基于pin光电二极管的光功率计设计.pdf
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1、哈尔滨理工大学工学硕上学位论文基于PIN光电二极管的光功率计设计摘要光功率计是检测光信号功率大小的一种仪器,是光测试仪器中常用基础设 备,广泛应用于光纤通信、生物医学等高新技术领域。目前,国内所开发的光 功率计所采用的光电探测器主要有光电倍增管和光电池,采用光电倍增管的光 功率计,工作电压高、环境因素影响大,而采用光电池的光功率计由于受到暗 电流的影响,误差较大。显然,对于现场工程应用,采用以上两种光电探测器 的光功率计存在明显的缺点。随着近几年PIN光电二极管等新型光电探测器的广 泛研究及开发,其在对光信号的检测上,不仅检测精度有所提高,而且受工作 环境因素影响较小,所以在本设计中以PIN光
2、电二极管作为光电探测器,设计了 一款钛对现场工程应用的光功率计。要测得准确的光功率值,需获得PIN光电二极管的光谱响应度值和光生电流 值,本文利用半导体基本方程中的载流子连续方程,对PIN光电二极管的光电转 换过程进行分析计算,推导出了该光电二极管的光谱响应度关于入射光波长的 函数;PIN光电二极管的光生电流可经电流/电压变换,转换成电压值,通过对 电压值的测量来获得PIN光电二极管的光生电流值。在本光功率计的设计上,首先,采用了对数放大器进行电流/电压变换及放 大;然后,为了满足后续A/D转换精度的要求,设计了相应的电压信号调理电路;最后,从光功率计的成本上考虑,采用了以高性价比的STC12
3、c5A60s2单片机 为核心器件,搭建了硬件系统,并完成了系统软件的编写。实测结果和使用情 况表明:本光功率计成本低、灵敏度好、性能稳定、便于携带,基本满足现场 工程应用的要求。关键词 光功率计;PIN光电二极管;光谱响应度;对数放大器哈尔滨理工大学工学硕士学位论文Design of Optical Power Meter Based onPIN PhotodildeAbstractOptical power meter is an instrument that detected the light signal power,it is commonly used in optical te
4、st equipment,widely used in optical fiber communication,biomedical and other high-tech fields.At present,the domestic development of optical powar meter used in photodectric detector photomultiplier tubes and photocells,the disadvantage of the photomultiplier tube for the photodetector optical power
5、 meter is high operting voltage and affected by the ervironment.However the power meter using photovoltaic cells due to the influence of the daric current,the error is larger Obviously;optical power meter exist obvious shortcomings for field engineering.In rencent years,with research and development
6、 of the new photodetector,such as PIN photodiode in optical signal detection,not only the detection accuracy is better than photovoltaic cells,and lessaffected by the work environment factors.In this paper,the PIN photodiode as a photodetector,designed a power meter for field oigineering 呼plications
7、.lb obtain accurate optical power value,need to obtain the spectral responsivity of the PIN photodiode and the photocurrait value.In this paper,the carrier continuity qmation in the basic equations of semiconductor analysis and calculation of the photoelectric conversion process of the PIN photodiod
8、e,deduced function of the spectral responsivity of the photodiode on the wavelength of incident light.The photocurrent of the PIN photodiode I/V conversion,to convert the voltage value,by measuring the voltage value to abtain the value of the photocurrent of the PIN photodiode.In the design of the o
