◎佘夢(mèng)媛 冀 楠 李 彬

引言：光電二極管可以將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，其性能有多種表征方式，例如光電響應(yīng)度、暗電流、有效頻率區(qū)間等，根據(jù)其功能和應(yīng)用的不同特點(diǎn)，不同類型的光電二極管都有各自的應(yīng)用范圍。較為常見的兩種光電二極管為PIN 型和APD型光電二極管，其中PIN 型光電二極管是在PN 結(jié)中間加入了一個(gè)I 極，能夠?qū)崿F(xiàn)電子和空穴擴(kuò)散并激發(fā)光子的作用，APD 型光電二極管的特點(diǎn)是具有電流放大作用，能夠?qū)⑽⑷豕庑盘?hào)通過電子雪崩效應(yīng)轉(zhuǎn)換為較強(qiáng)的電流輸出，因此對(duì)于微弱光信號(hào)的檢測(cè)，常使用APD 型光電二極管進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。

APD 型光電二極管的驅(qū)動(dòng)技術(shù)較為成熟，需要注意的是不同類型的APD 光電二極管會(huì)根據(jù)廠家的封裝而導(dǎo)致偏置電壓的不同，通常其偏置電壓會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)手冊(cè)中的信息進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電源電路的設(shè)計(jì)。本文采用的APD 型光電二極管檢測(cè)范圍為800-1700 nm，響應(yīng)度為0.9 A/W，接口為帶尾纖的FC/APC 型接口，適用于各類微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的電路用于氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

因此本文針對(duì)APD 光電二極管開展相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并通過噪聲抑制的方法，設(shè)計(jì)并制作可以提取微弱光信號(hào)的檢測(cè)器電路，為光電檢測(cè)領(lǐng)域的工作提供參考。

一、光電噪聲抑制

項(xiàng)目中使用的APD 光電二極管需要較高的偏壓才能夠工作，根據(jù)器件的測(cè)試手冊(cè)，開展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，使用39V 電壓作為偏壓，測(cè)試的結(jié)果如圖1 所示。圖中可見，信號(hào)耦合了大量噪聲，這對(duì)于高速光電信號(hào)轉(zhuǎn)換是不利的，因此需要進(jìn)行噪聲去除工作。系統(tǒng)中首先更換了供電電源電路，使用噪聲較低的線性穩(wěn)壓電源替代之前的開關(guān)電源，這對(duì)于電源紋波造成的噪聲抑制是十分必要的。其次系統(tǒng)中使用了低通濾波電路，有效去除了部分高頻噪聲。最后，系統(tǒng)中使用了差分電路，可以使用參考通道進(jìn)行差分處理，可以進(jìn)一步去除系統(tǒng)噪聲。

圖1 耦合噪聲信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)示波器截圖

二、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)

對(duì)研制電路進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以1550 nm 的近紅外脈沖信號(hào)作為輸入光源，信號(hào)頻率為270 Hz，使用示波器進(jìn)行截圖，測(cè)得的信號(hào)如圖2 所示。由圖可見，信號(hào)噪聲較小，上升沿和下降沿轉(zhuǎn)換速度很快，研制的電路能夠?qū)崿F(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能。

圖2 使用270 Hz 的紅外脈沖信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)

結(jié)論：本文研制了基于APD 的光電轉(zhuǎn)換電路，并開展了光電信號(hào)轉(zhuǎn)換和噪聲抑制工作等，最終能夠?qū)崿F(xiàn)光電信號(hào)的有效轉(zhuǎn)換。研制的電路可用于高速、高精度微弱光信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能，通過后端的信號(hào)采集和處理電路，可以實(shí)現(xiàn)完整的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理等功能。