光电子技术5章

1、第5章 光波的探测与解调被调制到光波上的信息需要解调，才能获得原始信息。内容：光子探测原理及性能 典型光电探测器 特殊探测方法：相干探测,按光电相互作用分类,探测机理及分类,按空间区域分,1、光电效应,光照射到材料（一般是半导体）上使其电学特性改变的现象，统称为光电效应。 特性改变有：发射电子；电导率变化；产生电动势等。 按激发电子所在位置分： 内光电效应：光子激发的载流子(电子或空穴)保留在材料内部。 外光电效应：激发的电子逃逸出材料表面（可有多个阴极，以获得倍增效果）。,光电效应的分类：,光电效应的种类很多，见图5.1 应用较多的是： 光电导效应， 光伏效应， 外光电效应。,内光电效应光电

2、导效应,光照引起半导体材料导电特性变化的现象（所有半导体材料均有该效应）。 原因：光照到半导体材料，材料吸收光子能量，激发非传导电子变为传导电子（自由的电子-空穴对），引起载流子浓度增大，导致材料电导率增大。,基于光电导效应制成的探测器称为光电导探测器。 20世纪，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，由此发展了从紫外、可见到红外各个波段的辐射探测器。,要求光子能量： 激发波长条件： 红限波长：,光电导器件的红限、光电流、光电压： （1）本征半导体红限（见表5.1）,激发波长条件： 红限波长： （3）本征和掺杂型半导体的光直流短路电流为：,（2）掺杂半导体红限（见表5.

3、2） 将本征半导体中的带隙能量替换为杂质电离能即可,光电导增益G：由自由载流子寿命和渡越时间T的比值决定,渡越时间T：指多数载流子穿过器件电极的时间：,l为电极间的距离，为多数载流子的迁移率，VA为器件所加的偏压。,光子吸收率N：单位时间吸收的光子数，正比于所吸收的单色功率P,直流短路电流Iso：,说明：光电流正比于所吸收的单色功率与波长（小于红限），可用于光功率探测。,负载电阻的电压VL：（图5.2）,开路电压Vso：在弱光照下，负载电阻RL远大于内阻Rd，此时负载电阻的压降,说明：开路电压也正比于所吸收的单色功率，可用于光功率探测。,（4）响应速度：也称频响特性，由多数载流子的寿命决定,由

4、上(5.15)、(5.16)知，低频时的输出基本与频率无关，高频时与频率成反比； 转折频率定义在=1/， 是载流子寿命。,注意： （1）对光电导器件，光子激发出的载流子须在外电场下才能流动，对外电路产生贡献，故这种器件须加偏压才能正常工作。 （2）常见光电导器件很多，,优点： （1）光谱响应宽 光敏域可在紫外、可见光、红外区和远红外区。 （2）所测光强范围宽 （3）使用方便，成本低，稳定性高，寿命长 （4）灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。 不足： 在强光时线性较差，频率特性也较差。,内光电效应光伏效应,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产生电位差的现象。 产生电位差的机理有

5、多种，主要是阻挡层的存在引起势垒 载流子的激发光子 载流子的分离靠内部势垒和内建电场分离光激发的电子-空穴对,光伏器件：多数用本征半导体，简单PN结就能实现 短路光电流：工作在光电导（反偏，图5.7b）模式的短路电流，与光电导器件相同（只是增益G=1）,开路电压（光伏效应）：短路光电流与零偏时的动态电阻（原点处的斜率dV/dI）之积。 因电流电压特性为： Id暗电流，Is为无光照时反向饱和电流，V为施加电压(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。 动态电阻R为：,光伏器件的工作模式,图5.7 (a)开路光电压(光伏效应)，(b)反向偏压光电导型,开路电压（图5

