一种差分光电探测装置及光电测试系统的制作方法

本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种差分光电探测装置及光电测试系统。

背景技术：

在激光测试等技术中经常需要对激光进行调制，如法拉旋光角的测试、Bell-Bloom光磁共振测试等，测试过程中为得到测试所需的光电流信号，需要对同束激光进行差分处理以实现光电探测。目前光电探测器通常是先对同束激光进行差分，再由放大电路转换为电压信号并进行放大，其中放大电路中反馈电阻值设置为较小值，则整个光电探测器的带宽较小。而在测试过程中通常对调制的频率要求较高，比如光磁共振实验，如果激光的调制频率达不到磁场对应的共振频率，则实验现象就无法产生，又如Bell-Bloom光磁共振实验，在地磁约50000nT的情况下，铯原子对应的共振频率约为175K，而为了满足较高的频率需求，则要求光电探测需要具备较高的带宽，上述低带宽的光电探测器无法满足高频调制激光测试等的高带宽需求。

为了提高上述光电探测器的带宽，目前有效的解决方法就是通过设置反馈电阻使得其中的放大电路具备较高的带宽，即为放电电路配置较大的反馈电阻，但是当反馈电阻值比较大时，又会产生以下问题：

1)系统输出信号不稳定，会产生谐振信号而影响有效信号的输出；

2)由于反馈电阻值较大，提高放大器放大倍数的同时也会放大噪声信号，极大的影响了系统输出信号的质量。

中国专利申请201210387443.1公开一种高共模抑制比的光电差分探测器，包括两个光电二极管、差分微调电路以及跨阻放大电路，通过调节差分微调电路使得两个光电二极管D21和D22的光电流响应速度高度相近或者相等，以提高两个光电探测器差分情况下的一致性，从而提高共模抑制比。但是该光电差分探测器直接使用跨阻放大电路，且在放大器前端设置电阻，因而使用时跨阻阻值必须设置为较小值，仅能用于低频率信号的应用中，且对于高频信号，放大器前端的电阻和光电二极管组合会产生振荡，影响系统信号的稳定性，即无法适用于高频激光信号的应用中，整个探测器的带宽非常窄。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、兼具高带宽、低噪声以及稳定性高的差分光电探测装置及光电测试系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种差分光电探测装置，包括相互连接的差分模块、放大模块，所述差分模块接入两路光信号进行差分运算，输出光电流信号，所述放大模块接入所述差分模块输出的光电流信号，转换为电压信号并进行放大后输出，其特征在于：还包括设置在所述放大模块输出端的输出滤波模块，所述输出滤波模块将所述放大模块输出信号中的高频噪声信号滤除，或将所述放大模块输出信号中高频噪声信号以及谐振信号滤除，输出最终的探测信号。

作为本发明装置的进一步改进，所述输出滤波模块包括低通滤波电路。

作为本发明装置的进一步改进，所述低通滤波电路为可调输出低通滤波电路，通过调节所述可调输出低通滤波电路的输出，以控制滤除所需的谐振信号、高频噪声信号。

作为本发明装置的进一步改进，所述输出滤波模块具体为可调输出滤波电路，通过调节所述可调输出滤波电路的输出，以控制滤除所需的谐振信号、高频噪声信号。

作为本发明装置的进一步改进，所述放大模块还包括连接在所述放大器电路单元两端的谐振消除电路单元，用于形成反馈回路以消除所述放大器电路单元输出信号中的谐振信号。

作为本发明装置的进一步改进，所述谐振消除电路单元具体为由多个电容构成的T型电容网络结构，通过调节所述T型电容网络结构的输出电容值以消除所需的谐振信号。

作为本发明装置的进一步改进，所述T型电容网络结构具体包括第一电容C1、第二电容C2以及可调电容C3，所述第一电容C1、所述第二电容C2的一端分别连接所述可调电容C3，所述第一电容C1的另一端连接所述放大模块的输入端，所述第二电容C2的另一端连接至所述放大模块的输出端，以形成T型网络结构，通过调节所述可调电容C3的电容值以消除所需的谐振信号。

