CN103033263A

CN103033263A - 一种基于雪崩二极管的超灵敏光功率检测装置

Info

Publication number: CN103033263A
Application number: CN2012105610832A
Authority: CN
Inventors: 秦玥; 张盛祥; 陈杰; 曾和平
Original assignee: Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明公开了一种基于雪崩二极管的超灵敏光功率检测装置，其特点是该光功率检测装置由雪崩二极管、可编程逻辑器和终端机组成，所述雪崩二极管设有温控电路、偏置电路和脉冲电路；雪崩二极管将入射光产生的光子计数信号输入到可编程逻辑器进行单位时间的光子数统计，然后将统计数与已知光功率进行比对后得到检测光功率数据，实现单光子的超灵敏功率检测。本发明与现有技术相比具有极微弱光源的功率检测能力，灵敏度高，解决了单次雪崩对单光子无法进行强度辨别的弊端，是一种全新且有效的超灵敏光功率计量，填补了现有光功率计在超微弱光功率检测方面的空白。

Description

一种基于雪崩二极管的超灵敏光功率检测装置

技术领域

本发明涉及单光子探测和光功率检测技术领域，尤其是一种基于雪崩二极管的超灵敏光功率检测装置。

背景技术

目前，常用的光功率计主要是利用光敏或热敏器件的阻值或电流变化来实现光功率的计量，即面对于不同功率的光源，会随着光功率的变化输出不同的电流，通过电流来检测光功率大小。此种光功率计优点是光谱响应曲线平坦，成本较低，但其灵敏度非常有限，一般最多只能响应到pw量级。

而随着现今光谱学和光通信等领域不断朝着高精度高灵敏度的趋势发展，对光功率计性能的要求也不断提高。如何实现对超微弱光源的检测成为了一个具有基础性意义的课题。现在较为成熟的探测方式包括光电倍增管、超导探测和雪崩光电二极管等等。其中雪崩光电二极管（APD）具备了成熟的技术手段和良好的制作工艺，已经在灵敏探测和光电检测方面取得了广泛的应用。APD的基本工作原理是，当在半导体二极管加上足够高的反向偏压时，APD将工作在雪崩状态，此时光生载流子在二极管耗尽层内的碰撞电离效应将使其获得光电流的雪崩倍增。这种效应类似于一个无穷大的增益，因此APD可以实现对单光子的响应，虽然APD具有了极高的探测灵敏度，但是它对入射光子的增益却并不是线性的。

现有技术的基于雪崩光电二极管APD的光检测器件通常只能用作光子计数，检测光子“有”或“没有”，而不能直接分辨出光信号的强弱，因此如何利用雪崩状态下的APD高灵敏度进行功率检测成为了一个具有挑战性的课题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种基于雪崩二极管的超灵敏光功率检测装置，采用高频时钟触发雪崩二极管，使其工作在“门脉冲”模式对入射光源进行光子采样，入射光将在这些探测门内产生光子计数信号，然后对采样结果进行统计并与已知光功率进行比对，从而获得入射光的瞬时光功率，实现单光子水平的超灵敏功率检测，具有结构简单，探测灵敏度高，检测方便，较好的解决了单次雪崩对单光子无法进行强度辨别的弊端，是一种全新且有效的超灵敏光功率计量方式。

本发明的目的是这样实现的：一种基于雪崩二极管的超灵敏光功率检测装置，其特点是该光功率检测装置由雪崩二极管（APD）、可编程逻辑器（FPGA）和终端机组成，所述雪崩二极管（APD）设有为其提供工作温度、反向偏压和门脉冲信号的温控电路、偏置电路和脉冲电路；雪崩二极管（APD）将入射光产生的光子计数信号输入到可编程逻辑器（FPGA），由可编程逻辑器（FPGA）对单位时间内的光子进行统计并与已知光功率进行比对，比对后得到的检测光功率数据输入终端机进行数值显示和数据存储，实现单光子的超灵敏功率检测。

所述已知光功率为参考光经可调衰减后由光功率计对单位时间的光子进行统计并由可编程逻辑器（FPGA）汇编制成参考光功率数据表。

所述脉冲电路为高频时钟触发雪崩二极管（APD）的门脉冲电路。

所述温控电路为温度检测模块将温度的变化转化为电压值的变化，由A/D转换成数字量在MCU中处理，并由MCU控制的D/A的输出电压转成4~20mA电流控制致冷器电源的输出电压，改变致冷器的制冷功率，由此构成一个环路使温度稳定在预定值。

所述可编程逻辑器（FPGA）内设有与已知光功率进行比对的软件。

本发明与现有技术相比具有极微弱光源的功率检测能力，灵敏度高，结构简单，解决了单次雪崩对单光子无法进行强度辨别的弊端，是一种全新且有效的超灵敏光功率计量，可广泛应用于光谱学和光通信等领域，填补了现有光功率计在超微弱光功率检测方面的空白。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明工作示意图

