光电子技术(第五章)ppt课件

1、第五章 光波的探测与解调,5.1光子探测方法 5.1.1光子探测机理的分类,1、光电探测技术 把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。 光探测过程可以形象地称为光频解调，光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测量的物理量的器件。,2、光电探测器,按光电相互作用分类,2、探测机理及其分类,按响应区域分类,光子直接对电子产生扰动,温升使材料的某些特性发生变化,电磁场对材料的扰动所引起材料某些内特性发生变化,输出信号是敏感区域的平均值,对敏感区域的空间变化所产生的响应,4、光电效应,光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生电动势，这些因光照引起物体电学特性改变的现象，统称

2、为光电效应。 内光电效应光子激发的载流子(电子或空穴)将保留在材料内部。 外光电效应将电子打离材料表面，外光电效应器件通常有多个阴极，以获得倍增效果。,外光电效应光电发射效应,当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射的光能使表面的电子获得足够的能量，电子就会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。外光电效应可用两条基本定律来描述 ： 斯托列托夫定律 当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和光电流（单位时间内反射的光子数目）与入射光的强度成正比。 斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测基础。,外光电效应光电发射效应,爱

3、因斯坦定律 如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功，则电子将以一定的速度从发射体表面发射，光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线性增长，与入射光的强度无关。 光电效应方程：,入射光子能量,电子的动能,逸出功,该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于逸出功，才能发生光电发射。0 为产生光电发射的最低频率，即该频率与材料的属性有关，与入射光强无关。,逸出功,爱因斯坦定律,入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程： 光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态； 受激电子从受激处出发，向表

4、面运动，其间必然要同其他电子或晶格发生碰撞而失去部分能量； 到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。,爱因斯坦定律,由此得到光电发射对阴极材料的要求： 对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射； 电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小； 材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出； 电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射失去的电子。,内光电效应光电导效应,光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。 当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使得非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，从而导致材料电导率增大。这种变化可以通过测量负载电阻两端的电压来观察。该

5、现象是100多年来有关半导体与光作用的各种现象中最早为人们所知的现象。,内光电效应光电导效应,利用此现象制成的光探测器称为光电导探测器。 20世纪又先后在氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、硫化铅等材料中发现光电导效应，并由此发展了从紫外、可见到红外各个波段的辐射探测器。,内光电效应光电导效应,光子能量 红限波长 光电流,当光子波长大于0时，本征型半导体器件将不会出现光电导现象,通常是多子起作用，少子由于其寿命相对短得多，故对光电流的贡献不大。,ISO为直流下的短路电流，为量子效率，N为器件单位时间吸收的波长为的光子数，G为器件内增益。,内光电效应光电导效应,光电导增益G由自由载流子寿命和渡越时间T的比

6、值来决定。,渡越时间T是指多数载流子穿过器件电极的时间，它由下式决定：,式中l为电极间的距离，为多数载流子的迁移率，VA为器件所加上的偏压。,内光电效应光电导效应,响应速度(由多数载流子的寿命决定 ),频率为时的短路电流,频率为时的开路电压,由上面两式可知，低频时光电器件的输出基本上与频率无关；高频时则与频率成反比，转折点定义在为1的频率。,直流短路电流,器件开路电压,内光电效应光电导效应,光子在材料中激发出的载流子必须在外加电压（电场）作用下方能作空间流动，对外电路产生贡献。 这种器件必须加上偏压才能正常工作。,内光电效应光伏效应,光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间

7、产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有多种，主要的一种是由于阻挡层的存在引起的势垒型光伏效应。,短路光电流,开路光电压,反向饱和电流,暗电流,内光电效应光伏效应,光伏效应 载流子的激发光子 载流子的分离内建电场 光电流：,Id暗电流，Is为无光照射时的反向饱和电流，V为施加在器件上的电压(正向为正，反向为负)，k为波耳兹曼常数，为近似为1的常数，T为绝对温度。,内光电效应光伏效应,光伏器件的电流电压特性（5-5）,对应的工作模式：开路、短路、反偏（光电导工作模式）、正偏。,内光电效应光伏效应,光电导效应和光伏效应的区别 光电导效应必须在外加偏压下才能正常工作 光伏效应则可以不加偏压，其开路电

