CN101588204A

CN101588204A - 宽带高灵敏度光接收机

Info

Publication number: CN101588204A
Application number: CNA2009100536588A
Authority: CN
Inventors: 杨斌; 皋魏; 席刚; 周正仙; 仝芳轩
Original assignee: Shanghai Boom Fiber Sensing Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Boom Fiber Sensing Technology Co Ltd
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2009-11-25

Abstract

本发明提出一种宽带高灵敏度光接收机，包括多路光信号处理回路，每一光信号处理回路包括：依次连接的光检测器、前置放大器和主放大器，所述主放大器包括第一级放大器、可控增益放大器和驱动级。本发明提出的实用的宽带高灵敏度光接收机，其为宽带、高增益、高接收灵敏度的光接收机。

Description

宽带高灵敏度光接收机

技术领域

本发明涉及光传感技术领域，且特别涉及一种实用的宽带高灵敏度光接收机。

背景技术

光纤传感器的概念不是新的，早在60年代中期就出现了第一个专利，它包括采用传光束的Fotonic机械位移传感器和采用相位调制的超声波传感器。但是，在更为广阔的领域，即光纤传感技术，取得系列研究却是在10年以后，从那时起光纤技术就突破了那种徘徊不前的状态，进入了一日千里的时代。

光纤传感器的基本原理是：由光源发出的光经过光纤进入调制区，在被测对象的作用下，光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质发生了变化，使它成为被调制了的信号，再经过光纤送入光探测器和电信号处理装置，最终获得待测对象的信息。

目前，分布式光纤传感技术是光传感技术领域中最有应用前景的，分布式光纤温度传感技术是近年来发展起来的一种新型传感技术，它利用一根光导纤维作为温度信息的传感和传导介质，可以测量整个光纤长度上的温度变化，其中分布式光纤温度传感器通过一次测量，既可获得光纤所经区域的温度场的完整信息。分布式光纤温度传感器的信号处理技术，是将探测器输出的信号尽可能地去除干扰和噪声，从而得到准确而快速的温度显示和温度数据，这在解决大型重要结构的实时监控、准确测量等问题以及在组成智能材料结构等方面具有重要价值和应用潜力。

然而由于分布式光纤温度传感器的光接收信号很微弱，一般为nW级，所以目前国内能做出性能稳定的分布式光纤温度传感器的厂商很少。分布式光纤传感器问世以来，至今已经出现了许多商业化产品，然而所达到的指标在许多场合下仍不能满足要求。尤其是中长距离(10km)传感测量系统的空间分辨率，目前最高的指标水平为2m，在实用中仍有很大的限制性。究其原因，主要问题是制作一个宽带、高增益、高接收灵敏度的光接收机难度大。因此，拉曼分布式光纤温度传感器的精度、测量长度和空间分辨率仍然有待提高。

发明内容

本发明提出一种实用的宽带高灵敏度光接收机，其为宽带、高增益、高接收灵敏度的光接收机。

为了达到上述目的，本发明提出一种宽带高灵敏度光接收机，包括多路光信号处理回路，每一光信号处理回路包括：依次连接的光检测器、前置放大器和主放大器。

进一步的，所述光检测器为雪崩光电二极管。

进一步的，所述雪崩光电二极管的倍增因子为9.5。

进一步的，所述前置放大器包括场效应管。

进一步的，所述主放大器包括第一级放大器、可控增益放大器和驱动级。

进一步的，所述第一级放大器为超低噪声高速运算放大器，，其电压增益为20dB，带宽大于100MHz。

进一步的，所述可控增益放大器采用AD8352，其带宽大于100MHz，可实现0～28dB之间的任意增益值。

进一步的，所述驱动级采用AD8138，带宽大于100MHz，增益为2dB。

本发明提出一种分布式光纤温度传感器所用的宽带高灵敏度光接收机。通过本发明，不仅可以解决分布式光纤温度传感器生产中的实际问题，而且，为以后相关传感器的研制奠定了基础。所以，宽带高灵敏度光接收机的研制具有重要的实际意义。本发明提出的实用的宽带高灵敏度光接收机，其为宽带、高增益、高接收灵敏度的光接收机。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的宽带高灵敏度光接收机结构示意图。

图2所示为本发明较佳实施例的主放大器结构示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的宽带高灵敏度光接收机结构示意图。本发明提出的宽带高灵敏度光接收机，包括多路光信号处理回路(图中所示为2路分别输入光信号1和光信号2，得到A路模拟信号输出和B路模拟信号输出)，每一光信号处理回路包括：依次连接的光检测器100、前置放大器200和主放大器300。