具体实施方式

参阅附图1，本发明由设有温控电路1、偏置电路2和脉冲电路3的雪崩二极管（APD）4与可编程逻辑器（FPGA）5和终端机6串接而成，雪崩二极管（APD）4配置了三个功能模块，三个功能模块共同作用于APD，使其可以在设定的模式下稳定工作。当待测光入射雪崩二极管（APD）4后产生光子计数信号，雪崩二极管（APD）4将光子计数信号输入可编程逻辑器（FPGA）5进行单位时间的光子计数统计，将单位时间内的计数总和数值与校准时得到的参考光功率数值进行查表比对，即可得到待测入射光的功率数据，实现单光子水平的超灵敏功率检测，然后由可编程逻辑器（FPGA）5将待测入射光的功率数据输入终端机6进行数值的显示和存储。

上述温控电路1用于控制雪崩二极管（APD）4的工作温度，使其保持稳定的探测效率，温控电路1采用温度检测模块将温度的变化转化为电压值的变化，由A/D转换成数字量在MCU中处理，并由MCU控制的D/A的输出电压转成4~20mA电流控制致冷器电源的输出电压，改变致冷器的制冷功率，由此构成一个环路使温度稳定在预定值。

上述偏置电路2为雪崩二极管（APD）4提供反向偏压，使其工作在雪崩模式。偏置电路2采用了脉冲宽度调制方法来改变输出电压的大小，FB（输出电压反馈端）固定为1.25V，由DAC的输出电压和FB端电压差控制电流，使得两端的压差改变而调节输出电压，这种方案在实际的使用过程中可以实现数据调节，可以方便的产生APD所需的偏压，且纹波控制在很小的范围内。偏置电路2选用MAXIM/DALLAS公司生产的MAX1932，它能提供4.5~90V的电压输出，同时具有电流保护功能，其内部集成8位SPI-Compatible DAC,也可使用外部DAC得到更高的输出精度。

上述脉冲电路3采用高频时钟触发雪崩二极管（APD）4，使其工作在“门脉冲”模式，对入射光源进行光子采样。脉冲电路3为高频窄脉冲产生“门脉冲”信号，采用D/A控制方式，时钟信号经过整形转换成一个稳定的脉冲宽度，并在后级设置一个高速的比较器，由MCU控制D/A输出电压改变比较器的阈值，从而改变门脉冲产生器输出的门脉冲宽度。

参阅附图2，本发明是这样工作的：首先将参考光经可调衰减后由光功率计对单位时间的光子进行统计，然后将统计数据输入可编程逻辑器（FPGA）5，由可编程逻辑器（FPGA）5汇编制成参考光功率数据表，可编程逻辑器（FPGA）5内设有与已知光功率进行比对的软件。当待测光入射后由雪崩二极管（APD）4对光子进行采样，雪崩二极管（APD）4将入射光产生的光子计数信号输入到可编程逻辑器（FPGA）5，由可编程逻辑器（FPGA）5对单位时间内的光子计数进行统计并与已知光功率数据表进行比对，可编程逻辑器（FPGA）5将查表比对后得到的检测光功率数据输入终端机6，由终端机6对检测光功率数值进行显示并存储，实现单光子水平的超灵敏功率检测。本发明不仅充分利用了APD超灵敏探测的能力，而且较好的避免和克服了APD在单次雪崩中无法进行强度辨别的弊端，是一种全新且有效的超灵敏光功率计量方式。

以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims

1.一种基于雪崩二极管的超灵敏光功率检测装置，其特征在于该光功率检测装置由雪崩二极管、可编程逻辑器和终端机组成，所述雪崩二极管设有为其提供工作温度、反向偏压和门脉冲信号的温控电路、偏置电路和脉冲电路；雪崩二极管将入射光产生的光子计数信号输入可编程逻辑器，可编程逻辑器对单位时间的光子进行统计并与已知光功率进行比对，比对后得到的检测光功率数据输入终端机进行数值显示和数据存储，实现单光子的超灵敏功率检测。

2.根据权利要求1所述基于雪崩二极管的超灵敏光功率检测装置，其特征在于所述已知光功率为参考光经可调衰减后由光功率计对单位时间的光子进行统计并由可编程逻辑器汇编制成参考光功率数据表。

3.根据权利要求1所述基于雪崩二极管的超灵敏光功率检测装置，其特征在于所述脉冲电路为高频时钟触发雪崩二极管的门脉冲电路。

4.根据权利要求1所述基于雪崩二极管的超灵敏光功率检测装置，其特征在于所述温控电路为温度检测模块将温度的变化转化为电压值的变化，由A/D转换成数字量在MCU中处理，并由MCU控制的D/A的输出电压转成4~20mA电流控制致冷器电源的输出电压，改变致冷器的制冷功率，由此构成一个环路使温度稳定在预定值。

5.根据权利要求1所述基于雪崩二极管的超灵敏光功率检测装置，其特征在于所述可编程逻辑器内设有与已知光功率进行比对的软件。