自由光通信中PIN探测器光阈值特性研究

吴菲　李洪祚　杜春梅　高海光

摘 要： 研究自由光通信中PIN探测器在1 064 nm波长下的阈值特性。为了观察PIN光电探测器的激光损伤阈值对光通信的影响，利用[Nd：]YAG激光器、衰减器、示波器和PIN探测器等仪器模拟无线空间光通信系统。实验以PIN探测器在1 064 nm波段为样本。通过调整衰减器的衰减系数，从而观察探测器达到强光饱和时通信波形的眼图变化，判断探测器是否能够继续通信。通过实验发现：探测器达到深度饱和时，系统通信出现脉宽展宽现象，并出现严重的码间串扰无法满足通信指标。通过实验阈值，建立空间数学模型。观察距离、束散角和辐照夹角对致盲激光器功率的影响。

关键词： PIN探测器； 强光饱和； 码间串扰； 数学模型

中图分类号： TN929.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0012?04

0 引 言

1997年10月美国在白沙导弹靶场测试，采用中红外先进MIRACL和LPCL进行激光照射卫星探测器实验[1]，该实验使人们认识到低能激光的优势。然而，光电探测器接收光功率非常低，所以当光功率过大时可能造成探测器永久性“失明”[2]。

目前无线光通信主要应用在800 nm、1 064 nm和1 550 nm三个波段[3]，常用探测器光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。1 064 nm通信元器件国内相对成熟，固本课题以PIN探测器在1 064 nm波段为样本，研究当探测器达到临界饱和功率时的接收现象，并判断能否符合通信要求。通过实验建立数学模型，考虑在临近空间致盲打击的可实现性。

1 致盲理论分析

1.1 PIN探测器的损伤机制

激光对光电探测器的损伤分为软损伤和硬损伤两类[4]。顾名思义，软损伤即当有光照射时探测器经暂时的失效，光源消失一段时间后探测器又恢复原有性能。这里将这种损伤机制称之为强光饱和型失效机制。硬损伤是由于光源功率过大使探测器造成不可恢复性的损伤。硬损伤由于激光损伤应力不同又分为热学效应损伤和力学效应损伤。其中由热学效应损伤可分为：热损伤机制、缺陷型损伤机制和电子雪崩型损伤机制。由力学效应损伤主要有自聚焦型损伤机制、多光子电离型损伤机制[5]。

1.2 干扰致盲方程的建立过程

本文设计了一个用来测量光电探测器激光损伤阈值的实验方案，实验方案如图4所示。实验采用波长为1 064 nm的Nd：YAG激光器，TEM00模型，输出功率为50 mJ，脉冲宽度为18.2 ns，重复频率为800 MHz激光。样品探测器选用德国Menlosystem公司的FPD310，PIN光电二极管。光谱响应范围为850～1 650 nm，最大入射功率为2 mW，探测器最大接收频率为1.8 GHz。

实验中保持入射光功率不变，通过调节衰减片的衰减系数，模拟无线光通信中大气对长距离对激光能量的衰减。分束透镜和能量计可以对入射激光能量进行实时监测。实验主要通过示波器的观测的数据变化判断探测是否进入饱和或深度饱和状态。用He?Ne激光实时监控，防止功率过大激光对探测器的热应力损伤。图5为试验实物的实际测试现场。

3 实验结果及分析

3.1 损伤阈值

经实验得出：当衰减系数为60 dB时，此时激光器峰峰值电压为40 mV，探测器的光功率密度为0.64 μJ/cm2，经示波器观测探测器输出峰峰值为420 mV。当衰减系数为45 dB时，激光器峰峰值电压为60 mV，探测器的光功率密度为20.1 μJ/cm2，示波器观测探测器达到最大输出电压输出峰峰值为3 800 mV。当衰减系数为35 dB时，此时激光器峰峰值电压为80 mV，探测器的光功率密度为201.3 μJ/cm2，经示波器观测探测器输出峰峰值为4 000 mV，示波器显示接收脉冲出现展宽现象，展宽幅度约200%，展宽现象如图6所示，展宽时输出眼图如图7所示。此时，满足不了通信条件，出现码间串扰现象，无法提取有效信息，探测器达到测试阈值。衰减系数和探测器峰峰值统计结果见表1。