8、压就反映了光辐射的信号，但光伏效应器件通常工作在 反偏状态，即给器件加上反向电压，其反向电流即为光电流，此时可以说器件工作在光电导模式下。,光伏效应,光电导效应,光伏器件工作模式,光伏器件,光电池 光敏二极管 光敏三极管,光敏二极管,(1) 结构,光敏二极管是利用硅结受光照后产生光电流的一种光电器件。 光敏二极管的电路符号、外形见图所示。其封装有金封和塑封两种（即圆柱形和扁方形）。有的光敏二极管为了提高其稳定性，还外加了一个屏蔽接地脚，外形似光敏三极管。 光敏二极管工作于反向偏压，其光谱响应特性主要由半导体材料中所掺的杂质浓度所决定。同一型号的光敏二极管在一定的反偏电压、相同强度和不同波长的入

9、射光照射下，产生的光电流并不相同，但有一最大值。 不同型号的光敏二极管在同一反偏电压、同一强度的入射光照射下，所产生的光电流最大值也不相同，且光电流最大值所对应的入射光的波长也不相同。,光敏二极管,图的曲线、分别是光敏二极管、的光谱响应特性曲线。由图可看出，它们的光电流的最大值分别在可见光区和红外线区，其中二极管的光谱响应值最大。 由于光敏二极管的基本结构也是一个结，故其检测方法也与普通二极管相同，其测得的正、反向电阻也类似于普通二极管，但在测反向电阻遇光照时，阻值会明显减小，否则说明管子已损坏。,PIN光敏二极管,特点 1、最大的特点是频带宽。在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚

10、的本征半导体（I层）。这样，P-N结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使P-N结空间电荷层的间距加宽，因此结电容变小。响应时间变短，频带变宽。,2、管子的线性输出范围很宽。因为I层（相对）很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压。 不足： I层电阻很大，管子的输出电流小，一般为零点几A至数A。,PIN光敏二极管的光电转换原理,雪崩光敏二极管（APD）,雪崩光敏二极管是利用P-N结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种光伏器件。 它具有响应度高，响应速度快的特点，通常工作在很高的反偏状态100200V，接近于反向击穿电压。 当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。

11、频率响应很高，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。适用于光纤通信、激光测距及其他微弱光的探测等。 原理：根据光电效应，当光入射到PN结时， 光子被吸收而产生电子空穴对如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电离，产生新的电子空穴对新产生的二次电子再次和原子碰撞 如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图。,APD的雪崩倍增效应,雪崩光敏二极管（APD）,雪崩光敏二极管 频率响应很高，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。适用于光纤通信、激光测距及

12、其他微弱光的探测等。 光敏二极管阵列 将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。,光敏二极管的特点,体积小，稳定性好； 灵敏度高，响应速度快； 易于获得定向性； 光谱响应在可见和红外区。,光敏三极管,灵敏度比光敏二极管高，是光敏二极管的数十倍，故输出电流要比光敏二极管大得多，一般为毫安级。 但其它特性不如光敏二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。频率特性和温度特性也变差，故光敏三极管多用作光电开关或光电逻辑元件。,复 习,外光电效应光电发射效应 相应器件：光电倍增管 内光电效应光电导效应 相应器件：光敏电阻

13、、光电导摄像管 内光电效应光伏效应 相应器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管,5、 热释电效应,热释电效应指的是某些晶体的电极化强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷。 基于该效应制成的光电转换器件有红外探测器，热电激光量热计，夜视仪以及各种光谱仪接收器等。,热释电探测器,结构,热释电探测器工作原理,器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起材料某种有赖于温度的参量的变化，检测该变化，可以探知辐射的存在和强弱。这一过程比较缓慢，因此一般热电探测器件的响应时间多为ms量级。 热释电器件相当于一个以热电晶体为电介质的平板电容器。入射辐射可引起电容器电容的变化，因此，可利用这一特性来探测变化的辐射。 对