6、.7a）Vso ：,（2）雪崩光敏二极管（APD）,原理：光子在PN结产生电子-空穴对初始电子在高电场加速高速电子与原子碰撞，电离并产生新的电子-空穴对新电子再次碰撞 多次碰撞，使载流子雪崩式倍增。 APD是PN结在高反压下的光伏器件，有内增益，反偏100200V，接近反击穿电压。,无光照时，热激发会产生载流子（热噪声），也会有雪崩式内增益；有光照时，也会有雪崩式内增益。因难在大面积上有均匀的雪崩增益，光敏面较小（0.1mm） 特点：响应度高，带宽100GHz（目前最快的），适于光纤通信、激光测距及其他微弱光探测等。,（3）光敏二极管,结构,光敏二极管：是硅结受光照后产生光电流的光电器件。工作

7、于反偏压，光谱响应由半导体材料掺杂浓度决定。,PIN的转换原理,特点：1、频带宽：结电容小，响应时间短。 2、线性范围宽。I层很厚，在反偏时可承受高反压。 不足： I层电阻大，输出电流小，零点几至数A。,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。 可做成二极管阵列 可以线或面阵式集合在一起，同时探测不同部位的光信息，并转换为电信号。,外光电效应光电发射效应,光照射金属或金属氧化物材料上，光子能量传给材料表面的电子；电子获得足够能量，克服正离子的引力，脱离金属表面而进入外界空间，这称为外光电效应。 描述外光电效应的基本定律： （1）

8、斯托列托夫定律 当入射光频或频谱不变时，饱和光电流与入射光强成正比。（这是光电管、光电倍增管的检测基础）。,（2）爱因斯坦定律 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表面发射；光电子的初动能随入射光频率线性增长，与入射光强无关。 光电效应方程：,入射光子能量,电子的动能,逸出功,说明： 入射光子有足够能量，至少等于逸出功，才有光电发射； 0为光电发射的最低光频，与材料有关，与入射光强无关。,逸出功,入射光频小于截止频率时，无论光强多大、时间多长，都不会有光电子发射。 光电发射分为三过程： 光入射后，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，向表面运动

9、，其间与其他电子或晶格碰撞而失去部分能量； 到达表面的电子克服表面势垒的束缚，逸出形成光电子。,光电发射对阴极材料的要求： 对光吸收大，以便较多的电子受激发射； 激发电子在表面附近，以使碰撞损失小； 材料逸出功小，以到达表面的电子容易逸出； 电导率好，以便外电源补充光电发射失去的电子。 （具体光电发射探测器件，见5.2节）,5.1.2 光电探测器中的噪声,依噪声的物理原因，分为散粒噪声、产生复合噪声、热噪声和低频噪声。 噪声是固有的、不能人为消除的输出信号起伏，与器件密切相关。 原因：电子从价带到导带，或者电子逸出材料表面等，都是一系列随机独立事件，每一瞬间的载流子数有不确定性，这种起伏（噪声

10、）与信号同时出现。 在弱信号时，噪声会显著影响信号探测的准确性，需要抑制噪声。 了解噪声机理，可用相应措施来尽量抑制噪声，且抑制工作尽量放在最前级。,光电探测器中的噪声源,热噪声：在无偏压时，阻抗性材料中载流子的随机运动产生的起伏（噪声），存在于所有阻抗性材料中。（与偏压无关） 与偏压有关的噪声：叠加于热噪声上，也称附加噪声，主要有： 产生-复合（G-R）噪声； 发射噪声； 闪烁噪声。,（1）半导体中的噪声噪声类型, 热噪声,在电阻性材料中，内部的自由载流子数目及运动状态是随机的，引起无偏压下的起伏电动势。 由载流子热运动引起的起伏是电阻材料的热噪声。 热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发

11、的波动而引起的，与电阻值、温度、工作带宽有关。 热噪声存在于所有阻抗性材料中，在无偏压时也会以电流、电压的起伏出现。,光电探测器等价于一电流源，有一等效电阻R。 自由电子的随机热运动引起R两端随机起伏的电压：,电阻R的热噪声电流为:,相应的热噪声开路电压、短路电流为：,在测量带宽B时，热噪声功率的均方值PN为：, G-R噪声,热使载流子的产生有随机起伏，同时载流子电子和空穴在运动时存在复合过程，而复合本身也是随机波动的。 载流子产生及复合的起伏使载流子浓度波动，致电阻起伏，从而产生噪声。 G-R噪声的测试：加一偏压，测偏置电流的起伏。 说明：(1)本质上也是散粒噪声，为强调产生和复合因素，取名

