用于时分复用光纤光栅传感的APD光子探测技术研究

摘要

在时分复用光纤光栅(FBG)传感系统中,当光纤光栅的反射率很低时,用一般方式无法探测到极微弱的传感信号,而单光子探测技术能够对单个光子能量水平的微弱光信号进行探测。论文将单光子探测技术应用到时分复用光纤光栅传感系统中,构成基于光子计数的低反射率光纤光栅传感系统,可实现在一根光纤上串联几百个甚至上千个FBG的超多点应变或温度的测量。
　　时分复用光纤光栅传感系统的噪声主要包含APD的噪声及FBG多次反射、光谱阴影、光纤弯曲等引起的噪声,论文分析了这些噪声产生的原因及对系统的影响,为设计系统时避免或减少这些噪声打下基础。同时也对基于光子计数的低反射率光纤光栅传感系统进行了理论推导,计算出系统的最小等效噪声功率(NEPmin)为10-16 W/ Hz。
　　论文采用InGaAs/InP APD作为单光子探测器,用无源抑制方法测出了APD的M-U和I-U等曲线,得到了APD的雪崩电压为42.5V,确定了最佳“盖革模式”电压为47.5V。由于APD不能长时间处于“盖革模式”,需要设计一个电路去抑制其雪崩。通过对几种APD抑制电路的优缺点分析,设计了一种电流感应电路用于控制APD的雪崩及其恢复,该电路由5个场效应管构成,结构简单,成本低。使用Multisim软件对这个电路的进行了仿真,得到理论抑制时间为25ns左右,延迟时间为70ns。
　　运用P型管ZVP2106A,N型管ZVN2106A和ZVN3306A搭建电路,采用信号发生器产生一个脉冲信号,测出了电路输出信号和复位信号,验证了该电路能够实现抑制APD雪崩的功能。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状及发展

1.3 研究内容及主要工作

2 基于光子计数的光纤光栅传感理论及分析

2.1 系统原理

2.2 系统理论计算

2.3 系统的性能参数

2.4 系统的探测方式

2.5 本章小结

3 时分复用光纤光栅传感系统的噪声分析

3.1 单光子雪崩光电二极管的噪声分析

3.2 光的多次反射引起的噪声

3.3 光谱阴影引起的噪声

3.4 光纤弯曲引起的噪声

3.5 本章小结

4 APD模型与性能测试

4.1 APD的结构及原理

4.2 APD的等效模型

4.3 APD的性能参数

4.4 APD的特性测试

4.5 本章小结

5 APD单光子探测抑制电路的设计

5.1 APD主要的抑制方式

5.2 APD抑制电路的选择

5.3 APD控制电路的仿真及分析

5.4 APD控制电路的实验验证

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 改进与展望

致谢

参考文献