14、光辐射的转换过程： 第一步按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温度升高； 第二步探测器件因温升引起器件物理特性的变化而输出各种电信号。,热释电探测器的优缺点,优点： 光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎都有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。 工作时无需制冷。 缺点：灵敏度低，响应时间较长。,热释电探测器使用注意,1、比较理想的热探测器，其机械强度、响应灵敏度、响应速度都很高。 2、只能测量变化的辐射，辐射恒定时无输出。 3、输出是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的实际温度。测温时，需先用辅助探测器测出背景温度。 4、各种热释电材料都存在一个居里温度，使用范围小于居里温度。,居里温

15、度,居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。 低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。如铁的居里温度是770, 铁硅合金的居里温度是690等。 利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。例如，我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材

16、料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。,居里温度,热释电探测器,光谱范围：一般热释电在0.220m； 用 途：主要用于防盗报警和安全报警装置、自动门、自动照明装置、火灾报警等一些自动控制系统中。 特 点：光谱响应范围宽，对于从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。（与测辐射计、温差热电堆等比较）频率特性好，室温下工作，无需致冷， 体积小，重量轻，坚固。,5.1光子探测方法 5.1.2 光电探测器中的噪声,5.1光子探测方法 5.1.2 光电探测器中的噪声,依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、产生复合噪声、热噪声和低频噪声。 上述噪声是光电转

17、换物理过程中固有的，是一种不可能人为消除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。 因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在信号较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。,无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造成的起伏（以光电子发射为例）。由于起伏单元是电子电荷量e，故称为散粒噪声，这种噪声存在于所有光电探测器中。 热激发散粒均方噪声电流为 其有效值为 相应的噪声电压为 如果探测器具有内增益M，则上式还应乘以M

18、。 光电探测器是依靠内场把电子空穴对分开，空穴对电流贡献不大，主要是电子贡献。上两式也适用于光伏探测器。,1 光电探测器中的噪声 散粒噪声, 热噪声,电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流子数目及运动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的起伏电动势。 这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的热噪声，或称为约翰逊（Johnson）噪声。 热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。, 热噪声,光电探测器本质上可用一个电流源来等价，这就意味着探测器有一个等效电阻R。 电阻中自由电子的随机热运动将引起电阻器R两端随机起伏的电压。,电阻R的

19、热噪声电流为:,相应的热噪声电压为：, G-R噪声,对于光电导探测器，载流子热激发是电子空穴对。电子和空穴在运动中，与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程，而复合过程本身也是随机的。 因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子复合的起伏，这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪声，但为强调产生和复合两个因素，取名为产生复合散粒噪声，简称为产生复合噪声。, 1/f噪声,1/f 噪声又称为闪烁或低频噪声。 这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。 几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约1KHz以下的低频频域，而

20、且与光辐射的调制频率 f 成反比，故称为低频噪声或1/f 噪声。 实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等)对这种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声。 一般说，只要限制低频端的调制频率不低于1千赫兹，这种噪声就可以防止。, 光电探测器中的噪声分布,1/f低频噪声,产生复合噪声,热噪声,拐点（1KHz）,拐点（1MHz）, 其他噪声（续）,发射噪声：只要有电流通过，便会产生发射噪声，这是由电子电荷的离散性所决定的，这种离散性将造成电流的微小起伏。 暗电流噪声：即使没有光信号照到光电倍增管中，由于热电子发射也会形成暗电流噪声，这种暗电流噪声系基于外光电效应器件的主要噪声。 倍增

21、噪声：由于倍增极二次电子发射过程的随机性产生的，它使得倍增极的增益在附近有一定的起伏。 热噪声：由阳极负载电阻所产生。,2、光电探测器的特性指标,2.1 响应度R 定量描述光电器件输出电信号与输入的光信号之间的关系。 探测器输出信号电压Vs与输入光功率P的比值。 单位一般为V/W或A/W。 该值是直流状态下的测试值。,探测器面积,光源的辐射度,2.2 光谱响应 （光电探测器最基本的参数，通常用相对光谱响应来描）,表征响应度R随波长变化的特性参数。由于许多光探测器是基于光电效应而工作的，因而存在一个最低频率0，只有入射光频率大于0才能有响应信号输出，相应存在一个探测波长极限c，在 c时探测器对于

