自由光通信中PIN探測器光閾值特性研究

吳菲　李洪祚　杜春梅　高海光

摘 要： 研究自由光通信中PIN探測器在1 064 nm波長下的閾值特性。為了觀察PIN光電探測器的激光損傷閾值對光通信的影響，利用[Nd：]YAG激光器、衰減器、示波器和PIN探測器等儀器模擬無線空間光通信系統(tǒng)。實驗以PIN探測器在1 064 nm波段為樣本。通過調(diào)整衰減器的衰減系數(shù)，從而觀察探測器達到強光飽和時通信波形的眼圖變化，判斷探測器是否能夠繼續(xù)通信。通過實驗發(fā)現(xiàn)：探測器達到深度飽和時，系統(tǒng)通信出現(xiàn)脈寬展寬現(xiàn)象，并出現(xiàn)嚴(yán)重的碼間串?dāng)_無法滿足通信指標(biāo)。通過實驗閾值，建立空間數(shù)學(xué)模型。觀察距離、束散角和輻照夾角對致盲激光器功率的影響。

關(guān)鍵詞： PIN探測器； 強光飽和； 碼間串?dāng)_； 數(shù)學(xué)模型

中圖分類號： TN929.1?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0012?04

0 引 言

1997年10月美國在白沙導(dǎo)彈靶場測試，采用中紅外先進MIRACL和LPCL進行激光照射衛(wèi)星探測器實驗[1]，該實驗使人們認(rèn)識到低能激光的優(yōu)勢。然而，光電探測器接收光功率非常低，所以當(dāng)光功率過大時可能造成探測器永久性“失明”[2]。

目前無線光通信主要應(yīng)用在800 nm、1 064 nm和1 550 nm三個波段[3]，常用探測器光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD）。1 064 nm通信元器件國內(nèi)相對成熟，固本課題以PIN探測器在1 064 nm波段為樣本，研究當(dāng)探測器達到臨界飽和功率時的接收現(xiàn)象，并判斷能否符合通信要求。通過實驗建立數(shù)學(xué)模型，考慮在臨近空間致盲打擊的可實現(xiàn)性。

1 致盲理論分析

1.1 PIN探測器的損傷機制

激光對光電探測器的損傷分為軟損傷和硬損傷兩類[4]。顧名思義，軟損傷即當(dāng)有光照射時探測器經(jīng)暫時的失效，光源消失一段時間后探測器又恢復(fù)原有性能。這里將這種損傷機制稱之為強光飽和型失效機制。硬損傷是由于光源功率過大使探測器造成不可恢復(fù)性的損傷。硬損傷由于激光損傷應(yīng)力不同又分為熱學(xué)效應(yīng)損傷和力學(xué)效應(yīng)損傷。其中由熱學(xué)效應(yīng)損傷可分為：熱損傷機制、缺陷型損傷機制和電子雪崩型損傷機制。由力學(xué)效應(yīng)損傷主要有自聚焦型損傷機制、多光子電離型損傷機制[5]。

1.2 干擾致盲方程的建立過程

本文設(shè)計了一個用來測量光電探測器激光損傷閾值的實驗方案，實驗方案如圖4所示。實驗采用波長為1 064 nm的Nd：YAG激光器，TEM00模型，輸出功率為50 mJ，脈沖寬度為18.2 ns，重復(fù)頻率為800 MHz激光。樣品探測器選用德國Menlosystem公司的FPD310，PIN光電二極管。光譜響應(yīng)范圍為850～1 650 nm，最大入射功率為2 mW，探測器最大接收頻率為1.8 GHz。

實驗中保持入射光功率不變，通過調(diào)節(jié)衰減片的衰減系數(shù)，模擬無線光通信中大氣對長距離對激光能量的衰減。分束透鏡和能量計可以對入射激光能量進行實時監(jiān)測。實驗主要通過示波器的觀測的數(shù)據(jù)變化判斷探測是否進入飽和或深度飽和狀態(tài)。用He?Ne激光實時監(jiān)控，防止功率過大激光對探測器的熱應(yīng)力損傷。圖5為試驗實物的實際測試現(xiàn)場。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 損傷閾值