4 结 论

综合以上实验结果及分析，得出以下结论：对于天基干扰致盲，使用半导体激光器就能实现致盲效果；当激光器功率大于探测器接收阈值时，探测器出现脉宽展宽现象，该现象出现码间串扰。无法正常通信；激光束散角越小，致盲距离越短，辐照面与接收面夹角越小，对干扰致盲激光器的功率要求越低。

参考文献

[1] 付伟.国外激光反卫星技术发展综述[J].激光技术，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] 付伟，侯振宁.激光致盲武器的工作原理与系统构成[J].航天电子对抗，2000（4）：41?45.

[6] 李海燕.激光主动干扰系统作用距离的估算方法[J].激光与红外，2011，41（4）：416?420.

[7] 姜会林，佟首峰.空间激光通信技术与系统[M].北京：国防工业出版社，2011.

[8] 付小宁，王炳健，王荻.光电定位与光电对抗[M].北京：电子工业出版社，2012.

[9] 李晓峰.星地激光通信链路原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2007.

[10] 王海晏.光电技术原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2007.

[11] 陆红强，王拉虎，李阳，等.空间激光通信中孔径平均效应的计算仿真[J].应用光学，2012，33（3）：619?623.

[12] 王刚，高天元.移动式无线激光通信基台结构与装调研究[J].应用光学，2012，33（2）：437?440.

摘 要： 研究自由光通信中PIN探测器在1 064 nm波长下的阈值特性。为了观察PIN光电探测器的激光损伤阈值对光通信的影响，利用[Nd：]YAG激光器、衰减器、示波器和PIN探测器等仪器模拟无线空间光通信系统。实验以PIN探测器在1 064 nm波段为样本。通过调整衰减器的衰减系数，从而观察探测器达到强光饱和时通信波形的眼图变化，判断探测器是否能够继续通信。通过实验发现：探测器达到深度饱和时，系统通信出现脉宽展宽现象，并出现严重的码间串扰无法满足通信指标。通过实验阈值，建立空间数学模型。观察距离、束散角和辐照夹角对致盲激光器功率的影响。

关键词： PIN探测器； 强光饱和； 码间串扰； 数学模型

中图分类号： TN929.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0012?04

0 引 言

1997年10月美国在白沙导弹靶场测试，采用中红外先进MIRACL和LPCL进行激光照射卫星探测器实验[1]，该实验使人们认识到低能激光的优势。然而，光电探测器接收光功率非常低，所以当光功率过大时可能造成探测器永久性“失明”[2]。

目前无线光通信主要应用在800 nm、1 064 nm和1 550 nm三个波段[3]，常用探测器光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。1 064 nm通信元器件国内相对成熟，固本课题以PIN探测器在1 064 nm波段为样本，研究当探测器达到临界饱和功率时的接收现象，并判断能否符合通信要求。通过实验建立数学模型，考虑在临近空间致盲打击的可实现性。

1 致盲理论分析

1.1 PIN探测器的损伤机制

激光对光电探测器的损伤分为软损伤和硬损伤两类[4]。顾名思义，软损伤即当有光照射时探测器经暂时的失效，光源消失一段时间后探测器又恢复原有性能。这里将这种损伤机制称之为强光饱和型失效机制。硬损伤是由于光源功率过大使探测器造成不可恢复性的损伤。硬损伤由于激光损伤应力不同又分为热学效应损伤和力学效应损伤。其中由热学效应损伤可分为：热损伤机制、缺陷型损伤机制和电子雪崩型损伤机制。由力学效应损伤主要有自聚焦型损伤机制、多光子电离型损伤机制[5]。

1.2 干扰致盲方程的建立过程

本文设计了一个用来测量光电探测器激光损伤阈值的实验方案，实验方案如图4所示。实验采用波长为1 064 nm的Nd：YAG激光器，TEM00模型，输出功率为50 mJ，脉冲宽度为18.2 ns，重复频率为800 MHz激光。样品探测器选用德国Menlosystem公司的FPD310，PIN光电二极管。光谱响应范围为850～1 650 nm，最大入射功率为2 mW，探测器最大接收频率为1.8 GHz。

