CN108318132B - 一种扩大apd线性探测范围的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种扩大APD线性探测范围的装置，通过分光镜将入射强光信号按照不同的比例分配到两个相同的APD上，利用比较器控制开关选择未饱和的APD作为后级输入，保证在不衰减强入射光信号强度的前提下，APD能够探测到更大线性范围的入射光信号，提高了APD响应光功率的线性探测范围，该装置包括光接收器、分光镜、反射镜、第一APD、第二APD、第一放大器、第二放大器、比较器、单刀双向开关，具有抗干扰能力强、环境适应性好等优点，提高了APD的检测性能，有效扩大了APD的线性探测范围。

Description

一种扩大APD线性探测范围的装置
技术领域
本发明涉及光电探测装置领域，尤其是一种扩大APD线性探测范围的装置。
背景技术
APD属于一种内增益的光生伏特器件，其原理是借助强电场下光生载流子的定向运动来形成雪崩效应，并获取较大的光电流增益，具有小型、灵敏度高、响应速度快、线性度好、量子效率高等优点，广泛应用于激光测距、空间通信、生物医疗等领域。虽然APD工作在盖格模式下能够达到单光子检测的灵敏度，但是也只能对光子进行计数，当环境中存在强光干扰时，APD转换的光电流将会迅速饱和，无法对光信号进行处理；若对强光信号进行衰减处理，又会丢失掉大量的有用信息，使信号失真。因此有必要针对强光信号的检测进行深入研究，实现强光信号的线性测量，提高环境的适用性。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种能够提高APD在强光信号下的线性探测范围和实现强光信号的线性测量的扩大APD线性探测范围的装置。
为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种扩大APD线性探测范围的装置，包括光接收器、分光镜、反射镜、第一APD、第二APD、第一放大器、第二放大器、比较器和单刀双向开关，所述的光接收器将接收到的入射光信号出射到分光镜，由分光镜将入射光分为透射光和反射光并对应形成光路，所述的第一APD、第一放大器依序设于透射光形成的光路上，所述的反射镜、第二APD、第二放大器依序设于反射光形成的光路上，其中，透射光进入第一APD转换为电信号，反射光进入第二APD转换为电信号；所述第一APD和第二APD产生的电信号分别经过第一放大器和第二放大器放大后输出，所述第一放大器和第二放大器分别与单刀双向开关的两输入端相连；所述的比较器具有两个输入端和一输出端，所述第一放大器的输出端还与比较器的一个输入端相连，所述比较器的另一个输入端施加有比较电压Vset，所述比较器的输出端与单刀双向开关相连，并用于控制所述单刀双向开关与第一放大器或第二放大器相连。
进一步，所述的光接收器用于将入射光信号整形为准直光束且准直光束的光斑尺寸与第一APD和第二APD的感光面大小相同，并且经光接收器处理的入射光光强不衰减。
进一步，所述分光镜的分光比为可调且分光镜的透光功率大于反射光功率。
进一步，所述的第一APD和第二APD均为两相同的APD单元、APD阵列或APD芯片。
进一步，所述第一放大器的放大倍数和第二放大器的放大倍数之比与分光镜的分光比呈反比关系。
进一步，所述单刀双向开关的初始状态为与第一放大器相连；当第一放大器的输出电压与比较器的另一个输入端输入的比较电压接近时，所述单刀双向开关与第一放大器断开并与第二放大器相连。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：通过分光镜将经过光接收器处理后强光信号按照需要的比例分配到两个相同的APD（即第一APD和第二APD）上，使得其中一个APD工作在非饱和的状态，再由控制比较器选择非饱和的APD作为后级输入，使输出的探测信号始终在APD的线性探测范围内，实现了对信号的线性测量，扩大了APD响应光功率的线性探测范围，另外本发明方案装置还具有抗干扰能力强、环境适应性好等优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述：
图1是本发明扩大APD线性探测范围的装置的连接原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括光接收器101、分光镜102、反射镜103、第一APD 104、第二APD 105、第一放大器106、第二放大器107、比较器108和单刀双向开关109；
入射光信号光经过光接收器101接收后，由光接收器101将接收到的入射光信号准直并出射到分光镜102，由分光镜102将入射光分为透射光和反射光并对应形成光路，所述的第一APD 104、第一放大器106依序设于透射光形成的光路上，所述的反射镜103、第二APD105、第二放大器107依序设于反射光形成的光路上，其中，透射光进入第一APD 104后被转换为电信号，反射光进入第二APD 105后被转换为电信号；所述第一APD 104和第二APD 105产生的电信号分别经过第一放大器106和第二放大器107放大后输出，所述第一放大器106和第二放大器107分别与单刀双向开关109的两输入端相连；所述的比较器108具有两个输入端和一输出端，所述第一放大器106的输出端还与比较器108的一个输入端相连，所述比较器108的另一个输入端施加有比较电压Vset，所述比较器108的输出端与单刀双向开关相连，并用于控制所述单刀双向开关与第一放大器106或第二放大器107相连。
