CN102749952B - 一种稳定apd倍增因子的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳定APD倍增因子的系统及方法，调制光源产生的光信号经过APD转换为电信号，并经APD探测放大电路进行信号放大输出给A/D转换器，与此同时，调制光源发出同步触发信号给控制器，控制器收到同步触发信号后给A/D转换器提供采样时钟信号，A/D转换器按采样时钟进行A/D转换并输出给控制器，控制器按照同步触发信号周期数N(N＞1)对采集到的信号进行N次累加，并计算系统实际信噪比；控制器将计算获得的系统实际信噪比与基准信噪比进行比较，根据比较结果输出控制信号给数控APD电源，以调节数控APD电源的输出电压。本发明操作简单、稳定性好，能够用于光纤传感领域中APD倍增因子的稳定。

Description

一种稳定APD倍增因子的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种稳定APD倍增因子的系统及方法。

背景技术

雪崩光电二极管(APD)是在高反向偏压附近工作的具有内部倍增放大作用的光电转换器件。它是利用光生载流子在高电场区内的雪崩效应而获得光电流增益的，具有灵敏度高、响应快等优点。APD的电流增益用倍增因子M表示，通常定义为倍增的光电流i₁与不发生倍增效应时的光电流i₀之比。倍增因子与PN结上所加的反向偏压V和PN结的材料有关，可以表示为：

$M=\frac{i_1}{i_0}=\frac{1}{1-{\left(\frac{V}{V_B}\right)}^n}---\left(1\right)$

式中，V_B为击穿电压；V为外加反向偏压；n为1～3，取决于半导体材料、掺杂分布以及辐射波长。所以，当外加反向偏压V增加到接近V_B时，M将趋近于无穷大，此时PN结将发生击穿。应用中，最佳工作电压不宜超过V_B，否则会不稳定进入击穿；也不宜太小，会无雪崩倍增效应。而且，雪崩光电二极管的击穿电压V_B与器件的工作温度有关。当温度升高时，击穿电压V_B会增大。因此，为得到同样的增益系数，不同的工作温度就要加不同的反向偏压。

目前，用来稳定APD倍增因子的方法主要有温控和温补两种。其中，温控方法是尽可能地使APD器件的温度不变，从而保证APD的反向击穿电压V_B不变，以实现APD倍增因子的稳定，但由于在较高温度下，温控电路的制冷功率较大导致系统的功耗大，除此之外，温控的精度并不高；另外一种方法是采用温补，这种方法需要在保证APD倍增因子稳定的情况下绘制出APD的反向偏压V与T的关系曲线，每个温度点要保证恒温精度高才能较准确地得到V-T曲线，且每个APD管子的V-T曲线不一样，因此，该方法的试验可操作性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、稳定性好的稳定APD倍增因子的系统及方法，能够用于光纤传感领域中APD倍增因子的稳定。

本发明包括如下技术方案：

一种稳定APD倍增因子的系统，其特征在于，包括调制光源、APD探测放大电路、A/D转换器、控制器和数控APD电源；调制光源产生的光信号经过APD转换为电信号，并经APD探测放大电路进行信号放大输出给A/D转换器，与此同时，调制光源发出同步触发信号给控制器，控制器收到同步触发信号后给A/D转换器提供采样时钟信号，A/D转换器按采样时钟进行A/D转换并输出给控制器，控制器按照同步触发信号周期数N(N＞1)对采集到的信号进行N次累加，并计算系统实际信噪比；控制器将计算获得的系统实际信噪比与基准信噪比进行比较，根据比较结果输出控制信号给数控APD电源，以调节数控APD电源的输出电压，数控APD电源的输出电压作为APD的反向偏置电压。

所述控制器包括FPGA和计算机。

一种稳定APD倍增因子的方法，包括如下步骤：

(1)确定基准信噪比范围，将其输入控制器；

(2)确定系统实际信噪比；

调制光源产生的光信号经过APD转换为电信号，并经APD探测放大电路进行信号放大输出给A/D转换器，与此同时，调制光源发出同步触发信号给控制器，控制器收到同步触发信号后给A/D转换器提供采样时钟信号，A/D转换器按采样时钟进行A/D转换并输出给控制器，控制器按照同步触发信号周期数N(N＞1)对采集到的信号进行N次累加，并计算得到系统实际信噪比；

(3)判断系统实际信噪比是否在基准信噪比范围内。

当系统实际信噪比不在基准信噪比范围内时，控制器改变输出给数控APD电源的控制信号值，通过调节数控APD电源的输出电压，使系统实际信噪比稳定在基准信噪比范围内，从而实现APD倍增因子的稳定；

当系统实际信噪比在基准信噪比范围内时，控制器不改变输出给数控APD电源的控制信号值。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明不用检测APD管子的温度，而是利用APD探测放大电路的信噪比、APD倍增因子与APD偏压三者的关系，通过测量算出的信噪比与基准信噪比相比较，如果不满足要求，发出控制信号来调节APD偏压，使系统信噪比满足基准信噪比范围，进而稳定M因子。具有操作简单、稳定性好的优点。

