基于线阵InGaAs光电二极管阵列的光纤光栅传感解调

InGaAs(P)/InP近红外单光子探测器暗计数特性研究基于InGaAs(P)/InP 雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diodes,SPADs)的近红外单光子探测器具有功耗低、不需超低温制冷、可靠性高、使用简单、易集成、近红外探测效率高等优点,在光通讯波段(1310 nm、1550 nm)量子密钥分发(QKD)、激光测距(1064nm、1550nm)等前沿领域有着迫切的应用需求,但其暗计数特性对应用有诸多限制。

InGaAs(P)/InPSPAD基近红外单光子探测器主要包括InGaAs(P)/InP SPAD及其驱动电路,二者的性能均可影响探测器性能。

本论文主要针对InGaAs(P)/InP SPAD基近红外单光子探测器的暗计数特性及其影响因素、InGaAs(P)/InPSPAD暗电流特性及其影响因素进行深入研究,探索二者关联特性,为SPAD器件及单光子探测器的性能优化提供指导。

搭建SPAD 器件变温测试平台对SPAD暗电流特性进行了研究;搭建激光束诱导电流(LBIC)测试系统对SPAD器件的响应均匀性及其边缘击穿特性进行了研究;研制SPAD器件单光子探测性能测试装置对不同SPAD器件对应单光子探测器的暗计数特性进行了研究。

对SPAD器件暗电流特性及其对应单光子探测器的暗计数关联性进行探索,研究发现SPAD雪崩击穿偏压处的暗电流斜率与相应单光子探测器的暗计数相关,斜率较小时相应的暗计数较小;暗电流与暗计数存在抖动情况,此抖动均与温度呈负相关,与过偏压无关。

目前对暗计数特性的研究主要集中于影响机制,并未发现对上述结果的报导。

基于光纤光栅传感的输电杆塔在线监测系统研究目录1. 内容概览 (3)1.1 研究背景 (4)1.2 研究意义 (5)1.3 国内外研究现状 (6)2. 光纤光栅传感器技术简介 (7)2.1 光纤光栅传感器工作原理 (9)2.2 光纤光栅传感器的优势 (10)2.3 光纤光栅传感器应用案例 (11)3. 输电杆塔结构与健康状况 (12)3.1 输电杆塔结构 (13)3.2 输电杆塔健康状况监测 (15)3.3 杆塔常见问题及风险 (17)4. 光纤光栅传感在输电杆塔监测中的应用 (18)4.1 光纤光栅传感器安装方法 (19)4.2 光纤光栅传感器数据采集方法 (21)4.3 光纤光栅传感器信号处理方法 (22)5. 在线监测系统设计 (23)5.1 系统总体架构设计 (24)5.2 硬件系统设计 (26)5.3 软件系统设计 (28)5.4 系统稳定性与可靠性分析 (28)6. 监测系统性能评估 (30)6.1 监测精度的评估 (31)6.2 监测范围与分辨率的评估 (33)6.3 系统响应速度评估 (34)6.4 系统耐久性与抗环境干扰能力评估 (35)7. 实景区域研究 (36)7.1 监测区域选择与环境因素分析 (37)7.2 现场安装与调试过程 (38)7.3 监测数据收集与分析 (40)8. 系统优化与案例研究 (41)8.1 系统性能优化方法 (42)8.2 典型案例分析 (43)8.3 研究成果总结 (45)9. 结论与展望 (46)9.1 研究成果总结 (47)9.2 存在问题与不足 (48)9.3 未来研究方向 (49)1. 内容概览本研究旨在探讨基于光纤光栅（Fiber Bragg Grating, FBGs）的先进传感技术在输电杆塔在线监测系统中的应用。