12、为产生复合噪声。(2)G-R噪声分析理论有：基于单一掺杂和准本征半导体的理论（略）,发射噪声：,电子电荷的离散性造成电流的微小起伏。 只要有电流通过，便有发射噪声；在偏压下的二极管可观察到发射噪声。 流过二极管的电流I： I0是反向饱和电流 发射噪声IN： 零偏时的I=0，阻抗R：,零偏时的发射噪声（实际是热噪声）IN： 大偏压时，I=-I0，发射噪声IN： 上式是发射噪声的常用式子, 低频噪声（1/f噪声）,原因：光敏层的微粒不均匀或存在不必要的微量杂质；电流使微粒间产生微火花放电，引起的微电爆脉冲。 主要在约1K以下的低频段，且与光调制频率f成反比，故称为1/f 噪声、闪烁或低频噪声： k

13、1比例因子，IB偏置电流，常数2, 1 降低噪声的方法：（1）探测器表面的缺陷或不均匀的影响很大，严格表面及电极的制作工艺； （2）限制调制频率不低于1千赫兹，也可有效防止。, 光电探测器中的噪声分布无光照时红外探测器的噪声谱，图5.9,高频,中频,低频,主要是外光电效应器件，光子激射出的电子束包含有发射噪声和低频噪声： 在无光照时，该发射噪声与半导体中的类似： I0是光阴极上的暗电流。暗电流与热电子发射、场致发射、阴阳极间漏电流等有关。 低频噪声：也与频率近似为倒数关系（5.36式）。,（2）光致发射器件中的噪声,（1）光谱响应（分布）基本参数，常用相对光谱（探测器的输出相对于输入光谱的归一

14、化响应）来描述：对单位波长间隔、单位辐射功率或光子接收率的响应。实际是响应度随波长变化，峰值响应归一,描述了工作波长范围：蓝限和红限 一般光子探测器的光谱分3段： 线性增长区、 峰值区、 急剧下降区,相对输出,波长,c,5.1.3 光电探测器的特性指标根据技术参数选用器件，使各器件性能匹配。,（2） 响应度R 探测器输出信号（电流或电压）与输入光功率P的比值。 单位：V/W或A/W。 注意：R是直流时的测试值，定量描述输出电信号与输入光信号之间的关系，实际是光电转化的灵敏度,（3）等效噪声功率（NEP）,NEP定义：产生单位信噪比所需的入射光功率。 信噪比SNR定义为,(电压信噪比),(电流信

15、噪比),NEP越小，探测微弱信号的能力越强； NEP是描述光电探测器探测能力的参数。,噪声频谱很宽。为减小噪声，探测后的放大器为窄带通，其中心频率为调制频率。信号将不损失而大部分噪声可滤去，可减小NEP。此时，NEP为 另外，无光照时，探测器有暗电流，信号光电流等于噪声电流时，认为刚能探测到光信号。 能量阈Pth ：信号光电流等于噪声电流时的光功率 若Ri=10A/W，in=0.01A，则Pth0.001W，即小于0.001微瓦的信号光功率不能被探测。 能量阈也是探测器所能探测的最小光信号功率。,NEP越小，探测器探测能力越高。不符合“越大越好”习惯，取NEP倒数，定义为探测度D，即 这样，D

16、值大的探测器就表明其探测能力强 实际中，需比较同类但不同探测器，发现“D大，探测能力好”的结论不充分。 原因：探测光敏面积AD和带宽B对D有影响。 考虑面积和带宽的影响：,（4）归一化探测度D*,探测器噪声功率N B、 AD ，故 噪声电流 由D 定义知： 考虑两因素，消除该影响，定义归一化探测度D* 说明：(1)这样，D*大，探测能力一定好。 (2)给D*时，需注明响应波长、调制频率、测量带宽，即D*(, f ,f )。,(5) 频率响应,定义：入射光波长不变时，光探测器的响应度随入射光调制频率f 的变化关系。 输出信号与调制频率f的关系为 是响应时间；f3dB是截止频率，或输出信号功率降到