本发明适合光纤传感领域中APD倍增因子的稳定，使光纤传感系统的信噪比稳定在较高的水平。本发明便于与主流的分布式光纤传感系统方案融合，且电路上易于改进，功耗低，成本低廉，可靠性高。

附图说明

图1为本发明稳定APD倍增因子的系统的原理框图；

图2为FPGA控制数控APD电源输出值的原理图；

图3为手动调节APD电源输出值的原理图；

图4为本发明稳定APD倍增因子的方法的工作流程图。

具体实施方式

使用雪崩光电二极管的要点就是要根据实际使用情况，选取最佳偏置电压，使管子工作在最佳倍增因子状态。所谓最佳倍增因子就是系统得到最大信噪比时所对应的倍增因子。

系统最大信噪比主要是由APD的信噪比决定。APD的功率信噪比为：

${\left(\frac{S}{N}\right)}_P=\frac{{\left({\mathrm{Mi}}_s\right)}^2}{2e(i_s+i_b+i_d)M^2\mathrm{F\Δf}+\frac{4\mathrm{kT\Δf}}{R_L}}---\left(2\right)$

式中，M为APD倍增因子，i_s为无增益时光电流，i_b为背景光电流，i_d为暗电流，F为APD的过剩噪声系数，Δf为APD工作带宽，e为电子电荷，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，RL为负载电阻。式(2)说明，APD的信噪比随倍增因子M而变化。当放大器及负载电阻的热噪声电流大于APD的散粒噪声电流时，随着M的增加，信号电流与散粒噪声电流均增大，而放大器及负载电阻的热噪声电流基本不变，总的信噪比提高。当M增加到使散粒噪声大于放大器及负载电阻的热噪声时，由于信号电流按M²增加，而噪声电流按M²F增加，则随着M的增加，信噪比反而减小。因此，从信噪比的角度看，M也不能无限增大，需要一个最佳工作点。

在实际APD管子的应用中，由于M因子并不能实际测量到，所以不能用M因子的变化趋势来调节V以稳定M因子。而APD探测放大电路的信噪比是可以测量得到的。当放大电路增益和噪声稳定的时候，如果信噪比发生变化，那么即是M因子发生了变化。实际中，M因子主要是对温度敏感，即V_B与温度有关，使得信噪比变化。因此，可以设定基准信噪比范围，当信噪比不在此范围内时，通过调节反向偏压V可以使信噪比保持在基准信噪比范围内，进而稳定倍增因子M。

如图1所示，本发明的稳定APD倍增因子的控制系统包括调制光源1、APD探测放大电路2、A/D转换器3、FPGA4、计算机5和数控APD电源6。调制光源1发出的调制光信号给APD探测放大电路2，同时调制光源1发出同步触发信号给FPGA4，FPGA4收到同步触发信号后给A/D转换器3提供采样时钟信号，A/D转换器3按照采样时钟信号对APD探测放大电路2的输出进行A/D转换并传给FPGA4，FPGA4按照同步信号周期数N对采集到的数据进行N(N＞1)次累加后将累加结果发给计算机5，进行平均及信噪比运算。比如调制光源的调制频率为1MHz，同步触发信号频率为100kHz，A/D转换器的采样速率为10MS/s，N＝16，那么，FPGA第一个10μs存100个数据，以后每10μs将新的100个数据累加到上次100个数据对应的累加结果中，共进行16次累加，并把累加和发给计算机，由计算机计算其平均值，因为有用信号为确定性信号，16次累加平均后还为本身，而噪声信号为随机信号，假定噪声为高斯分布零均值白噪声，根据调制信号的特点选取部分数据点进行均方根值的计算作为噪声的有效值，进而算出系统实际信噪比。确定基准信噪比范围，当系统实际信噪比不在此范围内时，计算机5通过FPGA4调节数控APD电源6的输出电压，数控APD电源的输出电压作为APD的反向偏置电压，通过调节APD的反向偏置电压可以使系统信噪比稳定在基准信噪比范围内。

数控APD电源可以采用如图2所示的电路；也可以采用其它的方式进行电源调节。如图2所示为数控APD电源的一个实施例：采用MAX1932芯片及其外围电路实现，用MAX1932芯片及其外围电路组成数控APD电源是本领域的常规设计，具体可参见该芯片的用户手册。

由图2可以看出，当计算机5算出的系统信噪比不满足要求时，便命令FPGA使MAX1932的DA转换功能有效，并按FPGA的时钟信号将8bits的控制信号DACCODE发给MAX1932，MAX1932根据公式

$V_{\mathrm{DACOUT}}=\mathrm{DACCODE}\×\left(\frac{1.25V}{256}\right)+\left(\frac{1.25V}{256}\right)---\left(3\right)$

得到DAC的输出电压。MAX1932上电后，V_DACOUT的默认初始值为1.25V(对应DACCODE为FFH)，此时对应的V_OUT为最小值。由于数控APD电源的输出电压V_OUT作为APD的反向偏置电压；通过调节控制信号DACCODE的值，就可以稳定APD的倍增因子。