我们将首先介绍输电杆塔结构及其重要性，以及传统的监测方法和它们的局限性。

我们将详细讨论光纤光栅的基本原理、特性和传感能力，并分析其在桥梁、建筑和电力传输系统监测中的应用。

铟镓砷光电二极管铟镓砷光电二极管（Indium gallium arsenide photodiode）是一种基于铟镓砷（InGaAs）材料的光电器件。

它具有高灵敏度、高速度和宽波长响应范围等优点，被广泛应用于通信、光谱分析、红外成像等领域。

铟镓砷光电二极管的基本原理是光电效应。

当光线照射到铟镓砷材料时，光子的能量被吸收，使得材料中的电子激发并跃迁到导带。

这些激发的电子会在外电场的作用下被加速，产生电流。

通过测量这个电流的大小，可以间接地测量光线的强度。

铟镓砷光电二极管的灵敏度非常高，可以探测到宽波长范围内的光线。

铟镓砷材料的能带结构使其具有较小的能隙，因此可以感受到红外光的能量。

这使得铟镓砷光电二极管在红外成像和光谱分析等领域有着重要的应用。

铟镓砷光电二极管的工作速度也非常快，可以实现高频率的信号检测和传输。

这使得它在通信领域中被广泛应用于光纤通信和无线通信系统中。

在光纤通信系统中，铟镓砷光电二极管用于接收光信号并将其转换为电信号，以实现光信号的传输和解调。

在无线通信系统中，铟镓砷光电二极管用于接收红外光信号并将其转换为电信号，以实现无线信号的接收和解码。

除了通信领域，铟镓砷光电二极管还在其他领域有着广泛的应用。

在光谱分析中，铟镓砷光电二极管可以用于检测和测量不同波长的光线，从而分析样品的光谱特性。

在红外成像中，铟镓砷光电二极管可以用于接收红外辐射并将其转换为电信号，从而实现红外图像的获取和显示。

尽管铟镓砷光电二极管具有许多优点，但也存在一些限制。

由于铟镓砷材料的制备和加工工艺复杂，导致铟镓砷光电二极管的成本较高。

此外，铟镓砷材料对温度敏感，工作温度范围较窄，需要在特定的温度条件下工作以保证性能。

铟镓砷光电二极管是一种具有高灵敏度、高速度和宽波长响应范围的光电器件。

它在通信、光谱分析、红外成像等领域有着重要的应用。

虽然存在一些限制，但随着材料和制造工艺的进步，铟镓砷光电二极管有望在更多领域发挥重要作用。

光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1)一光纤光栅传感器理论基础 (1)1 光纤光栅应力测量 (1)2 光纤光栅温度测量 (2)3 光纤光栅压力测量 (3)二光纤光栅传感器增敏与封装 (4)1 光纤光栅的应力增敏 (4)2 光纤光栅的温度增敏 (5)3 光纤光栅的温度减敏 (5)4 嵌入式敏化与封装 (6)5 粘敷式敏化与封装 (7)三光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9)1 参考光纤光栅法 (10)2 双光栅矩阵运算法 (10)3 FBG与LPFG混合法 (11)4 不同包层直径熔接法 (12)5 啁啾光栅法 (12)光纤光栅的应力和温度传感特性研究一光纤光栅传感器理论基础1 光纤光栅应力测量由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。

当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。

由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。

FBG 对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。

当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：eff BB effn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为光栅周期的变化。

光栅产生应力时的折射率变化：()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中： ()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ (4) ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。

假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。

四象限InGaAs APD探测器的研究王致远;李发明;刘方楠【摘要】文章中设计的四象限InGaAs雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)的管芯结构采用正入光式平面型结构,而材料结构采用吸收区、倍增区渐变分离的APD结构,在对响应时间、暗电流和响应度等参数进行计算与分析的基础上,优化了器件结构参数.试验结果表明,其响应时间≤1.5 ns,响应度≥9.5 A/W,暗电流≤40 nA,可靠性设计时使PN结和倍增层均在器件表面以下,可有效抑制器件表面漏电流,提高器件的可靠性.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2007(000)006【总页数】4页(P43-46)【关键词】InGaAs雪崩光电二极管;吸收区倍增区渐变分离-雪崩光电二极管;光谱响应范围;响应度;暗电流【作者】王致远;李发明;刘方楠【作者单位】重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065;重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065;重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065【正文语种】中文【中图分类】TN3InGaAs材料制作的探测器具有直接禁带、室温工作和高纯度的优点，由它制作的光电探测器具有极低的暗电流和噪声。

在过去的十多年中，在光纤通信需求的推动下，InGaAs材料和器件有了很大的发展，现在已经能制备出性能非常优良的探测器。

激光导引头、激光经纬仪等光电跟踪、定位和准直仪器中常用四象限探测器作为光电传感器。

激光制导武器的核心器件便是激光导引头，位于导引头最前端的象限光电探测器是捕获目标、判断目标位置、分析目标状态的第一信息的关键部分［1］。

开发In-GaAs四象限探测器已成为激光制导、激光瞄准、探索和跟踪等装备的迫切需求，也是民用大气检测、土壤水分和碳化物等监控所需象限探测器的发展趋势［2］。

1 工作原理及器件参数设计1.1 工作原理四象限探测器的基本工作原理如图1所示。

器件的4 个象限同时工作在反向偏压下，当光照射时，在每个象限耗尽区内，光激发产生的载流子分别向两极运动，电子在运动过程中经过具有高电场的电荷层加速，在倍增层内碰撞产生大量的空穴电子对（雪崩效应），在外电路形成比光激发电流大得多的雪崩电流，实现器件的增益，同时，也将光信号转换成了4 路电流信号，如图1（a）所示。

