專利名稱：一種基于雪崩二極管的超靈敏光功率檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及單光子探測和光功率檢測技術領域，尤其是一種基于雪崩二極管的超靈敏光功率檢測裝置。
背景技術：
目前，常用的光功率計主要是利用光敏或熱敏器件的阻值或電流變化來實現(xiàn)光功率的計量，即面對于不同功率的光源，會隨著光功率的變化輸出不同的電流，通過電流來檢測光功率大小。此種光功率計優(yōu)點是光譜響應曲線平坦，成本較低，但其靈敏度非常有限，一般最多只能響應到PW量級。而隨著現(xiàn)今光譜學和光通信等領域不斷朝著高精度高靈敏度的趨勢發(fā)展，對光功率計性能的要求也不斷提高。如何實現(xiàn)對超微弱光源的檢測成為了一個具有基礎性意義的課題。現(xiàn)在較為成熟的探測方式包括光電倍增管、超導探測和雪崩光電二極管等等。其中雪崩光電二極管(APD)具備了成熟的技術手段和良好的制作工藝，已經在靈敏探測和光電檢測方面取得了廣泛的應用。Aro的基本工作原理是，當在半導體二極管加上足夠高的反向偏壓時，Aro將工作在雪崩狀態(tài)，此時光生載流子在二極管耗盡層內的碰撞電離效應將使其獲得光電流的雪崩倍增。這種效應類似于一個無窮大的增益，因此Aro可以實現(xiàn)對單光子的響應，雖然APD具有了極高的探測靈敏度，但是它對入射光子的增益卻并不是線性的。現(xiàn)有技術的基于雪崩光電二極管APD的光檢測器件通常只能用作光子計數(shù)，檢測光子“有”或“沒有”，而不能直接分辨出光信號的強弱，因此如何利用雪崩狀態(tài)下的Aro高靈敏度進行功率檢測成為了一個具有挑戰(zhàn)性的課題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足而設計的一種基于雪崩二極管的超靈敏光功率檢測裝置，采用高頻時鐘觸發(fā)雪崩二極管，使其工作在“門脈沖”模式對入射光源進行光子采樣，入射光將在這些探測門內產生光子計數(shù)信號，然后對采樣結果進行統(tǒng)計并與已知光功率進行比對，從而獲得入射光的瞬時光功率，實現(xiàn)單光子水平的超靈敏功率檢測，具有結構簡單，探測靈敏度高，檢測方便，較好的解決了單次雪崩對單光子無法進行強度辨別的弊端，是一種全新且有效的超靈敏光功率計量方式。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種基于雪崩二極管的超靈敏光功率檢測裝置，其特點是該光功率檢測裝置由雪崩二極管(APD)、可編程邏輯器(FPGA)和終端機組成，所述雪崩二極管(APD)設有為其提供工作溫度、反向偏壓和門脈沖信號的溫控電路、偏置電路和脈沖電路；雪崩二極管(APD)將入射光產生的光子計數(shù)信號輸入到可編程邏輯器(FPGA)，由可編程邏輯器(FPGA)對單位時間內的光子進行統(tǒng)計并與已知光功率進行比對，比對后得到的檢測光功率數(shù)據(jù)輸入終端機進行數(shù)值顯示和數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)單光子的超靈敏功率檢測。所述已知光功率為參考光經可調衰減后由光功率計對單位時間的光子進行統(tǒng)計并由可編程邏輯器(FPGA)匯編制成參考光功率數(shù)據(jù)表。所述脈沖電路為高頻時鐘觸發(fā)雪崩二極管(APD)的門脈沖電路。所述溫控電路為溫度檢測模塊將溫度的變化轉化為電壓值的變化，由A/D轉換成數(shù)字量在MCU中處理，并由MCU控制的D/A的輸出電壓轉成Γ20πιΑ電流控制致冷器電源的輸出電壓，改變致冷器的制冷功率，由此構成一個環(huán)路使溫度穩(wěn)定在預定值。