經(jīng)實驗得出：當(dāng)衰減系數(shù)為60 dB時，此時激光器峰峰值電壓為40 mV，探測器的光功率密度為0.64 μJ/cm2，經(jīng)示波器觀測探測器輸出峰峰值為420 mV。當(dāng)衰減系數(shù)為45 dB時，激光器峰峰值電壓為60 mV，探測器的光功率密度為20.1 μJ/cm2，示波器觀測探測器達到最大輸出電壓輸出峰峰值為3 800 mV。當(dāng)衰減系數(shù)為35 dB時，此時激光器峰峰值電壓為80 mV，探測器的光功率密度為201.3 μJ/cm2，經(jīng)示波器觀測探測器輸出峰峰值為4 000 mV，示波器顯示接收脈沖出現(xiàn)展寬現(xiàn)象，展寬幅度約200%，展寬現(xiàn)象如圖6所示，展寬時輸出眼圖如圖7所示。此時，滿足不了通信條件，出現(xiàn)碼間串?dāng)_現(xiàn)象，無法提取有效信息，探測器達到測試閾值。衰減系數(shù)和探測器峰峰值統(tǒng)計結(jié)果見表1。

4 結(jié) 論

綜合以上實驗結(jié)果及分析，得出以下結(jié)論：對于天基干擾致盲，使用半導(dǎo)體激光器就能實現(xiàn)致盲效果；當(dāng)激光器功率大于探測器接收閾值時，探測器出現(xiàn)脈寬展寬現(xiàn)象，該現(xiàn)象出現(xiàn)碼間串?dāng)_。無法正常通信；激光束散角越小，致盲距離越短，輻照面與接收面夾角越小，對干擾致盲激光器的功率要求越低。

參考文獻

[1] 付偉.國外激光反衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展綜述[J].激光技術(shù)，2001，25（2）：158?161.

[2] KARAS T H， CALLAHAM M， DALBELLO R， et al. Anti?satellite weapons， countermeasures， and arms control [M]. Washington DC： Office of TechnologyAssessment， 1985.

[3] HEMMATI H. Near?earth laser communications [M]. USA： CRC Press， 2009.

[4] BENNETT H E， GUENTHER A H. Laser induced damage in optical material [M]. UAS： ASTM International， 1985.

[5] 付偉，侯振寧.激光致盲武器的工作原理與系統(tǒng)構(gòu)成[J].航天電子對抗，2000（4）：41?45.

[6] 李海燕.激光主動干擾系統(tǒng)作用距離的估算方法[J].激光與紅外，2011，41（4）：416?420.

[7] 姜會林，佟首峰.空間激光通信技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[8] 付小寧，王炳健，王荻.光電定位與光電對抗[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[9] 李曉峰.星地激光通信鏈路原理與技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[10] 王海晏.光電技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[11] 陸紅強，王拉虎，李陽，等.空間激光通信中孔徑平均效應(yīng)的計算仿真[J].應(yīng)用光學(xué)，2012，33（3）：619?623.

[12] 王剛，高天元.移動式無線激光通信基臺結(jié)構(gòu)與裝調(diào)研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2012，33（2）：437?440.

摘 要： 研究自由光通信中PIN探測器在1 064 nm波長下的閾值特性。為了觀察PIN光電探測器的激光損傷閾值對光通信的影響，利用[Nd：]YAG激光器、衰減器、示波器和PIN探測器等儀器模擬無線空間光通信系統(tǒng)。實驗以PIN探測器在1 064 nm波段為樣本。通過調(diào)整衰減器的衰減系數(shù)，從而觀察探測器達到強光飽和時通信波形的眼圖變化，判斷探測器是否能夠繼續(xù)通信。通過實驗發(fā)現(xiàn)：探測器達到深度飽和時，系統(tǒng)通信出現(xiàn)脈寬展寬現(xiàn)象，并出現(xiàn)嚴(yán)重的碼間串?dāng)_無法滿足通信指標(biāo)。通過實驗閾值，建立空間數(shù)學(xué)模型。觀察距離、束散角和輻照夾角對致盲激光器功率的影響。

