CN110849476A - 一种高精度宽带平衡光电探测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种高精度宽带平衡光电探测方法和装置，包括：获取差分电流信号，进行电流电压转换，放大得到差分电压信号；获取两支光电二极管的第一电流信号和第二电流信号，取样放大得到第一电压信号和第二电压信号；对差分电流信号电流电压转换、放大的增益，对所述第一电流信号取样放大的增益和对所述第二电流信号取样放大的增益，三者相同；将所述第一电压信号和第二电压信号进行和运算作为分母，所述差分电压信号作为分子，进行除法运算；当所述运算结果绝对值小于第一阈值时，确定光处于平衡状态；否则，光处于非平衡状态。通过除法运算约分掉采样光光强因子，避免测量结果受光源强度不稳定影响，提高了测量结果精度和可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种高精度宽带平衡光电探测方法和装置。
背景技术
在以往的光电平衡探测装置中，输出端仅通过两路光电二极管获得差值电流后，通过跨阻放大方式得到电压值，通过该电压值判断光是否处于平衡状态。由于差值后未消除由入射采样光光强不稳定引入的误差因子，使得测量结果受到光源强度不稳定影响，影响测量结果精度和可靠性。
发明内容
本申请提出一种高精度宽带平衡光电探测方法和装置，用于解决现有平衡光电探测受采样光光强不稳定影响的问题。
本申请实施例提供一种高精度宽带平衡光电探测方法，包括以下步骤：
获取差分电流信号，进行电流电压转换，放大得到差分电压信号；
获取两支光电二极管的第一电流信号和第二电流信号，取样放大得到第一电压信号和第二电压信号；
对差分电流信号电流电压转换、放大的增益，对所述第一电流信号取样放大的增益和对所述第二电流信号取样放大的增益，三者相同；
将所述第一电压信号和第二电压信号进行和运算作为分母，所述差分电压信号作为分子，进行除法运算；
当所述运算结果绝对值小于第一阈值时，确定光处于平衡状态。当所述运算结果绝对值不小于第一阈值时，确定光处于非平衡状态。
本申请实施例还提供一种高精度宽带平衡光电探测装置，包括正偏置电压、负偏置电压、光电转换模块和电流电压转换模块，所述光电转换模块包括第一光电二极管和第二光电二极管，所述正偏置电压、第一光电二极管、第二光电二极管和负偏置电压顺序连接。还包括模拟运算单元、第一取样电阻、第一取样放大模块、第二取样电阻和第二取样放大模块。
所述第一取样电阻一端与所述第一光电二极管的阴极连接，另一端与所述正偏置电压连接。所述第二取样电阻一端与所述第二光电二极管的阳极连接，另一端与所述负偏置电压连接。
所述第一取样放大模块和第二取样放大模块分别包括高速运放级联，用于取样放大第一电流信号和第二电流信号。所述第一取样放大模块的正向、负向输入端跨接在第一取样电阻的两端。所述第二取样放大模块的正向、负向输入端跨接在第二取样电阻的两端。
所述模拟运算单元包括两片乘法器和一片高速运放级联。电流电压转换模块输出接入所述模拟运算单元分子输入接口，所述第一取样放大模块和第二取样放大模块分别接入所述模拟运算单元分母输入接口，模拟运算单元实现除法运算。
优选地，所述第一光电二极管和第二光电二极管为相同类型的光电二极管。在相同偏置电压条件下，所述第一光电二极管和第二光电二极管对同波长的光信号具有相同的光电转换效率、大小相等的暗电流和结电容。
优选地，所述第一取样电阻和第二取样电阻为精密金属箔电阻，二者电阻值相等，温漂特性一致，高频性能相同。
优选地，所述第一取样放大模块包括第一高速运算放大器、第二高速运算放大器和第三高速运算放大器。所述第二取样放大模块包括第六高速运算放大器、第七高速运算放大器和第八高速运算放大器。所述第一高速运算放大器和所述第二高速运算放大器的同相输入端分别与第一取样电阻的高电位端和低电位端连接，反相输入端通过电阻相连，输出端分别通过电阻接入第三高速运算放大器的反相输入端和同相输入端。所述第三高速运算放大器的输出端即为第一取样放大模块的输出端。
所述第六高速运算放大器和所述第七高速运算放大器的同相输入端分别与第二取样电阻的高电位端和低电位端连接，反相输入端通过电阻相连，输出端分别通过电阻接入第八高速运算放大器的反相输入端和同相输入端。所述第八高速运算放大器的输出端即为第二取样放大模块的输出端。