光纤光栅解调综述一、引言光纤布拉格光栅（FBG）是一种重要的光学器件，具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小及易复用等特性，广泛应用于恶劣环境的温度、应变及振动等物理量检测。

基于在线光纤拉丝塔的大规模光栅阵列光纤制备方法的实现，突破了传统光纤光栅分布式传感技术受限于机械强度和制备工艺复杂的限制，大大拓展了其在分布式传感领域的应用。

本文将对光纤光栅解调技术进行综述。

二、光纤光栅解调技术准静态波长解调技术准静态波长解调技术是一种常用的光纤光栅解调方法。

它通过测量FBG中心波长的变化来解调传感信号。

准静态波长解调技术具有解调速度快、空间分辨率高等优点，但需要精确控制光源的波长和带宽，对光源的稳定性要求较高。

高速波长解调技术高速波长解调技术是一种基于光谱分析的解调方法。

它通过测量FBG光谱的变化来解调传感信号。

高速波长解调技术具有解调速度快、空间分辨率高等优点，但需要高分辨率的光谱分析仪，对硬件设备的要求较高。

增强型动态相位解调技术增强型动态相位解调技术是一种基于干涉仪的解调方法。

它通过测量FBG中心波长的变化来解调传感信号。

增强型动态相位解调技术具有解调速度快、空间分辨率高等优点，但需要精确控制光源的波长和带宽，对光源的稳定性要求较高。

三、光纤光栅应用领域基于大规模光栅阵列光纤的应用包括温度、应变分布式的准静态应用领域，以及振动分布式的相位动态应用领域等，包括大型建筑、机械、航空航天、石油化工等诸多领域的安全监测、故障诊断等工程应用方面。

四、结论光纤布拉格光栅传感技术因其具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小及易复用等特性而广泛应用于恶劣环境的温度、应变及振动等物理量检测。

基于在线光纤拉丝塔的大规模光栅阵列光纤制备方法的实现，突破了传统光纤光栅分布式传感技术受限于机械强度和制备工艺复杂的限制，大大拓展了其在分布式传感领域的应用。

本文系统地介绍了大规模光栅阵列光纤的制备、分布式解调方法与应用进展，从大规模光栅阵列光纤的在线制备技术，以及基于该阵列光纤的分布式传感解调技术，包括准静态波长解调技术、高速波长解调技术以及增强型动态相位解调技术等，特别关注解调速度、空间分辨率、复用容量等关键技术及传感性能。

控制技术・ 120 ・计算 机测 量与控制 2021 29(4)Computer Measurement & Control文章编号 1671 - 4598(2021)04 - 0120 -06 DOI ：10.16526/ki.11 — 4762/tp.2021. 04.024 中图分类号：TN248文献标识码：A基于FPGA 的可调谐激光器控制电路设计孔市委，任乾钰，王军，贾平岗(中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051)摘要：可调谐激光器是光纤光栅解调系统中最主要的部件之一，其输出波长和功率的稳定性影响整个解调系统的性能；文中 对MG —Y 可调谐激光器的调谐原理进行了分析，设计了一种基于FPGA 的可调谐激光器控制电路；使用温度控制芯片ADN8834对MG —Y 激光器进行温度控制，通过改变电流源的输出电流，控制激光器的输出波长；利用光谱分析仪采集激光器的输出波长，并对激光器的输出波长进行标定，制作“波长一电流”查询表；FPGA 通过调用“波长一电流”查询表，实现激光器的波长在1 527〜1 567 nm 范围内以20 pm 间隔连续线性扫描。

