试论光电检测电路在光纤干涉仪中的应用

李同进 李金果

摘 要 作为具备较高抗电磁干扰能力且灵敏度较高的相位检测仪器，近年来光纤干涉仪的应用日渐广泛化，相关研究也因此大量涌现，基于此，本文简单介绍了光纤干涉仪及其光电探测器，并结合光电检测电路设计了一种新型光纤干涉仪，通过实验仿真，可确定该设计具备较为广阔的应用前景。

关键词 光电检测；光纤干涉仪；光电转换

前言

在压力、温度、声学、微震动等物理量测量领域，光纤传感器具备较为显著的优势，但由于光电检测电路工作过程不可避免的会产生一定噪声，电路的输出、测量的精准度很容易受到影响，而为了尽可能消除这种影响，正是本文围绕光电检测电路在光纤干涉仪中应用开展具体研究的原因所在。

1 光纤干涉仪及其光电检测器

为深入了解光纤干涉仪，本节简单介绍了光纤干涉仪工作原理，并同时介绍了光电检测系统基本结构、光电探测器。

1.1 工作原理分析

在光源进入测量区载后，一部分被保留下的光会成为参考光束，使用光电检测仪叠加参考光束与返回光束，即可得到输出的光电流，设参考光束、返回光束分别为Er、Em，即可得到式（1）所示的光电流表达式，式中的为电流与能量间的转换因子，结合推导、重要参数分析，即可使用光纤干涉仪完成检测工作。

（1）

考虑到光纤干涉仪的种类较多，本文选择了Sagnac光纤干涉仪作为研究对象，双光束干涉属于Sagnac光纤干涉仪的工作原理，考虑到光电信号转换由光电探测器负责，且光电探测器性能直接影响光纤干涉仪的测量精度，因此本文研究主要围绕光纤干涉仪光电探测器的优化设计展开[1]。

1.2 光电检测系统基本结构

对于光纤干涉仪的光电检测系统来说，该系统主要由六部分组成，具体组成如下：①半导体发光器。作为产生光源的主要器件，光电检测系统离不开的半导体发光器的支持。②光信号匹配器。为实现光电探测器与待测信号光的匹配，光信号匹配器必须发挥自身效用。③光学系统器件。为赋予光束特征信息并产生光信号，能够利用各种光学效应的光学系统器件同样直接影响光电检测系统性能。④光电转换器。由于具备光信号与电信号转换能力，光电转换器直接关系着光电检测系统的检测精度和动态响应能力。⑤电信号的放大与处理器。为满足光电检测系统的各种实际应用要求，必须使用电信号的放大与处理器，以此进行微弱电信号处理。⑥微机及控制系统。系统上的信号显示需得到微机及控制系统支持。

1.3 光电探测器

光电探测器能够实现物理量之间的光辐射量与测量转换，光子效应属于这一转换的基本原理，以典型的光子效应外光电效应为例，其逸出电子动能可使用式（2）进行计算，式中的u、m、u0、λ0分别为逸出的速度、电子质量、光子的频率、波长。

（2）

光电探测器可细分为两种类型，分别为光电二极管和光电池，在光照条件下，光电二极管和光电池均能够产生光电势，本文研究的光电探测器选择了光电二极管[2]。

2 光纤干涉仪的光电检测电路设计

为提升研究的借鉴价值，本节结合上文研究开展了光纤干涉仪的光电检测电路设计，同时结合实验仿真证明了该设计的实用性。

2.1 具体设计

与反馈电阻相并聯的电容很容易出现电容极小问题，结合光电二极管特性，可确定光电检测电路光电二极管的输出电压，具体电压如式（3）所示，式中的E、Rf、S分别为光照度、反馈电阻、光电灵敏度。

（3）

结合相关研究与笔者经验，本文的光电检测电路设计选择了同轴探测器，结合计算，可确定反馈电阻、高频截止频率分别为1KΩ、212MHz。考虑到光电检测电路工作过程不可避免的会产生噪声，且电路的输出会受到噪声的直接影响，因此本文提出了图1所示的光电转换电路改进，由此便完成了整个光纤干涉仪的光电检测电路设计。

2.2 实验仿真

为明确光纤干涉仪光电检测电路设计实用性，研究需构建光纤干涉仪光电检测电路实验平台，因此笔者选择了Matlab 2012仿真软件。通过编程、计算确定光纤干涉仪光电检测电路中输出电压与光电流之间的变化关系，可最终得到光纤干涉仪实验结果，以及光纤干涉仪测量值与理论值对比曲线。结合试验结果不难发现，在不同光电流条件下，基于光电检测电路的光纤干涉仪的输出理论值与实际测量值基本相符，拟合效果较好。

之所以取得了令人满意的实验结果，主要是由于本文开展的光纤干涉仪的光电检测电路设计尽可能消除了噪声带来的不利影响，并同时实现了光电探测器电路改进，光纤干涉仪的输出误差由此实现了较好抑制，本文研究的实践价值也由此得到了较好证明。总的来说，为进一步提升光纤干涉仪的测量精度，光电探测器优化、噪声抑制必须得到更高程度的关注，基于当前各种工作模式的对比也能够较好服务于光纤干涉仪的合理设计，这些必须成为相关业内人士关注的焦点。

3 结束语

综上所述，光电检测电路可较好应用于光纤干涉仪并有效提升其测量精度，在此基础上，本文涉及的工作原理分析、光电检测系统基本结构、光电探测器、具体设计、实验仿真等内容，则提供了可行性较高的光纤干涉仪光电检测电路应用路径，而为了保证光电检测电路更好地服务于光纤干涉仪，实践验证的开展同样需要得到重视。

参考文献

[1] 陈晓芳，李丽芬，白彦霞，等.基于模式识别的精密光电检测电路故障识别[J].激光杂志，2018，39（10）：53-56.

[2] 陈越，王彪，鹿洪飞，等.TDLAS型C_2H_2气体检测系统的光电检测电路研制[J].激光杂志，2018，39（04）：15-18.