入输出阻抗尽量不要偏离 匹配阻抗5 0q 太大。根据以上两个条件依据式( 3 1 6 ) 、( 3 1 7 ) 可以得到在相应 条件下最佳的衰减网络配置。 设在衰减网络中震l 与如相等，由表3 1 可知，当光电导器件韪导通电阻最 大值越小，衰减网络输出电压的动态范围就越大，同时输入输出阻抗的变化 范围也越大要求光电导器件如不仅要有较小的导通电阻，同时要能承受较大 的脉冲电压，因为加到普克尔盒两端的脉冲电压可达上千伏。 在图3 5 设计的衰减网络中，由于并联电阻r 3 的存在，降低了光电导体的动 态范围，这就对光电到体的动态范围提出了更为苛刻的要求，从而增加了光电导 的制作难度，同时增大了设计成本。为此，我们提出一种改进的衰减网络模型如 图3 6 所示。依据式( 3 1 8 ) 、( 3 1 9 ) 光电导器件对改进衰减网络输出电压的影响如 图3 6 改进的衰减网络原理图 厂 k ；， l j l o 一 珞= 舱隅+ 8 卫尚 乙= 墨 ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 表3 2 所示。比较表3 1 与表3 2 可知，改进衰减网络的动态范围较改进前的衰 减网络有所增大。为了使有适当的变化范围，同时尽量使衰减网络的输入输 出阻抗匹配，选择合适的光电导器件及其各个电阻是衰减网络设计的关键。 重庆邮电大学硕士论文第三章光电导器件与衰减网络设计 表3 2 光电导器件对改进衰减网络输出电压的影响 当r | 在导通状态下 暗电阻 r l ( r 2 y n l 皆3 0 k o 时调整范围 ( v o ，、，。) m 嘏 z mv 0 、 h 7 t 、“m 1 43 0 0 07 6 70 6 3 97 7 90 6 4 1o 0 0 2 62 0 0 06 00 8 0 1 6 1 9 o 8 0 6o 0 0 5 51o o o5 7 1 30 8 2 95 8 90 8 3 30 0 0 4 1 45 0 07 0 70 6 2 77 7 80 6 4 1o 0 1 4 1 2 2 5 06 1 70 6 57 3 9 0 6 7 50 0 2 5 1 31 2 55 4 90 6 0 67 5 8 70 6 5 80 0 5 2 1 51 2 55 7 8o 5 7 07 9 90 6 2 50 0 5 5 1 2 9 04 8 7o 6 0 87 3 9 0 6 7 5o 0 6 7 1 59 05 2 7o 5 57 9 90 6 2 50 0 7 5 1 35 04 0 90 5 47 5 90 6 5 8o 1 1 8 2 25 05 1 50 3 9 89 3 80 5 3 2o 1 3 4 2 03 04 10 3 6 68 9 8o 5 6o 1 9 4 2 93 05 0 70 2 71 0 7 80 4 6 2o 1 9 2 3 3 高速p c b 设计的考虑 3 3 1 传输线及其传输线效应 通常约定如果线传播延时大于1 2 数字信号驱动端的上升时间，则认为此类 信号是高速信号并产生传输线效应。p c b 板上的走线可等效为下图所示的串联 和并联的电容、电阻和电感结构。因为绝缘层的缘故，并联电阻阻值通常很高。 r 。、l 。 图3 7 传输线等效电路 将寄生电阻、电容和电感加到实际的p c b 连线中之后，连线上的最终阻抗称为 1 6 重庆邮电大学硕士论文 第三章光电导器件与衰减网络设计 特征阻抗z o 线径越宽，距电源地越近，或隔离层的介电常数越高，特征阻抗 就越小如果传输线和接收端的阻抗不匹配，那么输出的电流信号和信号最终 的稳定状态将不同，这就引起信号在接收端产生反射，这个反射信号将传回信 号发射端并再次反射回来。随着能量的减弱反射信号的幅度将减小，直到信号 的电压和电流达到稳定。这种效应被称为振荡，信号的振荡在信号的上升沿和 下降沿经常可以看到畸1 础7 1 基于上述定义的传输线模型，归纳起来，传输线会对整个电路设计带来以 下效应。 