优选地，本发明还包括第一监测信号输出模块和第二监测信号输出模块。所述第一监测信号输出模块包括第一电压校准器和进一步放大第一取样放大模块电压信号的第四放大器。所述第二监测信号输出模块包括第二电压校准器和进一步放大第二取样放大模块电压信号的第九放大器。所述第一监测信号模块的输入端与所述第一取样放大模块的输出端相连；所述第二监测信号模块的输入端与所述第二取样放大模块的输出端相连。所述第四放大器和所述第九放大器的输出端即为所述第一监测信号输出模块和第二监测信号输出模块的输出端，两个输出端分别通过BNC接口输出。
优选地，本发明还包括RF信号输出模块。所述RF信号输出模块包括第三电压校准器和进一步放大模拟运算单元输出信号的第十三放大器。所述第十三放大器的输出端为RF信号输出模块输出端，通过SMA接口输出。
优选地，所述正偏置电压、负偏置电压分别包括正向输出可调的低压线性稳压芯片和负向输出可调的低压线性稳压芯片。
优选地，所述的电流电压转换模块选用的跨阻放大器为光通信专用的跨阻放大器或者具有高带宽增益积(GBP)、极低输入偏置电流、极小输入电容的高速运算放大器。
优选地，入射采样光为自由空间光或通过光纤耦合连接至光电转换器模块。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：实施方便、结构简单，避免了受采样光光强不稳定的影响，提高了测量结果的精度和可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为高精度宽带平衡光电探测方法流程图；
图2为高精度宽带平衡光电探测原理方框图；
图3为高精度宽带平衡光电探测电路连接示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
实施例1
图1为高精度宽带平衡光电探测方法流程图。
高精度宽带平衡光电探测方法，包括以下步骤：
步骤101、获取差分电流信号，进行电流电压转换，放大得到差分电压信号；
差分电流信号，即两支光电二极管受采样光照射产生的电流之差。电流电压转换将差分电流信号转换为电压信号，再对转换后的电压信号进行二级放大。
需要说明的是，电流电压转换可以用跨阻放大器的方法进行转换，也可以用高速运算放大器的方法。例如，本实施例中选用具有GHz级带宽、皮安级输入偏置电流、皮法级输入电容的高速运算放大器作为电流电压转换的方法。
光电二极管产生的光电流与入射光强成正相关，差分电流信号包含有与入射采样光光强有关的因子。
步骤102、获取两支光电二极管的第一电流信号和第二电流信号，取样放大得到第一电压信号和第二电压信号；
采用多个高速运放级联的方法对所述第一电流信号和第二电流信号取样放大，采用多个高速运放级联的方法可以满足高带宽的要求。
取样放大得到的所述第一电压信号和第二电压信号同样含有与入射采样光光强有关的因子。
步骤103、对差分电流信号电流电压转换、放大的增益，对所述第一电流信号取样放大的增益和对所述第二电流信号取样放大的增益，三者相同；
差分电流信号电流电压转换、放大的增益，是指电流电压转换的增益与二级放大增益之乘积。
为消除由入射采样光光强不稳定引入误差因子，差分电流信号电流电压转换、放大的增益，第一电流信号取样放大的增益，第二电流信号取样放大的增益需完全相同。
步骤104、将所述第一电压信号和第二电压信号进行和运算作为分母，所述差分电压信号作为分子，进行除法运算；
所述第一电压信号和第二电压信号进行和运算运算，得到的结果作为分母。用差分电压信号作为分子除以和运算或者差运算的结果。
所述差分电压信号、所述第一电压信号和所述第二电压信号均为光电二极管受采样光照射产生，均包含采样光照射光强因素。进行除法运算，能够约分掉入射采样光光强有关的因子，得到与采样光光强无关的运算结果。
步骤105、当所述运算结果绝对值小于第一阈值时，确定光处于平衡状态；当所述运算结果绝对值不小于第一阈值时，确定光处于非平衡状态。
光平衡状态，即两路光强是否相同，相同的光强即光平衡状态，不同的光强即为非平衡状态。
第一阈值的设定根据光平衡状态精度需求，光平衡状态精度需求指光强精度百分比需求。例如，若精度需求为5％，设定第一阈值为5％，则光强为5×10-3毫瓦与光强为2×10-3毫瓦不平衡，光强为5×10-3毫瓦与光强为5.2×10-3毫瓦平衡。