9、ptical power meter,first,using a logarithmic amplifier I/V conversion and amplification;Second,in order to meet tiie requirements of the follow-up A/D conversion accuracy,design the corresponding voltage signal conditioning circuits;Finally,consider the cost from the power meter,using cost-effective
10、 STC12C5A60S2 series microcontroller as the core device,built-11-哈尔滨理工大学工学硕士学位论文hardware systems,and completed the preparation of the software.Experimental results shows that the light power meter is low cost,fine sensitivity,stable performance,easy to carry,and basically meet the requirements of th
11、e field engineering applications.Keywords optical power meter,PIN photodiode,spectral response degrees,ogarithmic amplifier-tn-哈尔滨理工大学工学硕上学位论文目录I摘要.IAbstract.II第1章绪论.11.1 研究的目的与意义.11.2 国内外现状分析.21.2.1 光功率计国内外现状分析.21.2.2 PIN光电二极管的发展现状.31.3 主要研究内容.4第2章 光功率检测的理论基础及PIN光电探测器的噪声分析.52.1 光功率检测的理论基础.52.2 PIN光
12、电探测器模块.6221 PIN光电二极管工作原理.62.2.2 PIN光电二极管的性能参数.923 PIN光电探测器的噪声分析及相应的降低噪声措施.1023.1 PIN光电探测器的噪声分析.10232 PIN光电探测器的降低噪声的相关措施.112.4本章小结.12第3章PIN光电二极管的光谱响应度计算.133.1 光谱响应度的模拟计算公式推导.133.2 Si-PIN光电二极管的光谱响应度曲线.173.3 光谱响应度拟合曲线的试验验证.183.3.1 实验方案.18332光谱响应度的实验数据处理.193.4 本章小结.20第4章光功率计的硬件和软件设计.214.1 光功率计的总体设计框图.21
13、4.2 系统低功耗设计.214.3 光功率计硬件电路设计.224.3.1 信号调理电路.22哈尔滨理工大学工学硕士学位论文4.3.2 A/D转换电路.244.3.3 单片机模块.25434电源管理.264.3.5 单片机外围电路设计.284.4 光功率计的软件设计.314.4.1 光功率计系统主程序.314.4.2 按键处理任务.324.4.3 A/D转换任务.324.4.4 数据处理任务.344.4.5 LCD显示任务.354.5 本章小结.35第5章光功率计调试及性能测试.365.1 光功率计调试.365.2 光功率计准确度测试.375.2.1 准确度试验.375.2.2 光功率计误差分析
14、.395.3 光功率计性能测试.395.3.1 线性度试验.395.3.2 其他性能测试.425.4 本章小结.45结论.46参考文献.47攻读硕士期间发表论文情况.50致谢.51哈尔滨理工大学工学硕上学位论文第1章绪论1.1 研究的目的与意义光电检测技术已深入到各个科技领域,是现代科学技术中最重要的方面之 一。随着现代科学技术在工业、农业以及军事等领域的深入发展,要求光电检 测技术和测量仪器也必须同步发展起来,所以电子测量行业将面临着一个不断 更新、不断扩展的广阔市场“幻。在光电检测,技术中,对光功率的检测广泛应用于光纤通信、及光学实验等 领域。在光纤通信领域,由于光纤系统中的各部件在安装后
15、都会产生插入损耗 量,从而引起光信号的衰减,导致传输信号失真,为了使光纤传输的光信号达 到传输指标,必须对光缆中的光信号的传输进行功率衰减量的检测;在光学实 验领域,往往需要光功率的检测设备来对实验性激光进行光功率值的检测,以 评估光源的稳定性叫而光功率计作为测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率 相对损耗的仪器,是光纤通信及光学实验等领域中测试光功率值、光衰减量常 用的基础设备。进入21世纪以来,随着我国“信息高速公路”的建设,光纤应用技术得到 飞速发展,光功率计的市场需求量猛增,特别是适用于现场工程应用,性能稳 定、便于携带的光功率计。目前,国内所开发的光功率计所采用的光电探测器 主要有光电
16、倍增管及光电池。对采用光电倍增管的光功率计,虽有检测精度的 优势,但工作电压高、环境因素影响大,而采用光电池的光功率计,虽有较好 的灵敏度,但由于受到暗电流的影响,误差较大。显然,对于现场工程应用,采用以上两种光电探测器的光功率计存在明显的缺点。随着近几年PIN光电二极管等新型光电探测器广泛的研究及开发,其在对 光信号的检测上,不仅检测精度优于以光电池作为光电探测器的光功率计,而 且受工作环境因素影响较小,所以在本设计中以PIN光电二极管作为光电探测 器,并结合现代微处理器技术,设计一款适用于现场工程应用等方面,具有适 用波长范围宽,成本低,灵敏度高,性能稳定,便于携带的光功率计。哈尔滨理工大
17、学工学硕士学位论文1.2 国内外现状分析1.2.1 光功率计国内外现状分析随着科学技术的发展,光功率计的发展越来越快,特别以波长覆盖,量程 范围和测量精度等方面越来越受到国内外各设备制造商的重视区久目前,国内 外的功率计的各设备制造商都有相关的产品上市,国外以日本安腾公司、美国 AVO公司、美国安捷伦Agilent公司等作为代表;国内同以珠海华普公司、北 京捷康特公司、上海光维GRANDWAY公司、天津德力DEVISER公司、陕西 硅谷通信公司为代表等。现将国内外几家具有代表性的公司的相关产品主要技 术指标列成表格,如表M所示。表14光功率计比较表Table Table of 收 optica