關(guān)鍵詞： PIN探測器； 強光飽和； 碼間串?dāng)_； 數(shù)學(xué)模型

中圖分類號： TN929.1?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0012?04

0 引 言

1997年10月美國在白沙導(dǎo)彈靶場測試，采用中紅外先進MIRACL和LPCL進行激光照射衛(wèi)星探測器實驗[1]，該實驗使人們認(rèn)識到低能激光的優(yōu)勢。然而，光電探測器接收光功率非常低，所以當(dāng)光功率過大時可能造成探測器永久性“失明”[2]。

目前無線光通信主要應(yīng)用在800 nm、1 064 nm和1 550 nm三個波段[3]，常用探測器光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD）。1 064 nm通信元器件國內(nèi)相對成熟，固本課題以PIN探測器在1 064 nm波段為樣本，研究當(dāng)探測器達到臨界飽和功率時的接收現(xiàn)象，并判斷能否符合通信要求。通過實驗建立數(shù)學(xué)模型，考慮在臨近空間致盲打擊的可實現(xiàn)性。

1 致盲理論分析

1.1 PIN探測器的損傷機制

激光對光電探測器的損傷分為軟損傷和硬損傷兩類[4]。顧名思義，軟損傷即當(dāng)有光照射時探測器經(jīng)暫時的失效，光源消失一段時間后探測器又恢復(fù)原有性能。這里將這種損傷機制稱之為強光飽和型失效機制。硬損傷是由于光源功率過大使探測器造成不可恢復(fù)性的損傷。硬損傷由于激光損傷應(yīng)力不同又分為熱學(xué)效應(yīng)損傷和力學(xué)效應(yīng)損傷。其中由熱學(xué)效應(yīng)損傷可分為：熱損傷機制、缺陷型損傷機制和電子雪崩型損傷機制。由力學(xué)效應(yīng)損傷主要有自聚焦型損傷機制、多光子電離型損傷機制[5]。

1.2 干擾致盲方程的建立過程

本文設(shè)計了一個用來測量光電探測器激光損傷閾值的實驗方案，實驗方案如圖4所示。實驗采用波長為1 064 nm的Nd：YAG激光器，TEM00模型，輸出功率為50 mJ，脈沖寬度為18.2 ns，重復(fù)頻率為800 MHz激光。樣品探測器選用德國Menlosystem公司的FPD310，PIN光電二極管。光譜響應(yīng)范圍為850～1 650 nm，最大入射功率為2 mW，探測器最大接收頻率為1.8 GHz。

實驗中保持入射光功率不變，通過調(diào)節(jié)衰減片的衰減系數(shù)，模擬無線光通信中大氣對長距離對激光能量的衰減。分束透鏡和能量計可以對入射激光能量進行實時監(jiān)測。實驗主要通過示波器的觀測的數(shù)據(jù)變化判斷探測是否進入飽和或深度飽和狀態(tài)。用He?Ne激光實時監(jiān)控，防止功率過大激光對探測器的熱應(yīng)力損傷。圖5為試驗實物的實際測試現(xiàn)場。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 損傷閾值

經(jīng)實驗得出：當(dāng)衰減系數(shù)為60 dB時，此時激光器峰峰值電壓為40 mV，探測器的光功率密度為0.64 μJ/cm2，經(jīng)示波器觀測探測器輸出峰峰值為420 mV。當(dāng)衰減系數(shù)為45 dB時，激光器峰峰值電壓為60 mV，探測器的光功率密度為20.1 μJ/cm2，示波器觀測探測器達到最大輸出電壓輸出峰峰值為3 800 mV。當(dāng)衰減系數(shù)為35 dB時，此時激光器峰峰值電壓為80 mV，探測器的光功率密度為201.3 μJ/cm2，經(jīng)示波器觀測探測器輸出峰峰值為4 000 mV，示波器顯示接收脈沖出現(xiàn)展寬現(xiàn)象，展寬幅度約200%，展寬現(xiàn)象如圖6所示，展寬時輸出眼圖如圖7所示。此時，滿足不了通信條件，出現(xiàn)碼間串?dāng)_現(xiàn)象，無法提取有效信息，探測器達到測試閾值。衰減系數(shù)和探測器峰峰值統(tǒng)計結(jié)果見表1。