所述第一电压信号和第二电压信号进行和运算，分母为和运算，分子为差运算，若光强相同或接近，则运算结果应接近于数字0。若运算结果远大于或远小于数字0，则二者光强不同。例如，设定第一阈值为5％，光强为2毫瓦与光强为1毫瓦的入射光照射在平衡光电探测装置上，若增益为固定值10，因光电二极管产生的电流与光强有关，(2-1)×10/(2×10+1×10)运算结果约为33％不小于5％，确定光处于非平衡状态。
实施例2
图2为高精度宽带平衡光电探测原理方框图。
所述正偏置电压1、第一取样电阻3、光电转换模块5、第二取样电阻4、负偏置电压2顺序连接。
所述光电转换模块5将两路采样光光强转换为差分电流，电流电压转换模块6将差分电流转换为差分电压，送入模拟运算单元7，RF信号输出模块8与模拟运算单元7的输出端连接。
所述第一取样放大模块31与第一取样电阻3连接，用于取样放大第一电流。第一监测信号输出模块32与第一取样放大模块31连接，用于监测第一取样放大模块31的输出电压。
所述第二取样放大模块41与第二取样电阻4连接，用于取样放大第二电流。第二监测信号输出模块42与第二取样放大模块41连接，用于监测第二取样放大模块42的输出电压。
模拟运算单元7分别与第一取样放大模块31、第二取样放大模块41、电流电压转换模块6和RF信号输出模块8连接，第一取样放大模块31将第一电压送入模拟运算单元7，第二取样放大模块41将第二电压送入模拟运算单元7，电流电压转换模块6将差分电压送入模拟运算单元7，模拟运算单元7将第一电压和第二电压的和作为分母，差分电压作为分子进行除法运算。
图3为高精度宽带平衡光电探测电路连接示意图。
高精度宽带平衡光电探测装置，包括正偏置电压1、负偏置电压2、光电转换模块5和电流电压转换模块6。所述光电转换模块5包括第一光电二极管51和第二光电二极管52。所述正偏置电压1、第一光电二极管51、第二光电二极管52和负偏置电压2顺序连接。本发明还包括模拟运算单元7、第一取样电阻3、第一取样放大模块31、第二取样电阻4和第二取样放大模块41。
所述正偏置电压1、负偏置电压2分别由输出可调的正向低压线性稳压芯片及其外围电路和输出可调的负向低压线性稳压芯片及其外围电路构成。
光电二极管是一种将入射光信号转换成光电流信号的器件，光电流与入射光强成正相关。
所述光电转换模块5包括第一光电二极管51和第二光电二极管52。所述第一光电二极管51的阳极与第二光电二极管52的阴极串接，在串接处获得所述第一光电二极管51电流和所述第二光电二极管52电流的差分电流。
所述第一光电二极管51和第二光电二极管52为相同类型的光电二极管。在相同偏置电压条件下，所述第一光电二极管51和第二光电二极管52对同波长的光信号具有相同的光电转换效率、大小相等的暗电流和结电容。
例如，本实施例中选用的光电二极管带宽达GHz量级，5V偏置电压条件下暗电流达到几十皮安量级、结电容达皮法量级。
所述电流电压转换模块6包括将光电转换模块获得的电流信号转换为电压信号的跨阻放大器TIA61、确定增益的高精度电阻62和用于对电压信号进行二级放大的高速运放63，所述高精度电阻62的两端分别与跨阻放大器TIA61的反相输入端、输出端连接，高速运放63的输出端与所述模拟运算单元7的一个输入端相连。
需要说明的是，选用的跨阻放大器TIA可以是光通信专用的跨阻放大器，也可以是具有高带宽增益积(GBP)、极低输入偏置电流、极小输入电容的高速运算放大器。例如，本实施例中选用具有GHz级带宽、皮安级输入偏置电流、皮法级输入电容的高速运算放大器作为电流电压转换的跨阻放大器。
所述第一取样电阻3和第二取样电阻4为高精密金属箔电阻，二者电阻值相等，温漂特性一致，高频性能相同。例如，本实施例中取样电阻选用的是同一厂家同型号同批次的电阻，特别重要的精度、温漂等参数经过一定条件筛选。
所述第一取样电阻3一端与所述第一光电二极管51的阴极连接，另一端与所述正偏置电压1连接。所述第二取样电阻4一端与所述第二光电二极管52的阳极连接，另一端与所述负偏置电压2连接。
所述第一取样放大模块31和第二取样放大模块41分别包括高速运放级联，用于取样放大第一电流信号和第二电流信号。所述第一取样放大模块31的正向、负向输入端跨接在第一取样电阻3的两端。所述第二取样放大模块41的正向、负向输入端跨接在第二取样电阻4的两端。
所述第一取样放大模块31和第二取样放大模块41分别由多个高速运放级联构成，用于取样放大第一电流信号和第二电流信号，输出端与所述模拟运算单元7连接。
所述第一取样放大模块31包括第一高速运算放大器311、第二高速运算放大器312和第三高速运算放大器313及其外围电路级联。所述第二取样放大模块41包括第六高速运算放大器411、第七高速运算放大器412和第八高速运算放大器413及其外围电路级联。