作为本发明装置的进一步改进，所述差分模块包括由两个光电二极管串接构成的差分平衡电路，所述差分平衡电路当两个所述光电二极管接收到的光强不同时，产生光电流信号输出。

作为本发明装置的进一步改进，所述放大模块包括放大器电路单元以及并联在所述放大器电路单元两端的反馈电路单元，所述反馈电路单元包括反馈电阻Rf；所述反馈电阻Rf为可调电阻。

本发明进一步公开一种光电测试系统，包括依次连接的声光产生装置、上述差分光电探测装置以及解调模块，所述声光产生装置产生所需的两路光信号，输出给所述差分光电探测装置，经所述差分光电探测装置输出最终的探测信号后，输出给所述解调模块，所述解调模块接收所述差分光电探测装置输出的探测信号进行解调，输出解调后信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明差分光电探测装置，通过在放大模块输出端设置输出滤波模块，使得当提高放大模块带宽时，可以通过输出端的输出滤波模块将由于提高放大模块带宽而产生的谐振信号、高频噪声信号滤除，从而可以有效提高装置的带宽，同时解决产生的谐振、噪声影响问题，实现兼具高带宽、低噪声、无谐振以及高稳定性的光电探测，能够满足高频调制激光测试等的高带宽需求；

2)本发明差分光电探测装置，进一步通过使用低通滤波器滤除高频噪声信号、谐振信号，以消除谐振信号、噪声信号对有效信号的影响，结构简单、实现成本低，能够进一步降低装置的结构复杂度以及实现成本；

3)本发明差分光电探测装置，进一步在放大模块的输出端设置输出滤波模块的基础上，在放大器电路单元的反馈两端设置谐振消除电路单元，由放大模块内部的谐振消除电路单元来消除产生的谐振信号，能够进一步消除由于提高带宽而产生的谐振问题，从而提高装置带宽的同时，能够尽可能的减少谐振影响问题，提高装置的稳定性能。

附图说明

图1是本实施例差分光电探测装置的结构示意图。

图2是本实施例差分光电探测装置的具体电路结构示意图。

图3是本实施例光电测试系统的结构示意图。

图4是本实施例光电测试系统的具体结构示意图。

图例说明：1、差分模块；2、放大模块；21、放大器电路单元；22、反馈电路单元；23、谐振消除电路单元；3、输出滤波模块。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例差分光电探测装置包括相互连接的差分模块1、放大模块2，差分模块1接入两路光信号进行差分运算，输出光电流信号，放大模块2接入差分模块1输出的光电流信号，转换为电压信号并进行放大后输出，还包括设置在放大模块2输出端的输出滤波模块3，输出滤波模块3将放大模块2输出信号中的谐振信号、高频噪声信号滤除，输出最终的探测信号。

本实施例上述差分光电探测装置，通过在放大模块2输出端设置输出滤波模块3，使得当提高放大模块2带宽时，可以通过输出端的输出滤波模块3将由于提高放大模块2带宽而产生的谐振信号、高频噪声信号滤除，从而可以有效提高装置的带宽，同时解决产生的谐振、噪声影响问题，实现兼具高带宽、低噪声、无谐振以及高稳定性的光电探测，能够满足高频调制激光测试等的高带宽、低噪声需求。

如图2所示，本实施例，差分模块1包括由两个光电二极管(光电二极管D1、D2)串接构成的差分平衡电路，光电二极管D1、D2分别连接电源电压VDD，差分平衡电路当两个光电二极管接收到的光强不同时，产生光电流信号输出。差分平衡电路具体检测两个二极管接收光强之间的强弱关系，差分端输出与强弱关系成比例的电流信号，其中当两个二极管接收的光强相同时，流过两个二极管的电流大小相同，差分输出端无输出电流；当两个二极管接收到的光强不同时，差分输出端输出经过差分运算的光电流信号，且当二极管D1接收的光强强于二极管D2时，差分输出端为两个二极管电流相减后的正向电流，当D1接收的光强弱于D2时，差分电路输出端为两个二极管电流相减后的反向电流。