18、l power meter指标生产厂第、类型校准波K_(nm)_测量范围(dBm)显示分辨率(dBm)日本安腾便携式_ 850、1100 _-70-+100.01美国安捷伦E4418B台式650、850、1100、1310-110-+200.001北京亚中便携式1310-60-+100.01陕谷SGT-5C0掌上型1310、1550、850、1300-7人+10或-5以+270.01深圳朗光台式1310、155072+100.001珠海华普OTP300-T便携式1310、1550-70-+60.01从表1“可以看出,台式光功率计不管在测量范围,还是在显示分辨率方 面都超过了便携式一个数量级。而
19、通过市场价格来看,国外的进口产品大都在 几万元左右,美国安捷伦Agilent的高新能光功率计E4418B市场价达更是达到 38900元,国内产品价格也不便宜,如陕谷SGT3coi便携式稳定光功率计市场 价为9800元,就连便携式光功率计的市场一般也在5000元左右,如珠海华普 OTP300.T便携式光功率计市场价为6380对于功能稍微强一些的或者指标稍微 好一点的产品甚至达到10000元以上0n除了价格较高外,现在市场上的大部 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文分光功率计只能针对校准波长上的光信号进行检测,应用面窄,并适合现场工 程应用。目前,光功率检测原理主要分两种,一种是热转换型方式,以低温辐
20、射计 为代表,其原理是利用黑体吸收光功率后温度的升高来计算光功率的大小也早 在20世纪60年代初,美国国家最高计量技术机构NIST就曾建立过低温辐射计 的相关标准,到目前为止,美国的低温辐射计的测量水平为:测量波长范围为 400nm2000nm,功率测量范围为10pWlmW,不确定度为0.230.5%,所以 这种检测的特点是对光辐射的波长无选择性,但这种测量方法的成本高,并且 受环境影响因素较大幽;另一种是半导体光电检测方式,利用光电效应来实现 对光功率的测量,目前市场上的大多数光功率计采用这种检测方式也。对于半 导体光电检测方式,由于选用的光电探测器的不同,又有不同的检测方法,常 用的检测方
21、法如下。1.以光电倍增管作为光电探测器的光功率检测方式,以光的量子效应作为 理论基础,例如以美国安捷伦公司的台式系列光功率计,测量波长范围20(*1200nm,由于光电倍增管的二次发射倍增系统,具有很高的光子计数能力,具 有高灵敏性,极高响应时间和较高的测量精度,但是由于受到工作电压、外部 磁场及外部振动等因素的制约,一般作为台式光功率计的检测方法2.以光电池作为光电探测器的光功率检测方式,其以光伏效应作为理论基 础,美国Scientech公司Astral系列便携式光功率计就是采用光电池作为光电探 测器,可以对2(X21100nm范围内任意波长的光信号进行测量,光电转换效 率最高为30%,优点
22、是具有很宽的波长频带及灵敏度,缺点是由于存在暗电流 及转换效率低下的影响,对光功率的影响较大,适合对大功率光信号的测量。久3.以PIN光电二极管作为光电探测器的光功率检测方式,其工作原理也是 光伏效应。清华大学的高建军等人通过对PIN光电探测器等效电路模型的研究,给出了适用于线性信号及噪声分析的PIN光电二极管的等效电路,通过对该等 效电路的分析可知,PIN光电二极管适合低频光信号的精确测量1.2.2 PIN光电二极管的发展现状目前,国内外在PIN光电探测方面对400nm1800nm的可见光到红外波段 已有比较深入的研究,对不同半导体材料制造的PIN光电二极管各个性能指标 已有详细的测量。常用
23、PIN光电二极管有:硅基PIN光电二极管(Si-PIN)sm、倍基PIN光电二极管(Ge-PINp叫钢碎化像基PIN光电二极管(InGaAsPIN)【g物。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文各自的性能指标如下表12:表l-2Si、Ge、InGaAs-PIN的性能参数Table 1-2 SiGe、InGaAs-PIN performance parameters材料响应波长(nm)响应度峰值(A/W)响应时间(ns)Si-PIN4001100_ 0.6_0.5T.0Ge-PIN800-1650_05_0.1-0.5InGaAs-PIN1100-17000.90.050.5由表可知,PIN光电二极管由
24、于材料不同,响应波长也有所不同,可根据 被测光信号的波长来选择相应材料的PIN光电二极管,对Si-PIN光电二极管,由其各个参数可知,可作为可见光及近红外激光的光电探测器,对Ge-PIN光电 二极管,由其响应应时间短,可作为红外波段,大功率高速光信号的检测,对 InGaAs-PIN光电二极管,由其响应度高,相应时间短,可作为高速光探测器用 于红外波段的微弱光信号的检测。13主要研究内容本设计中以PIN光电二极管作为光电探测器,设计一款具有适用波长范围 宽,成本低,灵敏度高,性能稳定,便于携带的光功率计,可广泛适用于现场 工程应用。本文主要研究内容如下:1.对光功率检测理论基础进行分析,选择PI
25、N光电二极管作为光探头,并 通过对PIN光电二极管的工作原理的分析,选择与其匹配的工作电路,并进行 降低噪声处理。2.利用半导体基本方程中的载流子连续方程通过对光电转换过程进行分析 计算,推导出光谱响应度与入射光波长的函数,并通过相应实验验证该函数的 准确性。3.以成本低,灵敏度高,性能稳定,便于携带为原则,来设计本光功率计 的软硬件系统。硬件部分包括对数放大电路、滤波电路、16位A/D转换电路、电源管理模块电路、单片机模块及相应的外围功能模块。为实现单片机对各个 模块的实时数据处理及控制,完成相应的系统软件设计。4.对光功率计各个模块进行调试,系统软件调试,以及光功率计相关性能 测试实验,以
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