4 結(jié) 論

綜合以上實驗結(jié)果及分析，得出以下結(jié)論：對于天基干擾致盲，使用半導(dǎo)體激光器就能實現(xiàn)致盲效果；當(dāng)激光器功率大于探測器接收閾值時，探測器出現(xiàn)脈寬展寬現(xiàn)象，該現(xiàn)象出現(xiàn)碼間串?dāng)_。無法正常通信；激光束散角越小，致盲距離越短，輻照面與接收面夾角越小，對干擾致盲激光器的功率要求越低。

參考文獻

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[7] 姜會林，佟首峰.空間激光通信技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[8] 付小寧，王炳健，王荻.光電定位與光電對抗[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[9] 李曉峰.星地激光通信鏈路原理與技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[10] 王海晏.光電技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[11] 陸紅強，王拉虎，李陽，等.空間激光通信中孔徑平均效應(yīng)的計算仿真[J].應(yīng)用光學(xué)，2012，33（3）：619?623.

[12] 王剛，高天元.移動式無線激光通信基臺結(jié)構(gòu)與裝調(diào)研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2012，33（2）：437?440.

摘 要： 研究自由光通信中PIN探測器在1 064 nm波長下的閾值特性。為了觀察PIN光電探測器的激光損傷閾值對光通信的影響，利用[Nd：]YAG激光器、衰減器、示波器和PIN探測器等儀器模擬無線空間光通信系統(tǒng)。實驗以PIN探測器在1 064 nm波段為樣本。通過調(diào)整衰減器的衰減系數(shù)，從而觀察探測器達到強光飽和時通信波形的眼圖變化，判斷探測器是否能夠繼續(xù)通信。通過實驗發(fā)現(xiàn)：探測器達到深度飽和時，系統(tǒng)通信出現(xiàn)脈寬展寬現(xiàn)象，并出現(xiàn)嚴(yán)重的碼間串?dāng)_無法滿足通信指標(biāo)。通過實驗閾值，建立空間數(shù)學(xué)模型。觀察距離、束散角和輻照夾角對致盲激光器功率的影響。

關(guān)鍵詞： PIN探測器； 強光飽和； 碼間串?dāng)_； 數(shù)學(xué)模型

中圖分類號： TN929.1?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0012?04

0 引 言

1997年10月美國在白沙導(dǎo)彈靶場測試，采用中紅外先進MIRACL和LPCL進行激光照射衛(wèi)星探測器實驗[1]，該實驗使人們認(rèn)識到低能激光的優(yōu)勢。然而，光電探測器接收光功率非常低，所以當(dāng)光功率過大時可能造成探測器永久性“失明”[2]。

目前無線光通信主要應(yīng)用在800 nm、1 064 nm和1 550 nm三個波段[3]，常用探測器光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD）。1 064 nm通信元器件國內(nèi)相對成熟，固本課題以PIN探測器在1 064 nm波段為樣本，研究當(dāng)探測器達到臨界飽和功率時的接收現(xiàn)象，并判斷能否符合通信要求。通過實驗建立數(shù)學(xué)模型，考慮在臨近空間致盲打擊的可實現(xiàn)性。

1 致盲理論分析

1.1 PIN探測器的損傷機制

激光對光電探測器的損傷分為軟損傷和硬損傷兩類[4]。顧名思義，軟損傷即當(dāng)有光照射時探測器經(jīng)暫時的失效，光源消失一段時間后探測器又恢復(fù)原有性能。這里將這種損傷機制稱之為強光飽和型失效機制。硬損傷是由于光源功率過大使探測器造成不可恢復(fù)性的損傷。硬損傷由于激光損傷應(yīng)力不同又分為熱學(xué)效應(yīng)損傷和力學(xué)效應(yīng)損傷。其中由熱學(xué)效應(yīng)損傷可分為：熱損傷機制、缺陷型損傷機制和電子雪崩型損傷機制。由力學(xué)效應(yīng)損傷主要有自聚焦型損傷機制、多光子電離型損傷機制[5]。