实验中保持入射光功率不变，通过调节衰减片的衰减系数，模拟无线光通信中大气对长距离对激光能量的衰减。分束透镜和能量计可以对入射激光能量进行实时监测。实验主要通过示波器的观测的数据变化判断探测是否进入饱和或深度饱和状态。用He?Ne激光实时监控，防止功率过大激光对探测器的热应力损伤。图5为试验实物的实际测试现场。

3 实验结果及分析

3.1 损伤阈值

经实验得出：当衰减系数为60 dB时，此时激光器峰峰值电压为40 mV，探测器的光功率密度为0.64 μJ/cm2，经示波器观测探测器输出峰峰值为420 mV。当衰减系数为45 dB时，激光器峰峰值电压为60 mV，探测器的光功率密度为20.1 μJ/cm2，示波器观测探测器达到最大输出电压输出峰峰值为3 800 mV。当衰减系数为35 dB时，此时激光器峰峰值电压为80 mV，探测器的光功率密度为201.3 μJ/cm2，经示波器观测探测器输出峰峰值为4 000 mV，示波器显示接收脉冲出现展宽现象，展宽幅度约200%，展宽现象如图6所示，展宽时输出眼图如图7所示。此时，满足不了通信条件，出现码间串扰现象，无法提取有效信息，探测器达到测试阈值。衰减系数和探测器峰峰值统计结果见表1。

4 结 论

综合以上实验结果及分析，得出以下结论：对于天基干扰致盲，使用半导体激光器就能实现致盲效果；当激光器功率大于探测器接收阈值时，探测器出现脉宽展宽现象，该现象出现码间串扰。无法正常通信；激光束散角越小，致盲距离越短，辐照面与接收面夹角越小，对干扰致盲激光器的功率要求越低。

参考文献

[1] 付伟.国外激光反卫星技术发展综述[J].激光技术，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] 付伟，侯振宁.激光致盲武器的工作原理与系统构成[J].航天电子对抗，2000（4）：41?45.

[6] 李海燕.激光主动干扰系统作用距离的估算方法[J].激光与红外，2011，41（4）：416?420.

[7] 姜会林，佟首峰.空间激光通信技术与系统[M].北京：国防工业出版社，2011.

[8] 付小宁，王炳健，王荻.光电定位与光电对抗[M].北京：电子工业出版社，2012.

[9] 李晓峰.星地激光通信链路原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2007.

[10] 王海晏.光电技术原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2007.

[11] 陆红强，王拉虎，李阳，等.空间激光通信中孔径平均效应的计算仿真[J].应用光学，2012，33（3）：619?623.

[12] 王刚，高天元.移动式无线激光通信基台结构与装调研究[J].应用光学，2012，33（2）：437?440.

摘 要： 研究自由光通信中PIN探测器在1 064 nm波长下的阈值特性。为了观察PIN光电探测器的激光损伤阈值对光通信的影响，利用[Nd：]YAG激光器、衰减器、示波器和PIN探测器等仪器模拟无线空间光通信系统。实验以PIN探测器在1 064 nm波段为样本。通过调整衰减器的衰减系数，从而观察探测器达到强光饱和时通信波形的眼图变化，判断探测器是否能够继续通信。通过实验发现：探测器达到深度饱和时，系统通信出现脉宽展宽现象，并出现严重的码间串扰无法满足通信指标。通过实验阈值，建立空间数学模型。观察距离、束散角和辐照夹角对致盲激光器功率的影响。

关键词： PIN探测器； 强光饱和； 码间串扰； 数学模型

中图分类号： TN929.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0012?04

0 引 言

1997年10月美国在白沙导弹靶场测试，采用中红外先进MIRACL和LPCL进行激光照射卫星探测器实验[1]，该实验使人们认识到低能激光的优势。然而，光电探测器接收光功率非常低，所以当光功率过大时可能造成探测器永久性“失明”[2]。