所述可編程邏輯器(FPGA)內設有與已知光功率進行比對的軟件。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有極微弱光源的功率檢測能力，靈敏度高，結構簡單，解決了單次雪崩對單光子無法進行強度辨別的弊端，是一種全新且有效的超靈敏光功率計量，可廣泛應用于光譜學和光通信等領域，填補了現(xiàn)有光功率計在超微弱光功率檢測方面的空白。


圖1為本發(fā)明結構示意圖 圖2為本發(fā)明工作示意圖
具體實施例方式參閱附圖1，本發(fā)明由設有溫控電路1、偏置電路2和脈沖電路3的雪崩二極管(APD) 4與可編程邏輯器(FPGA) 5和終端機6串接而成，雪崩二極管(APD) 4配置了三個功能模塊，三個功能模塊共同作用于APD，使其可以在設定的模式下穩(wěn)定工作。當待測光入射雪崩二極管(APD) 4后產生光子計數(shù)信號，雪崩二極管(APD) 4將光子計數(shù)信號輸入可編程邏輯器(FPGA) 5進行單位時間的光子計數(shù)統(tǒng)計，將單位時間內的計數(shù)總和數(shù)值與校準時得到的參考光功率數(shù)值進行查表比對，即可得到待測入射光的功率數(shù)據(jù)，實現(xiàn)單光子水平的超靈敏功率檢測，然后由可編程邏輯器(FPGA) 5將待測入射光的功率數(shù)據(jù)輸入終端機6進行數(shù)值的顯示和存儲。上述溫控電路I用于控制雪崩二極管(APD)4的工作溫度，使其保持穩(wěn)定的探測效率，溫控電路I采用溫度檢測模塊將溫度的變化轉化為電壓值的變化，由A/D轉換成數(shù)字量在MCU中處理，并由MCU控制的D/A的輸出電壓轉成Γ20πιΑ電流控制致冷器電源的輸出電壓，改變致冷器的制冷功率，由此構成一個環(huán)路使溫度穩(wěn)定在預定值。上述偏置電路2為雪崩二極管(APD) 4提供反向偏壓，使其工作在雪崩模式。偏置電路2采用了脈沖寬度調制方法來改變輸出電壓的大小，F(xiàn)B (輸出電壓反饋端)固定為1.25V，由DAC的輸出電壓和FB端電壓差控制電流，使得兩端的壓差改變而調節(jié)輸出電壓，這種方案在實際的使用過程中可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)調節(jié)，可以方便的產生AH)所需的偏壓，且紋波控制在很小的范圍內。偏置電路2選用MAXM/DALLAS公司生產的ΜΑΧ1932，它能提供
4.5、0V的電壓輸出，同時具有電流保護功能，其內部集成8位SP1-Compatible DAC,也可使用外部DAC得到更高的輸出精度。上述脈沖電路3采用高頻時鐘觸發(fā)雪崩二極管(APD) 4，使其工作在“門脈沖”模式，對入射光源進行光子采樣。脈沖電路3為高頻窄脈沖產生“門脈沖”信號，采用D/A控制方式，時鐘信號經過整形轉換成一個穩(wěn)定的脈沖寬度，并在后級設置一個高速的比較器，由MCU控制D/A輸出電壓改變比較器的閾值，從而改變門脈沖產生器輸出的門脈沖寬度。參閱附圖2，本發(fā)明是這樣工作的首先將參考光經可調衰減后由光功率計對單位時間的光子進行統(tǒng)計，然后將統(tǒng)計數(shù)據(jù)輸入可編程邏輯器(FPGA) 5，由可編程邏輯器(FPGA) 5匯編制成參考光功率數(shù)據(jù)表，可編程邏輯器(FPGA) 5內設有與已知光功率進行比對的軟件。