因为MAX1932一上电后，输出电压V_OUT为最小值(启动了DAC功能)，所以系统实际信噪比必然低于基准信噪比范围，此时启动FPGA的DACCODE逐一递减程序，这时，输出电压会逐渐增大(变化幅度小于基准信噪比范围)，直到满足基准信噪比范围，此时，维持DACCODE不变。而当环境变化使得系统实际信噪比高于基准信噪比范围时，启动FPGA的DACCODE逐一递增程序使输出电压逐渐减小，直到满足基准信噪比范围。

本发明稳定APD倍增因子的方法流程图如图4所示，具体包括如下步骤：

1)确定基准信噪比范围

确定基准信噪比范围的方法除了FPGA不给数控APD电源输出控制信号，其它部分基本与图1相同，如图3所示为手动调节数控电源输出电压值的原理图。开启调制光源1，通过APD探测放大电路进行信号放大，控制器进行信号采集累加平均算出系统信噪比，手动调节(不用DAC功能)数控APD电源6输出以确定基准信噪比范围。

如图3所示，选取R5＝1MΩ，R8为50K可调变阻器，根据公式

$V_{\mathrm{OUT}}=(\frac{R5}{R8}+1)\×1.25V---\left(4\right)$

通过手动调节可调电阻R8的值，可以改变V_OUT的值，即APD的偏置电压，使系统达到最大信噪比，因为系统白噪声具有随机性特点，所以，系统最大信噪比在一个小范围内波动(基准信噪比范围)。比如，控制器对采集到的信号进行N＝256次的累加，经过平均及信噪比的计算得到基准信噪比在112-128范围内变化。

2)将步骤(1)所确定的基准信噪比范围输入计算机5；

3)如图2所示，将FPGA与数控电源相连，开启MAX1932的DAC功能，调制光源产生的光信号经过APD转换为电信号，然后经过APD探测放大电路2进行信号放大；APD探测放大电路2输出的信号经过A/D转换器3和FPGA4完成信号的采集与累加；累加结果传给计算机5进行平均值和系统实际信噪比运算；

4)将得到的系统实际信噪比与基准信噪比进行比较，如果不在基准信噪比范围内，则转入步骤5)；如果在范围内，则满足要求，维持DACCODE不变；

5)判断系统实际信噪比是否小于基准信噪比范围，如果小于基准信噪比范围，计算机5则启动FPGA的DACCODE逐一递减程序，如果高于基准信噪比范围，计算机5则启动FPGA的DACCODE逐一递增程序；数控APD电源6将DACCODE转换为模拟信号通过DACOUT端口来调节数控APD电源的输出电压，即APD的反向偏置电压，直至所计算的系统信噪比位于基准信噪比范围内。

本发明的实施方式是较佳的实施方式，但并不局限于此。本领域的技术人员较容易根据上述实施方式选用相关芯片实现稳定M因子的功能，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围之内。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种稳定APD倍增因子的系统，其特征在于，包括调制光源、APD探测放大电路、A/D转换器、控制器和数控APD电源；数控APD电源的输出电压作为APD的反向偏置电压；所述控制器包括FPGA和计算机；调制光源产生的光信号经过APD转换为电信号，并经APD探测放大电路进行信号放大输出给A/D转换器，与此同时，调制光源发出同步触发信号至FPGA；FPGA收到同步触发信号后给A/D转换器提供采样时钟信号，A/D转换器按采样时钟进行A/D转换并输出给FPGA；FPGA按照同步触发信号周期数N对采集到的信号进行N次累加并将累加结果发给计算机，由计算机计算系统实际信噪比，其中N＞1；控制器将计算获得的系统实际信噪比与基准信噪比进行比较，根据比较结果输出控制信号给数控APD电源，以调节数控APD电源的输出电压；当系统实际信噪比不在基准信噪比范围内时，FPGA改变输出给数控APD电源的控制信号值，通过调节数控APD电源的输出电压，使系统实际信噪比稳定在基准信噪比范围内，从而实现APD倍增因子的稳定；当系统实际信噪比在基准信噪比范围内时，FPGA不改变输出给数控APD电源的控制信号值。

2.一种利用权利要求1所述系统稳定APD倍增因子的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)确定基准信噪比范围，将其输入控制器；基准信噪比范围为112至128；

(2)确定系统实际信噪比；

调制光源产生的光信号经过APD转换为电信号，并经APD探测放大电路进行信号放大输出给A/D转换器，与此同时，调制光源发出同步触发信号给FPGA，FPGA收到同步触发信号后给A/D转换器提供采样时钟信号，A/D转换器按采样时钟进行A/D转换并输出给FPGA，FPGA按照同步触发信号周期数N对采集到的信号进行N次累加，并将累加结果发给计算机，由计算机计算系统实际信噪比；其中N＞1；

(3)判断系统实际信噪比是否在基准信噪比范围内；

当系统实际信噪比不在基准信噪比范围内时，FPGA改变输出给数控APD电源的控制信号值，通过调节数控APD电源的输出电压，使系统实际信噪比稳定在基准信噪比范围内，从而实现APD倍增因子的稳定；

当系统实际信噪比在基准信噪比范围内时，FPGA不改变输出给数控APD电源的控制信号值。