同时搭建光纤布拉格光栅解调系统，验证了可调谐激光器解调 光纤光栅中心波长的可行性。

关键词：MG —Y 激光器；波长控制；温度控制；“波长一电流”查询表Design of Tunable Laser Control Circuit Based on FPGAKong Shiwii , Ren Qianyu , Wang Jun , Jia Pinggang(Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory ,North University of China , Taiyuan 030051, China )Abstract : Tunable laser is one of the most important components in the fiber Bragg grating demodulation system. The stability ofits output wavelength and power affects the performance of the whole demodulation system. In this paper , the tuning principle of MG —Ytunablelaserisanalyzed ， andatunablelasercontrolcircuitbasedonFPGAisdesigned Thecircuitusesatemperaturecontrol chipADN8834tocontrolthetemperatureofthe MG —Ylaser ， andcontrolsoutputwavelengthofthelaserbychangingtheoutputcurrent of the current source. The output wavelength of the laser is analyzed by spectrum analyzer , and the output wavelength of la ­ser is calibrated , and the wavelength 一 current query table is made. The wavelength of the laser can be scanned continuously in the range of 1527 〜1567 nm at the interval of 20 pm by FPGA calling the wavelength 一current query table. At the same time , a fiberBragg grating demodulation system was built to verify the feasibility of the tunable laser to demodulate the center wavelength of the f — bergratingKeywords : Mg 一 Y laser ； wavelength control ； temperature control ； "wavelength —current" query table0引言随着光纤传感技术的迅速发展及其在各工程领域的广 泛应用3］,光纤传感在全球范围内得到了大量的关注，在工程应用、学术研究等方面吸引着许多专家学者34］。

