CN110779683A - 一种基于otdr的门控光探测的spad及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于OTDR的门控光探测的SPAD，包括直流偏置电路、APD、门控脉冲发生器、阻抗匹配电路；直流偏置电路，与APD负极连接，提供直流偏压，所述直流偏压略小于APD击穿电压；门控脉冲发生器，与APD负极连接，提供门控脉冲信号，门控脉冲信号周期时间略大于APD死时间；所述门控脉冲信号叠加在直流偏压后的偏压大于APD击穿电压；阻抗匹配电路，与APD正极连接，由APD正极输出光子雪崩效应产生的电压脉冲。通过本发明的技术方案，解决了APD死时间对测试系统的影响并且由于采用数字化门控主动探测的方式，为后续处理电路提供了极大便利，使得信号处理方面极大降低对速度的要求，更有利于进一步提高系统测试精度和动态范围。

Description

一种基于OTDR的门控光探测的SPAD及控制方法
技术领域
本发明涉及光纤探测领域，特别涉及一种基于OTDR的门控光探测的SPAD及控制方法。
背景技术
普通单光子雪崩光电二极管，主要用于单周期内光子出现几率远低于1的场景，即在一个探测周期中最多只有1个光子出现，多数情况不会出现光子，这种情形，探测器的死时间不会影响探测结果。但在OTDR测试中，需要加大光功率提升动态范围，以增加测试精度和距离；光纤线路中存在多个反射事件点，因此，在一个探测周期内出现多个光子的几率很高，死时间范围内出现的光子不会被探测到，形成光子漏记现象，影响测试结果。
SPAD(单光子雪崩光电二极管)的死时间通常20-50ns，对应的光纤长度在2m以上，就是说，OTDR测试中，若探测到1个光子，因为死时间的存在，后续2m光纤反射和散射的光子无法探测，而高精度OTDR测试精度在cm量级，显然死时间严重影响测试结果。实际系统中，采用降低系统光功率，以减少死时间的影响，但由于SPAD暗计数的存在，光功率过低会影响测试精度和测试距离，这两者相互制约，只能折中选择。
普通SPAD偏压高于击穿电压，随时处于响应光子状态，一旦有光子输入引发雪崩效应后，由淬灭电路把偏压降低到击穿电压之下，终止雪崩效应继续。这种探测方式可称为被动探测，死时间的影响只能降低，无法完全消除，而在一些要求测试动态范围大的情形，显然死时间是制约因素。
发明内容
针对上述存在的问题，提供了一种基于OTDR的门控光探测的SPAD及控制方法，可以完全避免死时间对光子探测的影响。
本发明采用的技术方案如下：一种基于OTDR的门控光探测的SPAD，包括直流偏置电路、APD、门控脉冲发生器、高频电容、阻抗匹配电路；直流偏置电路，与APD负极连接，提供直流偏压，所述直流偏压略小于APD击穿电压；门控脉冲发生器，与APD负极连接，提供门控脉冲信号，所述门控脉冲信号叠加在直流偏压后的偏压大于APD击穿电压；阻抗匹配电路，与APD正极连接，由APD正极输出光子雪崩效应产生的电压脉冲。
进一步的，所述基于OTDR的门控光探测的SPAD还包括高频电容，所述门控脉冲发生器输出的门控脉冲信号通过高频电容叠加在直流偏压上耦合到APD负极。
进一步的，所述门控脉冲发生器输出的门控脉冲信号周期时间略大于二极管死时间。
进一步的，所述基于OTDR的门控光探测的SPAD还包括高频电感，用于消除直流偏置电路对门控脉冲信号的影响；所述直流偏置电路通过高频电感与APD负极相连。
进一步的，所述阻抗匹配电路包括阻抗匹配电阻，所述阻抗匹配电阻的一端与APD正极连接，阻抗匹配电阻的另一端接地。
进一步的，基于上述OTDR的门控光探测的SPAD的控制方法，包括：
对APD负极输入小于APD击穿电压的直流偏压，同时对APD负极加载周期性的门控脉冲信号叠加在直流偏压上，叠加之后的直流偏压大于APD击穿电压，APD接收到叠加门控脉冲信号的直流偏压后时处于响应光子状态，可正常触发雪崩效应产生输出电压脉冲；APD接收到未叠加门控脉冲信号的直流偏压时处于停止响应光子状态；所述门控脉冲时间周期大于APD死时间，使得APD在处于停止响应光子状态时间大于APD死时间以消除死时间对测试的影响。
进一步的，所述控制方法还包括对门控脉冲信号的周期及时序进行处理，所述门控脉冲信号周期及时序的具体处理方法为：在一个OTDR光发射周期内，对APD发送门控脉冲信号，发送周期时间为T，将周期时间T分为N个时段，以OTDR光发射脉冲为基准，门控脉冲信号依次时延T/N，通过N次光脉冲发射，实现N次光反射探测，将N次探测结果累积统计得到一次完整光反射探测。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：一，解决APD死时间对测试系统的影响；二，由于采用数字化门控主动探测的方式，为后续处理电路提供了极大便利，信号处理方面极大降低对速度的要求，有利于进一步提高系统测试精度和动态范围。
附图说明
图1是现有技术中单光子雪崩光电二极管SPAD。
图2是本发明中的门控光探测的SPAD。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图2所示，一种基于高精度OTDR的门控光探测的SPAD，包括直流偏置电路、APD、门控脉冲发生器、阻抗匹配电路；
直流偏值电路和门控脉冲发生器分别与APD负极连接，其中，直流偏置电路提供直流偏压，该直流偏压小于APD击穿电压；
门控脉冲发生器提供门控脉冲信号，门控脉冲信号叠加到直流偏压中使得直流偏压大于APD的击穿电压，使得APD处于正常响应光子状态，
阻抗匹配电路，与APD正极连接，APD正极输出光子雪崩效应产生的光电流经阻抗匹配电路变为电压脉冲在APD正极进行输出，用于后续处理和计数。
所述门控脉冲发生器输出的门控脉冲信号周期时间略大于APD死时间，大于但不大太多，使得在APD死时间内，APD不对光脉冲信号进行接收，避免在APD死时间内出现的光子未被探测到，而形成光子漏记现象。通过将现有技术中采用淬灭电路消除死时间影响的被动探测转换为采用周期性门控脉冲信号主对APD进行控制，完全避免了死时间对光子探测的影响。
作为优选，在直流偏置电路与APD负极之间设置了高频电感，用于消除直流偏置电路对门控脉冲信号的影响。
作为优选，所述门控脉冲信号通过高频电容叠加到直流偏压中，并耦合到APD负极，所述高频电容设置在门控脉冲发生器与APD负极之间。
作为优选，所述阻抗匹配电路通过阻抗匹配电阻实现，所述阻抗匹配电阻的一端与APD正极连接，阻抗匹配电阻的另一端接地。
本发明还提供了基于上述基于高精度OTDR的门控光探测的SPAD的控制方法包括以下过程：对APD负极输入小于APD击穿电压的直流偏压，同时对APD负极加载周期性的门控脉冲信号叠加在直流偏压上，叠加之后的直流偏压大于APD击穿电压，APD接收到叠加门控脉冲信号的直流偏压后时处于响应光子状态，可正常触发雪崩效应产生输出电压脉冲；APD接收到未叠加门控脉冲信号的直流偏压时处于停止响应光子状态；所述门控脉冲时间周期大于APD死时间，使得APD在处于停止响应光子状态时间大于APD死时间以消除死时间对测试的影响。
其中，所述控制方法还包括对门控脉冲信号的周期及时序进行处理，OTDR系统采用的是多次重复测试，累积统计再现光纤反射光功率大小，以测试光纤线路的性能参数，在此提供一次完整的光反射探测中的门控脉冲信号周期及时序的具体处理方法为：在一个OTDR光发射周期内，对APD发送门控脉冲信号，发送周期时间为T，将周期时间T分为N个时段，以OTDR光发射脉冲为基准，门控脉冲信号依次时延T/N，通过N次光脉冲发射，实现N次光反射探测，将N次探测结果累积统计得到一次完整光反射探测。其中，N为大于1的自然数。
经过多次上述的完整光反射探测，即可重现光纤反射光功率大小的完整距离分布，同时完全消除了死时间影响。
在普通光纤测试中，若要实现高分辨率，要求发射、探测、计数都要采用高速信号，而通本发明通过采用数字化延时门控脉冲的主动探测，使得信号处理方面极大降低对速度的要求，为后续处理电路提供了极大便利，也就是说在探测之后的处理电路和计数电路，均可以在低速条件下实现高精度测试，更有利于进一步提高系统测试精度和动态范围。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (6)