反射信号r e f l e c t e ds i g n a l s 延时和时序错误d e l a y & t 1 = m i n gc t l o r s 。 多次跨越逻辑电平门限错误f a l s es w i t c h i n g 过冲与下冲o v e r s h o o t u n d e r s h o o t 串扰i n d u c e dn o i s e ( o rc r o s s t a l k ) 电磁辐射e m ir a d i a t i o n 1 反射信号。 当传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配时，信号到达接收端后有一部分能 量将沿着传输线反射回去，使得信号波形发生畸变，甚至出现信号的过冲和下 冲。信号如果在传输线上来回反射，就会产生振铃和环绕振荡。 反射信号产生的主要原因：过长的走线；未被匹配终结的传输线，过量电 容或电感以及阻抗失配。 2 延时和时序错误 延时是指信号在p c b 的导线上以有限的速度传输，从驱动端到接收端存在 的传输时间差。信号的延时会对系统的时序产生影响，在高速p c b 设计中，传 输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数f 瑚。 信号延时和时序错误表现为：信号在逻辑电平的高与低门限之间变化时保 持一段时间信号不跳变。过多的信号延时可能导致时序错误和器件功能的混乱。 信号延时产生的原因：驱动过载，走线过长。 3 多次跨越逻辑电平门限错误 信号在跳变的过程中可能多次跨越逻辑电平门限从而导致这一类型的错 误。多次跨越逻辑电平门限错误是信号振荡的一种特殊的形式，即信号的振荡 发生在逻辑电平门限附近，多次跨越逻辑电平门限会导致逻辑功能紊乱。 反射信号产生的原因：过长的走线，未被终结的传输线，过量电容或电感 以及阻抗失配 4 过冲与下冲 1 7 重庆邮电大学硕士论文第三章光电导器件与衰减网络设计 过冲与下冲来源于走线过长或者信号变化太快两方面的原因虽然大多数 元件接收端有输入保护二极管保护，但有时这些过冲电平会远远超过元件电源 电压范围，损坏元器件。 5 串扰 串扰表现为在一根信号线上有信号通过时，在p c b 板上与之相邻的信号线 上就会感应出相关的信号，我们称之为串扰 信号线距离地线越近，线间距越大，产生的串扰信号越小。异步信号和时 钟信号更容易产生串扰。因此解串扰的方法是移开发生串扰的信号或屏蔽被严 重干扰的信号。 6 电磁辐射 e m ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) b p 电磁干扰，产生的问题包含过量的电磁 辐射及对电磁辐射的敏感性两方面e m i 表现为当数字系统加电运行时，会对 周围环境辐射电磁波，从而干扰周围环境中电子设备的正常工作。它产生的主 要原因是电路工作频率太高以及布局布线不合理。目前已有进行e m i 仿真的软 件工具，但e m i 仿真器都很昂贵，仿真参数和边界条件设置又很困难，这将直 接影响仿真结果的准确性和实用性。最通常的做法是将控制e m i 的各项设计规 则应用在设计的每一环节，实现在设计各环节上的规则驱动和控制。 3 3 2 避免传输线效应的方法 针对上述传输线问题所引入的影响，我们从以下几方面谈谈控制这些影响 的方法【1 9 , 2 0 l 。 1 严格控制关键网线的走线长度 如果设计中有高速跳变的边沿，就必须考虑到在p c b 板上存在传输线效应 的问题。现在普遍使用的很高时钟频率的快速集成电路芯片更是存在这样的问 题。解决这个问题有一些基本原则：如果采用c m o s 或r r l 电路进行设计， 工作频率小于1 0 m h z ，布线长度应不大于7 英寸。工作频率在5 0 m i - i z 布线长 度应不大于1 5 英寸。如果工作频率达到或超过7 5 m