本实施例中，放大模块2包括放大器电路单元21以及并联在放大器电路单元21两端的反馈电路单元22，反馈电路单元22包括反馈电阻Rf，放大器电路单元21具体采用实现I-V放大的放大器A，将差分模块1检测到的光电流转化成电压信号并进行放大，放大器A输出端与负输入端并联连接反馈电阻Rf。放大模块2的带宽由反馈电阻Rf的阻值确定，反馈电阻Rf的阻值较小时对应放大模块2的带宽小，反馈电阻Rf的阻值较大时对应放大模块2的带宽大，本实施例反馈电阻Rf具体为可调电阻，通过设置可调反馈电阻，使得可以根据实际需求调节放大模块2的带宽大小，从而可适用于不同带宽需求应用中。当反馈电阻Rf的阻值较大时，放大器A输出信号会产生谐振信号，且会放大噪声信号，本实施例通过在输出端设置输出滤波模块3，使得可以使用较大阻值的反馈电阻Rf以提高装置的带宽，同时由输出滤波模块3可以将由于使用大阻值的反馈电阻Rf而产生的谐振信号、高频噪声信号滤除，保证装置高带宽以及稳定性。

本实施例中输出滤波模块3包括低通滤波电路，具体采用由电阻R与电容C4构成的RC无源低通滤波器，即通过一个无源低通滤波器滤除高频噪声信号、谐振信号，以消除谐振信号、噪声信号对有效信号的影响，结构简单、实现成本低，从而进一步降低装置的结构复杂度以及实现成本，且能够有效实现谐振信号、噪声信号的滤除，从而进一步提高装置的高带宽、低噪声性能。

当配置低通滤波电路滤除高频噪声信号时，低通滤波电路中电阻R和电容C4具体根据所需有用信号的频率确定，本实施例中具体按照使低通滤波电路的截止频率大于有效信号频率的设置条件，有效信号的频率即为光电探测装置所需探测激光的调制频率，以使得将有效信号频率高的噪声给滤除，从而降低高频噪声对有效信号的影响，其中低通滤波器的截止频率fRC为：

由上述式(1)以及设置条件即可配置所需的电阻R的阻值以及电容C4的电容值，配置时优选的电阻R值尽可能取小值，以避免阻值过大会影响放大模块2的输出电压而影响整个探测装置的性能。

当配置低通滤波电路滤除谐振信号时，由于放大模块2产生的谐振信号通常是有效信号的十倍频，本实施例具体根据有效信号的频率以及谐振信号的上述特性，确定低通滤波电路所需滤除信号的频段，由确定的频段配置电阻R和电容C4，使得可以滤除谐振信号。

当配置低通滤波电路同时滤除高频噪声信号、谐振信号时，由上述式(1)、设置条件以及谐振信号的特性共同确定电阻R和电容C4的取值，以使得能够同时滤除高频噪声信号、谐振信号。

在具体实施例中，低通滤波电路可以配置为可调输出低通滤波电路，通过调节可调输出低通滤波电路的输出，以控制滤除所需的谐振信号、高频噪声信号。不同测试应用中所需的信号频率、带宽需求不同，本实施例通过设置可调输出低通滤波电路，可以根据实际需求调节装置的带宽，同时调节所需滤除的谐振信号、高频噪声信号，从而可以适用于不同信号频率、带宽需求的应用中。

可调输出低通滤波电路具体可以采用以下两种结构：

第一种结构：可调输出低通滤波电路由可调电阻单元以及可调电容单元连接构成，可调电阻单元包括串联或并联或串并联连接的多个电阻，各电阻对应连接有控制开关，通过控制开关控制接入各电阻以调节输出电阻值，电容单元包括串联或并联或串并联连接的多个电容，各电容对应连接有控制开关，通过控制开关控制接入各电容以调节输出电容值。当然在其他实施例中可调电阻单元还可以采用可调电阻，可调电容单元还可以采用可调电容等。