1.一种基于OTDR的门控光探测的SPAD，其特征在于，包括直流偏置电路、APD、门控脉冲发生器、阻抗匹配电路；
直流偏置电路，与APD负极连接，提供直流偏压，所述直流偏压略小于APD击穿电压；
门控脉冲发生器，与APD负极连接，提供门控脉冲信号，门控脉冲信号周期时间略大于APD死时间；所述门控脉冲信号叠加在直流偏压后的偏压大于APD击穿电压；
阻抗匹配电路，与APD正极连接，由APD正极输出光子雪崩效应产生的电压脉冲。
2.根据权利要求1所述的基于OTDR的门控光探测的SPAD，其特征在于，还包括高频电容，所述门控脉冲发生器输出的门控脉冲信号通过高频电容叠加在直流偏压上耦合到APD负极。
3.根据权利要求2所述的基于OTDR的门控光探测的SPAD，其特征在于，还包括高频电感，用于消除直流偏置电路对门控脉冲信号的影响；所述直流偏置电路通过高频电感与APD负极相连。
4.根据权利要求3所述的基于OTDR的门控光探测的SPAD，其特征在于，所述阻抗匹配电路包括阻抗匹配电阻，所述阻抗匹配电阻的一端与APD正极连接，阻抗匹配电阻的另一端接地。
5.根据权利要求1所述的基于OTDR的门控光探测的SPAD的控制方法，其特征在于，包括以下过程：
对APD负极输入小于APD击穿电压的直流偏压，同时对APD负极加载周期性的门控脉冲信号叠加在直流偏压上，叠加之后的直流偏压大于APD击穿电压，APD接收到叠加门控脉冲信号的直流偏压后时处于响应光子状态，可正常触发雪崩效应产生输出电压脉冲；APD接收到未叠加门控脉冲信号的直流偏压时处于停止响应光子状态；所述门控脉冲时间周期大于APD死时间，使得APD在处于停止响应光子状态时间大于APD死时间以消除死时间对测试的影响。
6.根据权利要求1所述的门控光探测的SPAD的控制方法，其特征在于，还包括对门控脉冲信号的周期及时序进行处理，所述门控脉冲信号周期及时序的具体处理方法为：在一个OTDR光发射周期内，对APD发送门控脉冲信号，发送周期时间为T，将周期时间T分为N个时段，以OTDR光发射脉冲为基准，门控脉冲信号依次时延T/N，通过N次光脉冲发射，实现N次光反射探测，将N次探测结果累积统计得到一次完整光反射探测，其中，N为大于1的自然数。
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