22、某一频率（波长）光的响应与探测器对该波长的吸收速率，即单位时间内入射的光子数密度成正比，因而 c时，其响应随着波长的增加而呈线性上升。而 c时，光谱响应曲线迅速下降到零。,随波长线性增长区,峰值区,急剧下降区,2.3 能量阈Pth,从响应度R的定义式 可见，如果P0，应有Is =0 实际情况是，当P0时，光电探测器的输出电流并不为零。 这个电流称为暗电流或噪声电流 它是瞬时噪声电流的有效值。 显然，这时响应度R 巳失去意义，我们必须定义一个新参量来描述光电探测器的这种特性。,考虑到这个因素之后，一个光电探测器完成光电转换过程的模型如图所示。,图中的光功率Ps和Pb分别为信号和背景光功率。可见，

23、即使Ps和Pb都为零，也会有噪声输出。噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。 通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声电流in，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。,依照这一判据，定义探测器的能量阈Pth为,若Ri=10A/W，in=0.01A，则能量阈Pth0.001W。也就是说，小于0.001微瓦的信号光功率不能被探测器所得知，所以，能量阈是探测器所能探测的最小光信号功率。,2.3 能量阈Pth,2.4 等效噪声功率（NEP）,同一个问题，还有另一种更通用的表述方法，这就是等效噪声功率NEP。它定义为单位信噪比时的信号光功率。信噪比SNR定义为,(电压信噪比),(电流信噪比),显

24、然，NEP越小，表明探测器探测微弱信号的能力越强。所以NEP是描述光电探测器探测能力的参数。,2.4 等效噪声功率（NEP）,产生单位信噪比所需的入射功率 给出了探测器能够探测的最小光功率 ，表征探测器的探测能力。NEP越小，探测能力越强。,由于噪声频谱很窄，为减小噪声影响，一般将探测器后面的放大器做成窄带通的，其中心频率为调制频率，这样，信号将不受损失而噪声可以被滤去，从而使NEP减小,NEP越小，探测器探测能力越高，不符合人们“越大越好”的习惯，于是取NEP的倒数并定义为探测度D，即 这样，D值大的探测器就表明其探测力高。,2.5 归一化探测度D*(读作D星),2.6 频率响应,是描述光探

25、测器响应度在入射光波长不变时，随入射光调制频率f 变化的特性参数。是表征光探测器频率特性的重要参数。当器件的输出信号功率降到零频时的一半，即信号幅度下降到零频的0.707时，可得到器件的上限截止频率fc,2.7 其它参数,暗电流：指没有信号和背景辐射时通过探测器的电流。 工作温度：对于非冷却型探测器指环境温度，对于冷却型探测器指冷却源标称温度。 响应时间：指探测器将入射辐射转变为信号电压或电流的驰豫时间。 光敏面积：指灵敏元的几何面积。,2.7 其它参数,光电探测器还有其它一些特性参数，在使用时必须注意到，例如光敏面积，探测器电阻，电容等。 特别是极限工作条件，正常使用时都不允许超过这些指标，

26、否则会影响探测器的正常工作，甚至使探测器损坏。 通常规定了工作电压、电流、温度以及光照功率允许范围，使用时要特别加以注意。,3、各种光子探测器件的性能比较和应用选择,1、接收光信号的方式 2、各种光子探测器件的性能比较 3、应用选择,3.1 接收光信号的方式,判断信号的有无 如光电开关、光电报警等。这类光电系统检测由被测对象造成的投射到光电器件上的光信号的通过或者截断。 这时不关心光电器件的线性，而是关注其灵敏度。,3.1 接收光信号的方式,系统中的光信号按一定调制频率交替变化 这种光电系统中的光强度信号被调制在一定的频带内或某一调制频率下。 所选光电器件的截止频率光信号的调制频率。,3.1