铟镓砷光电管
铟镓砷（InGaAs）光电管是一种特殊类型的光电探测器，广泛应用于光电子学领域。

InGaAs光电管通常用于探测红外光谱范围的光，其波长范围一般在800nm至1700nm之间，但也有一些特殊设计的产品可以覆盖更宽或更窄的光谱范围。

InGaAs光电管的工作原理基于光电效应，即当光照射在半导体材料上时，能够激发出电子-空穴对，从而产生光电流。

这种光电效应使得InGaAs光电管能够将光信号转换为电信号，从而实现对光的探测和测量。

InGaAs光电管具有许多优点，如高灵敏度、快速响应、低暗电流和低噪声等。

这使得它在许多领域都有广泛的应用，如光通信、光谱分析、红外成像和光探测等。

请注意，虽然InGaAs光电管在许多应用中表现出色，但它也有一些限制和缺点。

例如，它对某些特定波长的光可能不够敏感，或者在高温环境下性能可能会下降。

因此，在选择和使用InGaAs光电管时，需要根据具体的应用需求和条件进行综合考虑。

此外，InGaAs光电管还可以分为不同类型，如PIN光电二极管、
雪崩光电二极管（APD）等。

每种类型的光电管都有其独特的特点和适用场景，因此在选择时需要根据具体需求进行选择。

总的来说，铟镓砷光电管是一种重要的光电探测器件，具有广泛的应用前景和市场需求。

随着光电子学技术的不断发展，InGaAs光电管的性能和应用范围也将不断得到提升和拓展。

ingaas测试原理Inganese arsenide (InGaAs) 是一种广泛应用于光电子器件和光通信领域的半导体材料。

它由铟 (In)、镓 (Ga) 和砷 (As) 元素组成，具有优良的光电性能和热稳定性。

本文将介绍InGaAs的测试原理及其在光电子器件中的应用。

我们需要了解InGaAs的测试原理。

在光电子器件中，常用的测试方法包括电学测试和光学测试。

电学测试主要针对InGaAs材料的电性能进行测量，包括电阻、电流和电压等参数。

光学测试则是通过照射光源，测量InGaAs材料的光学性能，如吸收光谱、发射光谱和光电流等。

对于电学测试，常用的方法包括四探针电阻测试和霍尔效应测试。

四探针电阻测试可以测量InGaAs材料的电阻率，通过在InGaAs材料上施加电压，利用四个探针测量电流，从而计算出电阻率。

霍尔效应测试则是通过施加磁场，测量InGaAs材料中产生的霍尔电压，从而获得材料的载流子浓度和类型。

光学测试中，吸收光谱是研究InGaAs材料的吸收特性的重要方法。

通过照射不同波长的光源，测量InGaAs材料的吸收光强，可以得到材料的吸收谱线。

发射光谱则是测量InGaAs材料在受激发后的发光特性，通过激发材料产生电子-空穴对，并测量其发射的光强，可以得到发射光谱。

光电流测试则是测量InGaAs材料在受光照射后产生的电流，通过测量电流大小可以评估材料的光电转换效率。

除了测试原理，InGaAs在光电子器件中的应用也非常广泛。

由于InGaAs具有较宽的能带间隙，适合在近红外波段工作，因此它常用于光通信领域的光接收器和光发射器。

在光接收器中，InGaAs材料接收到光信号后，会产生电流输出，实现光信号的转换和传输。

在光发射器中，InGaAs材料通过外加电压激发载流子，产生光信号输出，实现光信号的发射和传输。

InGaAs还广泛应用于太阳能电池、光谱分析仪和红外传感器等领域。

在太阳能电池中，InGaAs材料能够吸收太阳光中的近红外光谱，转化为电能，提高太阳能电池的光电转换效率。

基于光纤光栅的GIS导体温度巡检方法与装置孙国霞;关向雨;舒乃秋;孔令明;金向朝;谢志杨【摘要】针对GIS设备导体温度监测和回路过热性故障预防,在分析光纤光栅测温原理和成像解调技术的基础上,提出了一种基于光纤光栅温度传感网络的GIS导体温度巡检方案.通过现场温升试验建立了GIS导体温度测量模型并根据相关标准制定了GIS导体温度过热性故障判据.研制了可应用于不同GIS母线温度测量的便携式巡检装置,设计了温度巡检装置的硬件系统和软件系统.现场实验表明该设备工作稳定,测温精度高,对于保障GIS设备的安全稳定运行具有现实意义.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2015(030)008【总页数】6页(P316-321)【关键词】GIS母线;便携式;光纤光栅;温度巡检【作者】孙国霞;关向雨;舒乃秋;孔令明;金向朝;谢志杨【作者单位】武汉大学电气工程学院武汉 430072;广东电网公司佛山供电局佛山528000;武汉大学电气工程学院武汉 430072;武汉大学电气工程学院武汉430072;武汉大学电气工程学院武汉 430072;广东电网公司佛山供电局佛山528000;广东电网公司佛山供电局佛山 528000【正文语种】中文【中图分类】TM930.1气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）导电回路中包含大量插接式触头，如母线连接点、闭合状态下的断路器和隔离开关触头等。

由于在安装过程中存在装配公差和施工时的粗大误差，某些电气接点存在对接不同心、插入深度不足等隐患，在设备运行过程中由于对接处接触性能的退化引起接触电阻增大并导致触点异常温升，严重时导致母线接头烧毁并引发短路事故。

随着大量新GIS设备投入运行于较早投运设备的老化，这类 GIS接头过热性故障发生频率呈现上升趋势[1-2]。

因此开展对GIS母线接头的温度监测，预防过热性故障是十分必要的。

传统预防GIS导电回路过热性故障的方法包括设备安装后的回路电阻测量和红外测温两种方法[3-8]。

单光子雪崩光电二极管阵列单光子雪崩光电二极管阵列是一种高性能的光电探测器，它能够实现单光子级别的弱光信号探测。

这种阵列的设计和制备对于光学通信、光学成像、量子通信等领域都具有重要意义。

光电二极管是一种基于光电效应工作的器件，能够将光信号转化为电信号。

而单光子雪崩光电二极管阵列则是在常规光电二极管的基础上进行了改进和优化。

它采用了雪崩放大技术，能够在光子被探测到时产生大量的载流子，从而提高信号的信噪比和探测效率。

单光子雪崩光电二极管阵列的制备过程非常复杂。

首先，需要选择合适的材料来制作光电二极管的结构。

常用的材料包括硅、锗、InGaAs等。

然后，通过光刻技术和离子注入等工艺，将材料制备成具有微米级结构的光电二极管。

最后，将多个光电二极管组成阵列，以实现对光信号的高效探测。

单光子雪崩光电二极管阵列在实际应用中有着广泛的用途。

在光学通信中，它可以用于接收和解调光信号，实现高速、高容量的数据传输。

在光学成像中，它可以用于低光水平下的图像采集，如夜视仪、红外相机等。

在量子通信中，它可以用于量子密钥分发和量子隐形传态等关键技术的实现。

然而，单光子雪崩光电二极管阵列也存在一些挑战和限制。

首先，制备过程复杂，成本较高。

其次，由于雪崩效应的存在，会产生较大的噪声，影响信号的质量。

此外，阵列中的单个光电二极管之间可能存在不均匀性，导致探测效率不一致。

总的来说，单光子雪崩光电二极管阵列是一种非常重要的光电探测器，具有广泛的应用前景。

随着技术的不断进步和改进，相信它将在各个领域发挥越来越重要的作用，为人类带来更加便捷和高效的光学应用体验。