所述第一高速运算放大器311和所述第二高速运算放大器312的同相输入端分别与第一取样电阻3的高电位端和低电位端连接，反相输入端通过电阻相连，输出端分别通过电阻接入第三高速运算放大器313的反相输入端和同相输入端。所述第三高速运算放大器313的输出端即为第一取样放大模块31的输出端。
所述第六高速运算放大器411和所述第七高速运算放大器412的同相输入端分别与第二取样电阻4的高电位端和低电位端连接，反相输入端通过电阻相连，输出端分别通过电阻接入第八高速运算放大器413的反相输入端和同相输入端。所述第八高速运算放大器413的输出端即为第二取样放大模块42的输出端。
例如，本实施例中选用的高速运算放大器具有GHz量级的3dB带宽，皮法量级输入电容。
所述模拟运算单元7包括两片乘法器71和一片高速运放级联72，电流电压转换模块6输出接入所述模拟运算单元7分子输入接口，所述第一取样放大模块31和第二取样放大模块41分别接入所述模拟运算单元7分母输入接口，模拟运算单元7实现除法运算。
例如，本实施例中采用的乘法器71为四象限乘法器。
所述模拟运算单元7包含包括第一信号接口711、第二信号接口712、第三信号接口713、第四信号接口714、第五信号接口715、第六信号接口716、第七信号接口717和第一信号输出接口701。所述第一信号输入接口711、第二信号输入接口712、第三信号输入接口713和第四信号输入接口714为模拟运算单元7的分子信号输入接口。所述第一信号输入接口711和所述第二信号输入接口712结对使用。所述第三信号输入接口713和所述第四信号输入接口714结对使用。电流电压转换模块6的输出接口可以接入第一信号输入接口711、第二信号输入接口712、第三信号输入接口713或第四信号输入接口714。第五信号输入接口715和第六信号输入接口716为模拟运算单元7的分母信号输入接口，二者结对使用。所述第一取样放大模块31的输出口可以接入第五信号输入接口715或第六信号输入接口716，第二取样放大模块41的输出接口接入剩余的另一个分母输入接口。第七信号输入接口717为固定值信号输入接口。
本申请的另一实施例中，本发明还包括第一监测信号输出模块32和第二监测信号输出模块42。所述第一监测信号输出模块32包括第一电压校准器321和进一步放大第一取样放大模块31电压信号的第四放大器322。所述第二监测信号输出模块42包括第二电压校准器421和进一步放大第二取样放大模块41电压信号的第九放大器422。所述第一监测信号模块32的输入端与所述第一取样放大模块31的输出端相连，所述第二监测信号模块42的输入端与所述第二取样放大模块41的输出端相连。所述第四放大器322和所述第九放大器422的输出端即为所述第一监测信号输出模块32和第二监测信号输出模块42的输出端，两个输出端分别通过BNC接口输出。
所述第一监测信号输出模块32和第二监测信号输出模块42用于监测输出，可与外部仪表连接进行测量，便于在所述模拟运算单元7非正常工作时或精度要求不高时，手动测量输出值，比较光是否处于平衡状态。
通过监测输出与外部仪表连接进行测量
BNC，是一种用于同轴电缆的连接器，又称卡扣配合型连接器。
电压校准器包含电阻分压电路和由运算放大器及其外围电路构成的电压跟随器，输出信号为直流耦合方式。
本申请的另一实施例中，本发明还包括RF信号输出模块8。所述RF信号输出模块8包括第三电压校准器81和进一步放大模拟运算单元输出信号的第十三放大器82；所述第十三放大器82的输出端为RF信号输出模块8输出端，通过SMA接口输出。
RF信号即射频信号。SMA接口是一端外螺纹加孔，另一端内螺纹加针的接口。
所述第十三放大器82为高速运算放大器。所述第三电压校准器81包含电阻分压电路、运算放大器及其外围电路构成的电压跟随器，特性阻抗为50Ω，输出信号为直流耦合方式。输出接口的输出信号即为消除了由入射采样光光强不稳定引入误差的准确测量值
本申请的探测装置，入射采样光既可以为自由空间光，也可以通过光纤耦合连接至光电转换器模块。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种高精度宽带平衡光电探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取差分电流信号，进行电流电压转换，放大得到差分电压信号；