27、接收光信号的方式,检测光信号的幅度大小 被测对象本身光辐射的强度发生变化； 被测对象因对光的反射率、透过率发生变化； 光电器件接收到的光照度亦随之变化。 为准确检测出这种变化，选择器件需注意： 灵敏度适当、线性好、响应快、动态范围合适。 如光敏二极管、光电倍增管。,3.1 接收光信号的方式,检测光信号的色度差异 被测对象造成光电器件接受到的色温发生变化； 被测对象本身的表面颜色发生变化。 选择光谱特性合适的光电器件。,3.2 各种光子探测器件的性能比较,在时间响应和频率特性，即动态特性方面： 光电倍增管和光敏二极管较好； PIN光敏二极管和雪崩光敏二极管最好。 光电特性方面： 光电倍增管、光敏

28、二极管和光电池的线性都较好。,3.2 各种光子探测器件的性能比较,灵敏度方面： 光电倍增管、雪崩光敏二极管最好，光敏电阻和光敏晶体管较好。 需要说明的是，灵敏度高不一定就是输出电流大。输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光敏二极管和光敏晶体管。,3.2 各种光子探测器件的性能比较,外加偏压： 外加偏压最低的是光敏二极管和光敏晶体管，光电池不需加电源便可工作； 暗电流： 光电倍增管和光敏二极管最小，光电池不加电源时无暗电流，加反向偏压后暗电流比光电倍增管和光敏二极管要大；,3.2 各种光子探测器件的性能比较,长期工作的稳定性方面： 光敏二极管和光电池最好； 其次是光电倍增管和光敏晶体管

29、； 光谱响应方面： 光电倍增管和光敏电阻最宽； 光电倍增管的响应偏在紫外方面，光敏电阻的响应偏向红外方面；,3.2 各种光子探测器件的性能比较,3.3 应用选择,光电器件必须和辐射信号以及光学系统在光谱特性上相匹配。 如测量波长在紫外波段，则可选光电倍增管或专门的紫外半导体光电器件； 如果信号是可见光，则可选光敏电阻、硅光电器件或光电倍增管； 对于红外信号，可选光敏电阻； 近红外波段可选硅材料光电器件或光电倍增管。,3.3 应用选择,光电器件与入射辐射能量在空间上对准。 a、光电器件的光敏面要与入射辐射在空间上匹配好。 太阳能电池光敏面大用于杂散光或没有达到聚集状态的光束的接收。 光敏电阻（光

30、调可变电阻）通过光路和机械设计控制光照在全部电阻体上，有效利用全部光敏面。 光敏二极管和光敏晶体管的感光面只是结附近的一个极小的面积用透镜把光聚焦到感光的光敏点上。,3.3 应用选择,光电器件的光电转换特性要与入射辐射相匹配。 通常使入射辐射通量的变化中心处于光电器件的线性范围内，以确保获得良好的线性检测。 对于微弱光信号，器件要有高的灵敏度，以保证一定的信噪比和足够强的输出电信号。,3.3 应用选择,光电器件的响应特性要与光信号的信号频率、调制形式和波形相匹配，以保证输出波形没有频率失真和良好的时间响应。 这种情况主要是选择响应时间短或者上限频率高的器件，同时在电路上也要注意匹配好动态参数。

31、,3.3 应用选择,光电器件还应和后继电路在电特性上相互匹配，以保证最大的转换系数、线性范围、信噪比以及快速的动态响应等。,3.3 应用选择,注意选好器件的规格和使用的环境条件，以使器件具有长期工作的可靠性。 当工作条件超过最大限额时，器件的特性会急剧恶化，特别是超过电流容限值后，其损坏往往是永久性的。使用的环境温度和电流容限一样，当超过温度的容限值后，往往会引起缓慢的特性恶化。,3.4 光电检测电路,大多数的光电器件都需要经过检测与转换电路才能实现光电信号的变换，通常的光电检测电路由光电检测器件、输入电路和前置放大器组成。,核心：光电检测器件，是沟通光学量和电子系统的接口环节。 重要环节：前