第二种结构：可调输出低通滤波电路由多个低通滤波器串联、并联或串并联连接，，通过控制接入各低通滤波器控制调节所需滤除的信号。

可调输出低通滤波电路可根据实际需求采用上述两种结构，当然还可以采用其他结构可调低通滤波结构实现，输出滤波模块3还可以使用除低通滤波器以外的其他可调输出滤波电路。

本实施例中，放大模块2还包括连接在放大器电路单元21两端的谐振消除电路单元23，用于形成反馈回路以消除放大器电路单元21输出信号中的谐振信号。本实施例在放大模块2的输出端设置输出滤波模块3的基础上，在放大器电路单元21的反馈两端设置谐振消除电路单元23，由放大模块2内部的谐振消除电路单元23来消除产生的谐振信号，能够进一步消除由于提高带宽而产生的谐振问题，从而提高装置带宽的同时，能够尽可能的减少谐振影响问题，提高装置的稳定性能。

在其他实施例中，可以根据实际需求将输出滤波模块3仅配置为滤除放大模块2输出信号中的高频噪声信号，以减小输出滤波模块3的复杂程度，再结合配置上述谐振消除电路单元23来消除放大模块2输出信号中的谐振信号。

本实施例中，谐振消除电路单元23具体为由多个电容构成的T型电容网络结构，通过调节T型电容网络结构的输出电容值以消除所需的谐振信号。采用T型电容网络结构消除放大器电路单元21的谐振信号，实现简单且谐振消除效果好，结合T型反馈电容网络和无源低通滤波电路，能够完全的消除由放大器使用大反馈电阻时产生的谐振信号，同时由无源低通滤波电路能够有效滤除高频噪声，从而有效提高探测装置的带宽、信噪比，且使得整个装置的结构精简、易于实现，同时能够最大限度的降低制作成本。

如图2所示，本实施例中T型电容网络结构具体包括第一电容C1、第二电容C2以及可调电容C3，第一电容C1、第二电容C2的一端分别连接可调电容C3，第一电容C1的另一端连接放大器电路单元21的输入端，第二电容C2的另一端连接至放大器电路单元21的输出端，以形成T型网络结构，通过调节可调电容C3的电容值以消除所需的谐振信号，即消除使用大反馈电阻Rf而产生的谐振信号。

上述T型电容网络结构中等效反馈电容可以表示为：

本实施例差分光电探测装置由差分电路和放大电路构成，则差分光电探测装置的带宽具体为：

其中，fc为放大器电路单元21的单位增益截止频率，CD为光电二极管结电容，Cid为放大器电路单元21入的一个差分电容，且CD＞＞Cid，即Cid可以忽略不计。

由上述式(3)可知，当反馈电阻Rf在比较大的情况下，放大模块2很容易产生谐振，本实施例通过在放大器电路单元21的反馈两端设置T型电容网络结构后，通过调节反馈电容C3能够有效消除产生的谐振。

如图3所示，本实施例测试系统包括依次连接的声光产生装置、上述差分光电探测装置以及解调模块，声光产生装置产生所需的两路光信号，输出给差分光电探测装置，经差分光电探测装置输出最终的探测信号后，输出给解调模块，解调模块接收差分光电探测装置输出的探测信号进行解调，输出解调后信号。通过上述测试系统，能够实现不同光信号的测试，满足各种光测试需求。

如图4所示，本发明测试系统在具体实施例中声光产生装置包括依次连接的检测激光发射源、偏振器、声光调制器(AOM)以及偏振分光器，偏振器具体采用格兰泰勒棱镜，偏振分光器具体采用偏振分光棱镜(PBS)，检测激光发射源产生检测所需激光，激光经声光调制器调制成180KHz的方波信号后，经过偏振器起偏成偏振光，再经过偏振分光棱镜(PBS)将线偏振光分成两束光信号，该两束光信号被差分光电探测装置接收，差分光电探测装置依次经过差分模块1、放大模块2以及输出滤波模块3输出最终探测到的信号后，输出给解调装置；解调装置具体为锁相放大器，由函数发生器为声光调制器AOM和锁相放大器提供参考频率，锁相放大器分别接收差分光电探测装置的输出信号、函数发生器提供的参考信号，根据参考信号对差分光电探测装置的输出信号进行解调，得到整个系统输出信号。

本实施例上述测试系统还可以通过挡住其中一条光路，得到差分光电探测装置在180KHz调制光下的工作情状态，以验证差分光电探测装置的带宽性能。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。