1.2 干擾致盲方程的建立過程

本文設(shè)計了一個用來測量光電探測器激光損傷閾值的實驗方案，實驗方案如圖4所示。實驗采用波長為1 064 nm的Nd：YAG激光器，TEM00模型，輸出功率為50 mJ，脈沖寬度為18.2 ns，重復(fù)頻率為800 MHz激光。樣品探測器選用德國Menlosystem公司的FPD310，PIN光電二極管。光譜響應(yīng)范圍為850～1 650 nm，最大入射功率為2 mW，探測器最大接收頻率為1.8 GHz。

實驗中保持入射光功率不變，通過調(diào)節(jié)衰減片的衰減系數(shù)，模擬無線光通信中大氣對長距離對激光能量的衰減。分束透鏡和能量計可以對入射激光能量進行實時監(jiān)測。實驗主要通過示波器的觀測的數(shù)據(jù)變化判斷探測是否進入飽和或深度飽和狀態(tài)。用He?Ne激光實時監(jiān)控，防止功率過大激光對探測器的熱應(yīng)力損傷。圖5為試驗實物的實際測試現(xiàn)場。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 損傷閾值

經(jīng)實驗得出：當(dāng)衰減系數(shù)為60 dB時，此時激光器峰峰值電壓為40 mV，探測器的光功率密度為0.64 μJ/cm2，經(jīng)示波器觀測探測器輸出峰峰值為420 mV。當(dāng)衰減系數(shù)為45 dB時，激光器峰峰值電壓為60 mV，探測器的光功率密度為20.1 μJ/cm2，示波器觀測探測器達到最大輸出電壓輸出峰峰值為3 800 mV。當(dāng)衰減系數(shù)為35 dB時，此時激光器峰峰值電壓為80 mV，探測器的光功率密度為201.3 μJ/cm2，經(jīng)示波器觀測探測器輸出峰峰值為4 000 mV，示波器顯示接收脈沖出現(xiàn)展寬現(xiàn)象，展寬幅度約200%，展寬現(xiàn)象如圖6所示，展寬時輸出眼圖如圖7所示。此時，滿足不了通信條件，出現(xiàn)碼間串?dāng)_現(xiàn)象，無法提取有效信息，探測器達到測試閾值。衰減系數(shù)和探測器峰峰值統(tǒng)計結(jié)果見表1。

4 結(jié) 論

綜合以上實驗結(jié)果及分析，得出以下結(jié)論：對于天基干擾致盲，使用半導(dǎo)體激光器就能實現(xiàn)致盲效果；當(dāng)激光器功率大于探測器接收閾值時，探測器出現(xiàn)脈寬展寬現(xiàn)象，該現(xiàn)象出現(xiàn)碼間串?dāng)_。無法正常通信；激光束散角越小，致盲距離越短，輻照面與接收面夾角越小，對干擾致盲激光器的功率要求越低。

參考文獻

[1] 付偉.國外激光反衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展綜述[J].激光技術(shù)，2001，25（2）：158?161.

[2] KARAS T H， CALLAHAM M， DALBELLO R， et al. Anti?satellite weapons， countermeasures， and arms control [M]. Washington DC： Office of TechnologyAssessment， 1985.

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[4] BENNETT H E， GUENTHER A H. Laser induced damage in optical material [M]. UAS： ASTM International， 1985.

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[6] 李海燕.激光主動干擾系統(tǒng)作用距離的估算方法[J].激光與紅外，2011，41（4）：416?420.

[7] 姜會林，佟首峰.空間激光通信技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[8] 付小寧，王炳健，王荻.光電定位與光電對抗[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[9] 李曉峰.星地激光通信鏈路原理與技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[10] 王海晏.光電技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[11] 陸紅強，王拉虎，李陽，等.空間激光通信中孔徑平均效應(yīng)的計算仿真[J].應(yīng)用光學(xué)，2012，33（3）：619?623.

[12] 王剛，高天元.移動式無線激光通信基臺結(jié)構(gòu)與裝調(diào)研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2012，33（2）：437?440.