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。實驗以PIN探測器在1 064 nm波段為樣本。通過調整衰減器的衰減系數，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通信。通過實驗發現：探測器達到深度飽和時，系統通信出現脈寬展寬現象，并出現嚴重的碼間串擾無法滿足通信指標。通過實驗閾值，建立空間數學模型。觀察距離、束散角和輻照夾角對致盲激光器功率的影響。

關鍵詞： PIN探測器； 強光飽和； 碼間串擾； 數學模型

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

0 引 言

1997年10月美國在白沙導彈靶場測試，采用中紅外先進MIRACL和LPCL進行激光照射衛星探測器實驗[1]，該實驗使人們認識到低能激光的優勢。然而，光電探測器接收光功率非常低，所以當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，研究當探測器達到臨界飽和功率時的接收現象，并判斷能否符合通信要求。通過實驗建立數學模型，考慮在臨近空間致盲打擊的可實現性。

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，軟損傷即當有光照射時探測器經暫時的失效，光源消失一段時間后探測器又恢復原有性能。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性的損傷。硬損傷由于激光損傷應力不同又分為熱學效應損傷和力學效應損傷。其中由熱學效應損傷可分為：熱損傷機制、缺陷型損傷機制和電子雪崩型損傷機制。由力學效應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，通過調節衰減片的衰減系數，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測。實驗主要通過示波器的觀測的數據變化判斷探測是否進入飽和或深度飽和狀態。用He?Ne激光實時監控，防止功率過大激光對探測器的熱應力損傷。圖5為試驗實物的實際測試現場。

3 實驗結果及分析

3.1 損傷閾值

經實驗得出：當衰減系數為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，經示波器觀測探測器輸出峰峰值為420 mV。當衰減系數為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。當衰減系數為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展寬現象，展寬幅度約200%，展寬現象如圖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，出現碼間串擾現象，無法提取有效信息，探測器達到測試閾值。衰減系數和探測器峰峰值統計結果見表1。

4 結 論

綜合以上實驗結果及分析，得出以下結論：對于天基干擾致盲，使用半導體激光器就能實現致盲效果；當激光器功率大于探測器接收閾值時，探測器出現脈寬展寬現象，該現象出現碼間串擾。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.國外激光反衛星技術發展綜述[J].激光技術，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構成[J].航天電子對抗，2000（4）：41?45.

[6] 李海燕.激光主動干擾系統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.空間激光通信技術與系統[M].北京：國防工業出版社，2011.

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

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

[10] 王海晏.光電技術原理及應用[M].北京：國防工業出版社，2007.

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

[12] 王剛，高天元.移動式無線激光通信基臺結構與裝調研究[J].應用光學，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。實驗以PIN探測器在1 064 nm波段為樣本。通過調整衰減器的衰減系數，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通信。通過實驗發現：探測器達到深度飽和時，系統通信出現脈寬展寬現象，并出現嚴重的碼間串擾無法滿足通信指標。通過實驗閾值，建立空間數學模型。觀察距離、束散角和輻照夾角對致盲激光器功率的影響。

關鍵詞： PIN探測器； 強光飽和； 碼間串擾； 數學模型

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

0 引 言

1997年10月美國在白沙導彈靶場測試，采用中紅外先進MIRACL和LPCL進行激光照射衛星探測器實驗[1]，該實驗使人們認識到低能激光的優勢。然而，光電探測器接收光功率非常低，所以當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，研究當探測器達到臨界飽和功率時的接收現象，并判斷能否符合通信要求。通過實驗建立數學模型，考慮在臨近空間致盲打擊的可實現性。

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，軟損傷即當有光照射時探測器經暫時的失效，光源消失一段時間后探測器又恢復原有性能。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性的損傷。硬損傷由于激光損傷應力不同又分為熱學效應損傷和力學效應損傷。其中由熱學效應損傷可分為：熱損傷機制、缺陷型損傷機制和電子雪崩型損傷機制。由力學效應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，通過調節衰減片的衰減系數，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測。實驗主要通過示波器的觀測的數據變化判斷探測是否進入飽和或深度飽和狀態。用He?Ne激光實時監控，防止功率過大激光對探測器的熱應力損傷。圖5為試驗實物的實際測試現場。