17、直流的一半（幅度下降到0.707倍）时的频率,响应时间可实验测出，也可用上升和下降时间表征。 频响表征了器件对光信号变化快慢的响应能力。 高频时，信号输出与频率之积为常数(增益带宽积)； 故频率越高，器件的输出越小，灵敏度下降。 实例：器件参数（各类器件的参数要匹配）见p159,5.2 光致发射探测器,5.2.1 器件机理：是基于外光电效应的器件。 电子处于费米能级时，光子激发电子的初动能E： 电子能级低于费米能级或非弹性碰撞时，初动能小于E。 量子效率（概率）：光子激发出电子的几率。 若N个光子激发出M个电子，则=M/N； 光阴极材料：纯金属少用（效率低，逸出功高）， 传统型：阴极上镀碱金属

18、与V族金属的化合物，成本低，可见光区； 负电子亲和型：半导体上蒸铯或铯氧化物，近红外区。,结构及原理： 见图5.13 注：偏压较高（数百伏）时，光子激发的电子全被阳极收集，通过外电路形成光电流； 光电流依赖于偏压，正比于入射光强。,5.2.2 真空光电二极管,说明： （1）真空管的电流容量大，可测强激光脉冲； （2）轻度光照时，光电流小，需放大处理； （3）通过内部增益来放大的方法有： （a）管内充低压气体（氩），电子移向阳极时与气体原子碰撞并使其电离，产生更多电子，得到雪崩式增益。增益量约10倍，与偏压有关。 （b）采用多级倍增方法（光电倍增管）,5.2.3 光电倍增管,PMT是极高灵敏度和

19、超快时间响应的光探测器。 结构（图5.15相似）: 在真空管，有光阴极、聚焦电极、电子倍增极、电子收集极（阳极）等。 工作原理：光照射阴极，激发光电子；光电子按聚焦极电场进入倍增系统；经每一级高压加速、碰撞、二次发射、聚焦得到放大；如此多极多次放大，最后电子被阳极收集得电流信号。,总增益G：设每极电子放大倍（二次发射系数），N极的增益为 说明： (1) 与材料、加速电压有关（见图5.14）。 (2) 即使不大，一般G也很大，如G=59=2M (3) 图5.15中前三结构是前端型管子，半透明光阴极蒸发在管内表面； 阴极厚度要求非常精确：太厚不易出光电子；太薄则光不被充分吸收，效率低； 圆罩型对厚

20、度要求不严。,(4) 各结构都要考虑二次发射电子的聚焦，以提高收集效率。 (5) 各倍增极的供电及稳压电路可参考图5.16、17、18；阴极与第1极的高压须保证光强与光电流成正比，中间极高压的范围宽，只需均匀分布即可；增益与电压有关，故电压要稳定。 (6) PMT的上升时间约2ns；因：光电子从阴极到阳极需要时间，且每个电子的穿越时间不同 (因：电子的初速度不同，经过的倍增极路径不同),光电倍增管的特点,优点： 灵敏度高，适宜弱光信号； 响应时间极短； 频率特性较好，频响可达106Hz或更高 缺点： 需高压直流电源、价贵、体积大、经不起机械冲击等。,5.2.4 PMT中的噪声,(1)暗电流噪声

21、：无光照PMT时，热电子发射会形成(暗)电流噪声。暗电流噪声是外光电器件(PMT)的主要噪声: S为光阴极面积，A逸出功，T温度， 降噪法：降低温度，尤其A小的光阴极效果明显。 (2)发射噪声：有电流通过，便会产生发射噪声；因电子电荷的离散性造成电流的微小起伏： i为PMT的暗电流和光电流之和,无光照时的发射噪声由暗电流产生。欲探测到光信号，光电流大于暗电流产生的发射噪声电流 PMT最小可测光功率 例：p165 说明：PMT灵敏度极高，可测光子数,(3)倍增噪声：倍增极二次电子发射的随机性产生的，使极增益在附近起伏，致使阳极噪声电流增大(/(-1)0.5 倍。 (4)热噪声：由阳极负载电阻R所