获取两支光电二极管的第一电流信号和第二电流信号，取样放大得到第一电压信号和第二电压信号；
对差分电流信号电流电压转换、放大的增益，对所述第一电流信号取样放大的增益和对所述第二电流信号取样放大的增益，三者相同；
将所述第一电压信号和第二电压信号进行和运算作为分母，所述差分电压信号作为分子，进行除法运算；
当所述运算结果绝对值小于第一阈值时，确定光处于平衡状态；当所述运算结果绝对值不小于第一阈值时，确定光处于非平衡状态。
2.一种高精度宽带平衡光电探测装置，包括正偏置电压、负偏置电压、光电转换模块和电流电压转换模块，所述光电转换模块包括第一光电二极管和第二光电二极管，所述正偏置电压、第一光电二极管、第二光电二极管和负偏置电压顺序连接，其特征在于，还包括模拟运算单元、第一取样电阻、第一取样放大模块、第二取样电阻和第二取样放大模块；
所述第一取样电阻一端与所述第一光电二极管的阴极连接，另一端与所述正偏置电压连接；所述第二取样电阻一端与所述第二光电二极管的阳极连接，另一端与所述负偏置电压连接；
所述第一取样放大模块和第二取样放大模块分别包括高速运放级联，用于取样放大第一电流信号和第二电流信号；所述第一取样放大模块的正向、负向输入端跨接在第一取样电阻的两端；所述第二取样放大模块的正向、负向输入端跨接在第二取样电阻的两端；
所述模拟运算单元包括两片乘法器和一片高速运放级联，电流电压转换模块输出接入所述模拟运算单元分子输入接口，所述第一取样放大模块和第二取样放大模块分别接入所述模拟运算单元分母输入接口，模拟运算单元实现除法运算。
3.如权利要求2所述的光电探测装置，其特征在于，所述第一光电二极管和第二光电二极管为相同类型的光电二极管；在相同偏置电压条件下，所述第一光电二极管和第二光电二极管对同波长的光信号具有相同的光电转换效率、大小相等的暗电流和结电容。
4.如权利要求2所述的光电探测装置，其特征在于，所述第一取样电阻和第二取样电阻为精密金属箔电阻，二者电阻值相等，温漂特性一致，高频性能相同。
5.如权利要求2所述的光电探测装置，其特征在于，所述第一取样放大模块包括第一高速运算放大器、第二高速运算放大器和第三高速运算放大器；所述第二取样放大模块包括第六高速运算放大器、第七高速运算放大器和第八高速运算放大器；所述第一高速运算放大器和所述第二高速运算放大器的同相输入端分别与第一取样电阻的高电位端和低电位端连接，反相输入端通过电阻相连，输出端分别通过电阻接入第三高速运算放大器的反相输入端和同相输入端；所述第三高速运算放大器的输出端即为第一取样放大模块的输出端；
所述第六高速运算放大器和所述第七高速运算放大器的同相输入端分别与第二取样电阻的高电位端和低电位端连接，反相输入端通过电阻相连，输出端分别通过电阻接入第八高速运算放大器的反相输入端和同相输入端；所述第八高速运算放大器的输出端即为第二取样放大模块的输出端。
6.如权利要求2所述的光电探测装置，其特征在于，还包括第一监测信号输出模块和第二监测信号输出模块；所述第一监测信号输出模块包括第一电压校准器和进一步放大第一取样放大模块电压信号的第四放大器；所述第二监测信号输出模块包括第二电压校准器和进一步放大第二取样放大模块电压信号的第九放大器；所述第一监测信号模块的输入端与所述第一取样放大模块的输出端相连；所述第二监测信号模块的输入端与所述第二取样放大模块的输出端相连；所述第四放大器和所述第九放大器的输出端即为所述第一监测信号输出模块和第二监测信号输出模块的输出端，两个输出端分别通过BNC接口输出。
7.如权利要求2所述的光电探测装置，其特征在于，还包括RF信号输出模块；所述RF信号输出模块包括第三电压校准器和进一步放大模拟运算单元输出信号的第十三放大器；所述第十三放大器的输出端为RF信号输出模块输出端，通过SMA接口输出。
8.如权利要求2所述的光电探测装置，其特征在于，所述正偏置电压、负偏置电压分别包括正向输出可调的低压线性稳压芯片及其外围电路和负向输出可调的低压线性稳压芯片及其外围电路。
9.如权利要求2所述的光电探测装置，其特征在于，所述的电流电压转换模块选用的跨阻放大器为光通信专用的跨阻放大器或高速运算放大器。
10.如权利要求2-9任一所述的光电探测装置，其特征在于，入射采样光为自由空间光或通过光纤耦合连接至光电转换器模块。
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