本论文提出并研制了基于无偏置垂直腔面发射激光二极管(简称“VCSEL”)的光纤输出型电压传感器,能够远程监测被测设备(简称“EUT”)工作电压信号,检测EUT的强电磁环境(简称“HPEM”)效应,并且对EUT电磁耦合特性和工作特性扰动微弱,为系统级HPEM试验效应检测提供了一种技术手段。论文首先研究了电子设备系统级HPEM试验效应检测的技术要求,制定了以EUT工作电压信号为测试内容,以小尺寸和光纤输出为核心指标要求的HPEM效应检测传感器研究目标。分析了VCSEL器件的阈值电压-电流等特性,以及数字IC工作电平和输入/输出引脚电压-电流特性,发现数字电路收发IC互连间存在驱动电流余量,该余量足以点亮VCSEL,据此提出了有可能满足小尺寸和光纤输出等核心指标要求的传感器技术途径,即基于无偏置VCSEL的电压传感器。研究了VCSEL内部电光转换物理过程和建模方法,提出了新的光子速率方程归一化方法和电-光-热方程解耦方法,提高了模型数值收敛特性和数值精度,并在ADS高频仿真环境下建立了VCSEL的电-光-热耦合电路仿真模型。该模型能够对VCSEL器件电输入特性、光输出特性、频响特性、无偏置工况脉冲调制响应特性、温度特性等进行较准确的描述,为传感器研究奠定基础。采用电路仿真和原理实验方法证明基于无偏置VCSEL监测数字芯片引脚工作电压信号的方法具有可行性:(1)嵌入无偏置VCSEL电压传感器不会对大部分被监测数字电路IC工作信号产生明显的负载效应;(2)VCSEL的输出光功率信号波形与被监测节点工作电压信号波形相对应。开展了无偏置VCSEL电压传感器优化设计研究,给出了平衡输入阻抗和监测码速率指标设计矛盾的方法。研制了无偏置VCSEL电压传感器,探头尺寸15mm×Φ8mm,多模光纤输出。指标测试结果表明:在300MHz以内传感器输入阻抗高于1kΩ,对大部分数字芯片的负载效应可以接受;适用最大码速率280Mbps,对200Mpbs以下数字信号监测误码率小于1E-6。利用无偏置VCSEL电压传感器对微型无人机电路开展了HPEM效应检测应用测试,电压传感器监测获取了无人机电路数字芯片引脚工作信号,并成功捕获到电压脉冲注入在EUT电路中引起的扰乱、干扰等HPEM效应。