22、产生,噪声电压均方根为： 说明：PMT的热噪声远小于暗电流噪声； 原因：热噪声仅由阳极负载电阻产生；而暗电流虽小，但倍增放大后，远大于热噪声。,5.3 光波的解调及特殊探测方法,解调：用光电转换器从光载波中获取调制上去的信息。 解调方法：与调制法对应，有振幅、强度、相位、偏振、频率解调法 现有转换器只能感知光强，响应速度远低于光频。故须将各调制量转化为相应的光强信号，才能转换为电信号。,5.3.1 光波的解调,（1）强度调制的解调 调制信号为f(Q)，调制后的光波为探测器的输入 输入光强： 输出信号：,说明：（1）输出信号正比于调制信号； （2）强度调制用直接探测法，而不失真解调。,（2）振幅

23、调制的解调 可直接探测或相干探测来解调。直接探测法： 输入光： 输出：,说明： (1)输出与调制信号是平方关系，线性解调需开方； (2)开方运算可用模拟电路或数值运算（模拟电路法：成本低，速度高，但精度差；数值运算精度高，但成本高，速度较低。）,（3）偏振调制的解调 偏振调制是信号使线偏光的偏振面旋转一定角度，故解调需正确获取偏转角。 方法：用偏振分光镜，将偏转角转化为强度信息，再探测或处理。偏振分光镜如图5.19,图5.19 偏振分光棱镜(均为单轴晶体，轴取向不同),例：Wollaston棱镜分光法,起偏轴与光轴的夹角为45o； 无偏振调制时，两路光的光强相等，振幅为：,分别探测两路光强I1

24、和 I2，计算得角度关系： 当偏转角较小时 优点： (1)可消除光源波动的影响； (2)无光路的衰减及干扰的影响,调制使偏振转动：,（4）频率及相位调制的解调 频率和相位对光强无贡献，不能直接探测；须先将频率或相位信息转化为光强的影响形式，再光电转换成电信号。 FM和PM的解调法：常用外差干涉法（图5.20）,设E1(信号)和E2(参考)为平面波，E1和E2表示为：,探测器接收面是空间定点，电场相干叠加； 在探测器D处，总光场为：,在探测器（光混频器）接收面的光强为：,说明：(a) 探测器的输出信号是光强再乘以响应度R; (b)参考光（本振光）是光频和相位的比较基准;,(c)信号光可以是本振光

25、分束并调制形成，也可用独立的相干光(保持与本振光的频率跟踪和相位同步）。前者用于测量，后者用于通信。 (d)在保持本振光的E02、2、2不变时，外差信号的振幅、频率、相位可表征信号光的特征量E01、 1、1，可以无畸变地恢复调制信号。,（I）相位解调方法A: 参考和信号光源来自同一光源，2=1、初始相位10=20，调制的相位变化为(t)，则 1-2=(t)，,为高灵敏度，要求相位差在90o附近,浅调制时，为消除直流，用光强变化来解调相位。 微分上式得,外差方法B: 参考和信号光频差B=1-2偏置(声光调制, 30MHz)恒定，相位情况同前；光电转换后滤除直流分量，信号电压（或电流）为：,再用常规鉴相电路（锁相电路）将相位转化为电压输出。 优点：信噪比比零差法高约20dB,(II) 频率外差解调 参考和信号光源于同一光源，相位差恒定，频率调制后的信号光频1=2+M；则光强I,类似于前面的外差法： （1）光电转换后滤除直流分量，信号电压类似于(5.65)式； （2）使电压信号限幅（振幅恒定）； （3）再用标准的鉴频电路将频率转化为电压输出（只与频率有关，与幅值无关）。,(III) 振幅解调 除直接探测外，也可外差法解调。参考和信号光的相位差恒定，频率差B