设计光接收机，首先面临的问题是光检测器100的选择。光检测器100大致可分为PIN光电二极管(PIN-PD)和雪崩光电二极管(APD)。

对分布式光纤温度传感器而言，由于后向散射的拉曼信号非常弱，所以，提高光检测器100的灵敏度成为首要的考虑因素。PIN光电二极管虽然噪声较小，但它不能放大信号。雪崩光电二极管(APD)的噪声较大，但它的内部倍增使得它的灵敏度较高。所以，雪崩光电二极管(APD)可以较好的满足本宽带高灵敏度光接收机的要求。

使用雪崩光电二极管(APD)，需要注意以下两个问题：

(1)倍增因子的选择

APD的电流增益，即倍增因子M可表示如下式同：

Q＝1_O/I_P

式中，1_O是APD倍增后的光电流，I_P是未倍增的光电流。APD的M会随偏压的增大而增加，但其倍增噪声的增加速度更快。所以，M不要选的过大，本设计中M＝9.5。

(2)温度对APD倍增因子的影响

温度对APD的影响比对PIN的影响大。当温度升高时，APD的击穿电压增大，M一下降，倍增噪声减小；反之亦然。所以，本设计采取了温控或温度补偿措施，使APD的工作状态稳定。

实验表明，如果光接收机第一级的功率增益很大，那么第二项及以后各项的影响可以忽略，于是总的噪声系数仅由第一级决定。所以，在设计中应尽量提高第一级的功率增益，降低第一级的噪声。前置放大器200包括场效应管，设计时接收机采用了APD与场效应管(TIA)组合成为的APD-TIA组件，因为与分立元件相比，这种组件灵敏度更高，带宽更宽，噪声较小，可以很好的满足本接收机的要求。

主放大器300包括第一级放大器310、可控增益放大器320和驱动级330，参见图2。由于对主放大器300的增益和带宽的指标都很高，所以，主放大器300采用级联的结构。设计主放大器300的第一个问题是各级的安排，主要是可控增益放大器320位置的安排。如果可控增益放大器320位置靠前，由于此时信号幅度较小，所以不易实现增益的精确控制。如果可控增益放大器320位置靠后，则可能信号在前几级己经进入了饱和。所以，最后确定的主放大器300结构如图2。

第一级放大器310采用超低噪声高速运算放大器，其电压增益A_vd＝20dB，带宽大于100MHz。

可控增益放大器320采用AD8352，带宽大于100MHz，可实现0～28dB之间的任意增益值。在宽带高灵敏度光接收机中，通过对本级的控制，可使经过光接收机放大的信号幅度在一个合理的范围内。

最后的驱动级330采用AD8138，带宽大于100MHz，增益为2dB。

最终宽带高灵敏度光接收机的设计功能与主要技术指标如下：

光接收灵敏度P_r：≤-65dBm；

光输入通道：两个独立通道；

APD恒增益工作温度范围：-0℃～+50℃；

带宽：几Hz～100MHz；

增益范围：0～28dB可调；

模拟信号输出范围：±500Mv，噪声V_PP＜50mV；

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

Claims

1.一种宽带高灵敏度光接收机，包括多路光信号处理回路，其特征在于，每一光信号处理回路包括：依次连接的光检测器、前置放大器和主放大器。

2.根据权利要求1所述的宽带高灵敏度光接收机，其特征在于，所述光检测器为雪崩光电二极管。

3.根据权利要求2所述的宽带高灵敏度光接收机，其特征在于，所述雪崩光电二极管的倍增因子为9.5。

4.根据权利要求1所述的宽带高灵敏度光接收机，其特征在于，所述前置放大器包括场效应管。

5.根据权利要求1所述的宽带高灵敏度光接收机，其特征在于，所述主放大器包括第一级放大器、可控增益放大器和驱动级。

6.根据权利要求5所述的宽带高灵敏度光接收机，其特征在于，所述第一级放大器为超低噪声高速运算放大器，，其电压增益为20dB，带宽大于100MHz。

7.根据权利要求5所述的宽带高灵敏度光接收机，其特征在于，所述可控增益放大器采用AD8352，其带宽大于100MHz，可实现0～28dB之间的任意增益值。

8.根据权利要求5所述的宽带高灵敏度光接收机，其特征在于，所述驱动级采用AD8138，带宽大于100MHz，增益为2dB。