其中，所述的光接收器101将入射光信号整形为准直光束后，准直光束的光斑尺寸与第一APD 104和第二APD 105的感光面大小相同，并且经光接收器101处理的入射光光强不衰减，进一步，所述的第一APD 104和第二APD 105可以均为两相同的APD单元、APD阵列或APD芯片。
另外，所述分光镜102的分光比为可调且分光镜102的透光功率大于反射光功率，所述第一放大器106的放大倍数和第二放大器107的放大倍数之比与分光镜102的分光比呈反比关系。
进一步，所述单刀双向开关的初始状态为与第一放大器相连；当第一放大器的输出电压与比较器的另一个输入端输入的比较电压接近时，所述单刀双向开关与第一放大器断开并与第二放大器相连。
实施例1
参见图1，其中，入射光信号的功率为1mW，经过所述光接收器101准直后光功率也为1mW，所述分光镜102的分光比为99:1，即经过所述分光镜102分光后的透射光功率为0.99mW、反射光功率为0.01mW，所述第一APD 104和第二APD 105的饱和光功率都为0.5mW，饱和状态下输出的电压为0.5V，第一放大器106放大倍数为1，第二放大器107的放大倍数为99，所述比较电压Vset为0.5V。
当透射光入射到所述第一APD 104时，透射光功率0.99mW大于所述第一APD104的饱和光功率0.5mW，使所述第一APD04到达饱和工作状态，输出一个饱和电压为0.5V，经过所述第一放大器106放大后输出的电压为0.5V，所述比较器108接收到所述第一放大器106的电压信号，该信号与所述比较电压Vset相同，因此所述比较器108控制所述单刀双向开关109与所述第二放大器107相连。
当反射光经过所述反射镜103反射后入射到所述第二APD105时，反射光功率0.01mW小于所述第二APD105的饱和光功率0.5mW，不会使所述第二APD105达到饱和工作状态，所述第二APD105工作在线性探测范围内，输出的电压为0.01V，经过所述第二放大器107放大后输出的电压为0.99V，此时所述第二放大器107与所述单刀双向开关109相连的，因此输出信号Vout即为0.99V，且此信号为线性信号。APD探测到光功率由饱和工作状态的0.5mW提高到了线性工作状态的0.99mW，扩大了APD的线性探测范围，能够探测到更多有用的入射光信号。
以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对此实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种扩大APD线性探测范围的装置，其特征在于：包括光接收器、分光镜、反射镜、第一APD、第二APD、第一放大器、第二放大器、比较器和单刀双向开关，所述的光接收器将接收到的入射光信号出射到分光镜，由分光镜将入射光分为透射光和反射光并对应形成光路，所述的第一APD、第一放大器依序设于透射光形成的光路上，所述的反射镜、第二APD、第二放大器依序设于反射光形成的光路上，其中，透射光进入第一APD转换为电信号，反射光进入第二APD转换为电信号；所述第一APD和第二APD产生的电信号分别经过第一放大器和第二放大器放大后输出，所述第一放大器和第二放大器分别与单刀双向开关的两输入端相连；所述的比较器具有两个输入端和一输出端，所述第一放大器的输出端还与比较器的一个输入端相连，所述比较器的另一个输入端施加有比较电压Vset，所述比较器的输出端与单刀双向开关相连，并用于控制所述单刀双向开关与第一放大器或第二放大器相连。
2.根据权利要求1所述的一种扩大APD线性探测范围的装置，其特征在于：所述的光接收器用于将入射光信号整形为准直光束且准直光束的光斑尺寸与第一APD和第二APD的感光面大小相同。
3.根据权利要求1所述的一种扩大APD线性探测范围的装置，其特征在于：所述分光镜的分光比为可调且分光镜的透光功率大于反射光功率。
4.根据权利要求1所述的一种扩大APD线性探测范围的装置，其特征在于：所述的第一APD和第二APD均为两相同的APD单元、APD阵列或APD芯片。
5.根据权利要求1所述的一种扩大APD线性探测范围的装置，其特征在于：所述第一放大器的放大倍数和第二放大器的放大倍数之比与分光镜的分光比呈反比关系。
6.根据权利要求1所述的一种扩大APD线性探测范围的装置，其特征在于：所述单刀双向开关的初始状态为与第一放大器相连；当第一放大器的输出电压与比较器的另一个输入端输入的比较电压接近时，所述单刀双向开关与第一放大器断开并与第二放大器相连。
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