3 實驗結果及分析

3.1 損傷閾值

經實驗得出：當衰減系數為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，經示波器觀測探測器輸出峰峰值為420 mV。當衰減系數為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。當衰減系數為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展寬現象，展寬幅度約200%，展寬現象如圖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，出現碼間串擾現象，無法提取有效信息，探測器達到測試閾值。衰減系數和探測器峰峰值統計結果見表1。

4 結 論

綜合以上實驗結果及分析，得出以下結論：對于天基干擾致盲，使用半導體激光器就能實現致盲效果；當激光器功率大于探測器接收閾值時，探測器出現脈寬展寬現象，該現象出現碼間串擾。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.國外激光反衛星技術發展綜述[J].激光技術，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構成[J].航天電子對抗，2000（4）：41?45.

[6] 李海燕.激光主動干擾系統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.空間激光通信技術與系統[M].北京：國防工業出版社，2011.

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

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

[10] 王海晏.光電技術原理及應用[M].北京：國防工業出版社，2007.

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

[12] 王剛，高天元.移動式無線激光通信基臺結構與裝調研究[J].應用光學，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。實驗以PIN探測器在1 064 nm波段為樣本。通過調整衰減器的衰減系數，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通信。通過實驗發現：探測器達到深度飽和時，系統通信出現脈寬展寬現象，并出現嚴重的碼間串擾無法滿足通信指標。通過實驗閾值，建立空間數學模型。觀察距離、束散角和輻照夾角對致盲激光器功率的影響。

關鍵詞： PIN探測器； 強光飽和； 碼間串擾； 數學模型

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

0 引 言

1997年10月美國在白沙導彈靶場測試，采用中紅外先進MIRACL和LPCL進行激光照射衛星探測器實驗[1]，該實驗使人們認識到低能激光的優勢。然而，光電探測器接收光功率非常低，所以當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，研究當探測器達到臨界飽和功率時的接收現象，并判斷能否符合通信要求。通過實驗建立數學模型，考慮在臨近空間致盲打擊的可實現性。

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，軟損傷即當有光照射時探測器經暫時的失效，光源消失一段時間后探測器又恢復原有性能。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性的損傷。硬損傷由于激光損傷應力不同又分為熱學效應損傷和力學效應損傷。其中由熱學效應損傷可分為：熱損傷機制、缺陷型損傷機制和電子雪崩型損傷機制。由力學效應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，通過調節衰減片的衰減系數，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測。實驗主要通過示波器的觀測的數據變化判斷探測是否進入飽和或深度飽和狀態。用He?Ne激光實時監控，防止功率過大激光對探測器的熱應力損傷。圖5為試驗實物的實際測試現場。

3 實驗結果及分析

3.1 損傷閾值

經實驗得出：當衰減系數為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，經示波器觀測探測器輸出峰峰值為420 mV。當衰減系數為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。當衰減系數為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展寬現象，展寬幅度約200%，展寬現象如圖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，出現碼間串擾現象，無法提取有效信息，探測器達到測試閾值。衰減系數和探測器峰峰值統計結果見表1。

4 結 論

綜合以上實驗結果及分析，得出以下結論：對于天基干擾致盲，使用半導體激光器就能實現致盲效果；當激光器功率大于探測器接收閾值時，探測器出現脈寬展寬現象，該現象出現碼間串擾。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.國外激光反衛星技術發展綜述[J].激光技術，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構成[J].航天電子對抗，2000（4）：41?45.

[6] 李海燕.激光主動干擾系統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.空間激光通信技術與系統[M].北京：國防工業出版社，2011.

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

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

[10] 王海晏.光電技術原理及應用[M].北京：國防工業出版社，2007.

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

[12] 王剛，高天元.移動式無線激光通信基臺結構與裝調研究[J].應用光學，2012，33（2）：437?440.