目前无线光通信主要应用在800 nm、1 064 nm和1 550 nm三个波段[3]，常用探测器光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。1 064 nm通信元器件国内相对成熟，固本课题以PIN探测器在1 064 nm波段为样本，研究当探测器达到临界饱和功率时的接收现象，并判断能否符合通信要求。通过实验建立数学模型，考虑在临近空间致盲打击的可实现性。

1 致盲理论分析

1.1 PIN探测器的损伤机制

激光对光电探测器的损伤分为软损伤和硬损伤两类[4]。顾名思义，软损伤即当有光照射时探测器经暂时的失效，光源消失一段时间后探测器又恢复原有性能。这里将这种损伤机制称之为强光饱和型失效机制。硬损伤是由于光源功率过大使探测器造成不可恢复性的损伤。硬损伤由于激光损伤应力不同又分为热学效应损伤和力学效应损伤。其中由热学效应损伤可分为：热损伤机制、缺陷型损伤机制和电子雪崩型损伤机制。由力学效应损伤主要有自聚焦型损伤机制、多光子电离型损伤机制[5]。

1.2 干扰致盲方程的建立过程

本文设计了一个用来测量光电探测器激光损伤阈值的实验方案，实验方案如图4所示。实验采用波长为1 064 nm的Nd：YAG激光器，TEM00模型，输出功率为50 mJ，脉冲宽度为18.2 ns，重复频率为800 MHz激光。样品探测器选用德国Menlosystem公司的FPD310，PIN光电二极管。光谱响应范围为850～1 650 nm，最大入射功率为2 mW，探测器最大接收频率为1.8 GHz。

实验中保持入射光功率不变，通过调节衰减片的衰减系数，模拟无线光通信中大气对长距离对激光能量的衰减。分束透镜和能量计可以对入射激光能量进行实时监测。实验主要通过示波器的观测的数据变化判断探测是否进入饱和或深度饱和状态。用He?Ne激光实时监控，防止功率过大激光对探测器的热应力损伤。图5为试验实物的实际测试现场。

3 实验结果及分析

3.1 损伤阈值

经实验得出：当衰减系数为60 dB时，此时激光器峰峰值电压为40 mV，探测器的光功率密度为0.64 μJ/cm2，经示波器观测探测器输出峰峰值为420 mV。当衰减系数为45 dB时，激光器峰峰值电压为60 mV，探测器的光功率密度为20.1 μJ/cm2，示波器观测探测器达到最大输出电压输出峰峰值为3 800 mV。当衰减系数为35 dB时，此时激光器峰峰值电压为80 mV，探测器的光功率密度为201.3 μJ/cm2，经示波器观测探测器输出峰峰值为4 000 mV，示波器显示接收脉冲出现展宽现象，展宽幅度约200%，展宽现象如图6所示，展宽时输出眼图如图7所示。此时，满足不了通信条件，出现码间串扰现象，无法提取有效信息，探测器达到测试阈值。衰减系数和探测器峰峰值统计结果见表1。

4 结 论

综合以上实验结果及分析，得出以下结论：对于天基干扰致盲，使用半导体激光器就能实现致盲效果；当激光器功率大于探测器接收阈值时，探测器出现脉宽展宽现象，该现象出现码间串扰。无法正常通信；激光束散角越小，致盲距离越短，辐照面与接收面夹角越小，对干扰致盲激光器的功率要求越低。

参考文献

[1] 付伟.国外激光反卫星技术发展综述[J].激光技术，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] 付伟，侯振宁.激光致盲武器的工作原理与系统构成[J].航天电子对抗，2000（4）：41?45.

[6] 李海燕.激光主动干扰系统作用距离的估算方法[J].激光与红外，2011，41（4）：416?420.

[7] 姜会林，佟首峰.空间激光通信技术与系统[M].北京：国防工业出版社，2011.

[8] 付小宁，王炳健，王荻.光电定位与光电对抗[M].北京：电子工业出版社，2012.

[9] 李晓峰.星地激光通信链路原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2007.

[10] 王海晏.光电技术原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2007.

[11] 陆红强，王拉虎，李阳，等.空间激光通信中孔径平均效应的计算仿真[J].应用光学，2012，33（3）：619?623.

[12] 王刚，高天元.移动式无线激光通信基台结构与装调研究[J].应用光学，2012，33（2）：437?440.