當待測光入射后由雪崩二極管(APD) 4對光子進行采樣，雪崩二極管(APD) 4將入射光產生的光子計數(shù)信號輸入到可編程邏輯器(FPGA) 5，由可編程邏輯器(FPGA) 5對單位時間內的光子計數(shù)進行統(tǒng)計并與已知光功率數(shù)據(jù)表進行比對，可編程邏輯器(FPGA) 5將查表比對后得到的檢測光功率數(shù)據(jù)輸入終端機6，由終端機6對檢測光功率數(shù)值進行顯示并存儲，實現(xiàn)單光子水平的超靈敏功率檢測。本發(fā)明不僅充分利用了 APD超靈敏探測的能力，而且較好的避免和克服了 AH)在單次雪崩中無法進行強度辨別的弊端，是一種全新且有效的超靈敏光功率計量方式。以上實施例只是對本發(fā)明做進一步說明，并非用以限制本發(fā)明專利，凡為本發(fā)明等效實施，均應包含于本發(fā)明專利的權利要求范圍之內。
權利要求
1.一種基于雪崩二極管的超靈敏光功率檢測裝置，其特征在于該光功率檢測裝置由雪崩二極管、可編程邏輯器和終端機組成，所述雪崩二極管設有為其提供工作溫度、反向偏壓和門脈沖信號的溫控電路、偏置電路和脈沖電路；雪崩二極管將入射光產生的光子計數(shù)信號輸入可編程邏輯器，可編程邏輯器對單位時間的光子進行統(tǒng)計并與已知光功率進行比對，比對后得到的檢測光功率數(shù)據(jù)輸入終端機進行數(shù)值顯示和數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)單光子的超靈敏功率檢測。
2.根據(jù)權利要求1所述基于雪崩二極管的超靈敏光功率檢測裝置，其特征在于所述已知光功率為參考光經可調衰減后由光功率計對單位時間的光子進行統(tǒng)計并由可編程邏輯器匯編制成參考光功率數(shù)據(jù)表。
3.根據(jù)權利要求1所述基于雪崩二極管的超靈敏光功率檢測裝置，其特征在于所述脈沖電路為高頻時鐘觸發(fā)雪崩二極管的門脈沖電路。
4.根據(jù)權利要求1所述基于雪崩二極管的超靈敏光功率檢測裝置，其特征在于所述溫控電路為溫度檢測模塊將溫度的變化轉化為電壓值的變化，由A/D轉換成數(shù)字量在MCU中處理，并由MCU控制的D/A的輸出電壓轉成Γ20πιΑ電流控制致冷器電源的輸出電壓，改變致冷器的制冷功率，由此構成一個環(huán)路使溫度穩(wěn)定在預定值。
5.根據(jù)權利要求1所述基于雪崩二極管的超靈敏光功率檢測裝置，其特征在于所述可編程邏輯器內設有與已知光功率進行比對的軟件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雪崩二極管的超靈敏光功率檢測裝置，其特點是該光功率檢測裝置由雪崩二極管、可編程邏輯器和終端機組成，所述雪崩二極管設有溫控電路、偏置電路和脈沖電路；雪崩二極管將入射光產生的光子計數(shù)信號輸入到可編程邏輯器進行單位時間的光子數(shù)統(tǒng)計，然后將統(tǒng)計數(shù)與已知光功率進行比對后得到檢測光功率數(shù)據(jù)，實現(xiàn)單光子的超靈敏功率檢測。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有極微弱光源的功率檢測能力，靈敏度高，解決了單次雪崩對單光子無法進行強度辨別的弊端，是一種全新且有效的超靈敏光功率計量，填補了現(xiàn)有光功率計在超微弱光功率檢測方面的空白。
文檔編號G01J1/42GK103033263SQ20121056108
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權日2012年12月21日
發(fā)明者秦玥, 張盛祥, 陳杰, 曾和平 申請人:上海朗研光電科技有限公司