32、置放大及耦合电路。 中间环节：输入电路，为光电器件提供正常的电路工作条件，同时也完成与前置放大及耦合电路的电路匹配。,光电检测器件,输入电路,前置放大器,3.4 光电检测电路的设计要求,1、光电转换能力强 将光信号转变为适合的电信号，是实现光电检测的先决条件。所以光电转换能力的高低对整个光电检测系统具有至关重要的影响和作用。因此，具备较强的光电转换能力，是对光电检测电路的最基本要求。 表示光电转换能力强弱的参数，通常采用光电灵敏度，即单位输入光信号的变化量所引起的输出信号的变化量。,3.4 光电检测电路的设计要求,2、动态响应速度快 光电检测电路应满足信号通道所要求的频率选择性或对瞬变信号的快

33、速响应。,3.4 光电检测电路的设计要求,3、信号检测能力强 信号检测能力，主要是指光电检测电路输出信号中有用信号成分的多少，常用信噪比、功率等参数表征。通常要求光电检测电路具有可靠检测所必须的信噪比或最小可检测信号功率。,3.4 光电检测电路的设计要求,4、稳定性、可靠性好 光电检测电路在长期工作的情况下应该稳定、可靠，特别是在一些特殊场合下，对稳定性、可靠性的要求会更高。,5.3.1 光波的解调,强度调制的解调 输入： 输出：,特点：对于强度调制信号，采用直接探测便可获得不失真解调。,5.3.1 光波的解调,振幅调制的解调 输入： 输出：,开平方运算： 模拟电路运算成本低，速度高，但精度较

34、差； 数值运算一般由计算机完成，可达到相当高的精度，但成本较高，且速度稍低。,5.3.1 光波的解调,偏振调制的解调 偏振分光棱镜的原理,Wollaston棱镜,5.3.1 光波的解调,Wollaston棱镜的取向使得当未受到偏振调制时I1和I2的光强相等。 两路光的振幅为：,当偏振面转动后：,5.3.1 光波的解调,可以证明，两路信号的光强与角度有如下关系：,特点： 可以消除光源波动 无传输通道的干扰的影响,5.3.1 光波的解调,频率及相位调制的解调 信号预处理：将频率或相位信息转化为光强信息。,信号光s,参考光 0,输出信号,光电接收器,放大器,5.3.1 光波的解调,设Es(信号光)和

35、Eo(参考光)为平面波，对于探测器接收面上，则可认为空间定点，故Es和Eo可表示为：,在探测器D处，总光场为：,和频分量,外差检测原理,在光混频器上的输出光强为：,差频分量,光学外差信号表达式！,说 明,在外差干涉信号中，参考光束（又称为本机振荡光束或简称本振光）是两相干光的光频率和相位的比较基准。 信号光可以是由本振光分束后经调制形成，也可以采用独立的相干光源保持与本振光波的频率跟踪和相位同步。前者多用于干涉测量，后者用于相干通信。 不论用哪种方式，由上式可知在保持本振光的E0、 0、0不变的前提下，外差信号的振幅、频率和相位可以表征信号光波的特征参量Es、 s、s，即信号光的参量受到被测信

36、息调制，外差信号能够无畸变地精确复制这些调制信号。,调幅信号,如信号光振幅Es受频谱如图的调制信号F(t)的调制，则,调制信号的振幅,调制信号的调制度,调制信号的角频率,调制信号的相位,可见，信号光波振幅上所载荷的调制被转换到了外差信号上去。对于其他调制方式也有类似的结果，这是直接探测所不可能到达的。,光波的解调（4）零差检测,零差检测,简化计算，令 0 ，则,说明,上式表明零差探测能无畸变地获得信号的原形，只是包含了本振光振幅的影响。 此外，在信号光不作调制时，零差信号只反映相干光振幅和相位的变化而不能反映频率的变化。,光波的解调,以上各种采用相干(零差或外差)法的解调方法，从理论上讲是可行的，而且在信噪比灵敏度等方面比直接探测有明显的优点，但在具体应用时，由于灵敏度非常高，故对干