100545--光电子技术基础-(第二版)朱京平Chap6

第6章光电探测技术基础主要内容6.1光探测器性能参数6.2光电探测方式6.3光电探测的物理效应6.4光电探测器光电探测技术基础光电探测技术就是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。光探测器的发展可追溯到1873年，英国的Smith和May在大西洋横断海底电信局所进行的实验中发现，当光照射到用作电阻的Se棒后，其电阻值约改变30%，同年Simens将白金绕在这种Se棒上，制成了第一个光电池；1888年，德国的Hallwachs在作Hertz的电磁波实验中，发现光照射到金属表面上会引起电子发射，1909年，Richtmeyer发现，封入真空中的Na光电阴极所发射的电子总数与照射的光子数成正比，奠定了光电管的基础；接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增管，并于1933年发明了光电摄像管；1950年，美国的Weimer等人研制出光导摄像管，1970年Boyle等人发明了CCD(电荷耦合器件)。如今，激光的发展进一步促进和刺激了光电探测领域的发展，各种光电探测器件大都已工业化、商品化，摄像机等已微型化。由于现阶段的激光系统可提供巨大的带宽与信息容量，因而光电探测技术在信息光电子技术中也就有了特别重要的意义。6.1光探测器性能参数表征光探测器的基本性能参数有量子效率，响应度，灵敏度，噪声等效功率，探测度，光谱响应和频率响应等。RSNEPD(1)量子效率，又称量子产额，是指每一个入射光子所释放的平均电子数。它与入射光子能量(即入射光波长)有关。对内光电效应还与材料内电子的扩散长度有关；对于外光电效应与光电材料的表面逸出功有关。其表达式为：ePhνIhνPeIηcc式中P是入射到探测器上的光功率，是入射光产生的平均光电流大小，是单位时间内入射光子平均数，是单位时间产生的光电子平均数，是电子电荷。cIhPeIce理想光探测器应有，实际光探测器一般有。显然，光探测器的量子效率越高越好。对于光电倍增管、雪崩光电二极管等有内部增益机制的光探测器，可大于1。11(2)响应度，为探测器输出信号电压与输入光功率之比：RsVPPVRs单位为V/W。6.1光探测器性能参数(3)灵敏度为探测器输出信号电流与输入光功率之比：SsIPPISs和均用来描述探测器输出电信号与输入光功率的关系，均是波长的函数。入射光波长一定，则响应度与灵敏度确定。RS(4)光谱响应，就是表征(或)随波长变化的特性参数，如图所示。RS光电探测器与热电探测器的光谱响应曲线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，只有入射光频率大于才能有响应信号输出，相应存在一个探测波长极限，在时，探测器对于某一频率(波长)光的响应与探测器对该波长光子的吸收速率，即单位时间内入射的光子数密度成正比，因而时，其响应随着波长的增加而呈线性上升。而时，光谱响应曲线迅速下降到零。00cccc光谱响应中还有一个重要参量，称为响应峰值波长，它指相对光谱响应曲线中对应于最高响应率的辐射波长。6.1光探测器性能参数(5)噪声等效功率，定义为相应于单位信噪比的入射光功率，用来表征探测器探测能力，定义式为：nsVVPNEP越小，探测能力越强。NEP由于噪声频谱很宽，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，其中心频率选为调制频率。这样，信号将不受损失而噪声可被滤去，从而使减小，这种情况下的定义为：NEPNEPnsVVfPNEP])/([2/1式中Δf为放大器带宽。(6)探测度，是的倒数，即单位入射功率相应的信噪比。NEP)(11nsVVPNEPD通常归一化探测度比前述更能体现探测器性能。表示单位探测器面积、单位带宽的探测度，定义式为：*DD*DD)()()(2121*nsddVVPfAfADD6.1光探测器性能参数式中为探测器面积，为放大器带宽。dAf和一样是波长的函数，由于噪声通常和信号调制频率有关，故也是调制频率的函数。*DNEP*D(7)频率响应，是描述光探测器响应度在入射光波长不变时，随入射光调制频率变化的特性参数。它是光探测器对加在光载波上的电调制信号的响应能力的反应，是表征光探测器频率特性的重要参数，其曲线如图。)(fR光探测器频率响应曲线除了以上7个基本参数以外，我们在使用探测器时还会遇到以下参数：1.暗电流，指没有信号和背景辐射时通过探测器的电流；2.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；3.响应时间，指探测器将入射辐射转变为信号电压或电流的弛豫时间；4.光敏面积，指灵敏元的几何面积。6.2光电探测方式6.2.1直接探测与外差探测光探测器的光吸收过程是直接由某种光量子作用产生的，这种量子作用由检测系统读取其大小，因此其输出是由光量子的吸收率决定的，而不是由光量子的能量来决定，其工作原理基础是单位时间内探测器的输出电信号正比于光生载流子数目，而单位时间内光生载流子的数目，即载流子的跃迁速率，正比于总入射光场振幅的平方，即)()(*tEtEW设入射为缓变场)(1111)(tieEtE与)(2222)(tieEtE的合成场，则：]Re[)()(2)(12211titieEeEtE}]Re{[121)(21titiieeEeE于是：)cos(2)()(12212221*tEEEEtEtEW)cos(2212221tEEEE(1)当时，它对应于直接探测方式，这种方式下，由于探测器的输出电信号正比于光生载流子跃迁速率，而光生载流子跃迁速率又正比于(即入射光功率)，因而，探测器的输出电流是入射光功率的线性函数，其结构框图如图。)()(21tEtE21E6.2.1直接探测与外差探测直接探测系统直接探测法能检测光强及光强的变化，是非相干辐射的唯一探测方法，而对于相干辐射进行直接探测具有简单、方便、室温运转等优点，但它不能反映光载波频率及相位的变化，因而探测灵敏度低，信噪比差。(2)当时，跃迁几率中除两入射光功率数量和这一常数项外，还包含一项以振荡、相位的分量。因而能反映入射相干光载波的频率及相位变化，它对应于外差探测方式，也叫相干探测，其结构框图见图。)()(21tEtE)(2221EE1212外差探测系统6.2.1直接探测与外差探测外差探测法可以消除背景噪声和暗电流的影响，大大提高探测灵敏度，达到近乎理想量子极限，它不仅可以探测光强调制信号，还可用于频率或相位调制波的探测，但外差探测系统复杂，对信号光与本振光要求均很高，技术困难大，成本高。由于激光的高度相干性、单色性和方向性，使光频的外差探测成为现实。光电探测器除了具有解调光功率包络变化的功能外，只要光谱响应匹配，就可以实现外差探测。6.2.2两种探测方式性能分析1.直接探测方式性能分析直接探测方式中调制信号频率为，光信号频率为，调制光信号为ms])cos1(Re[cos)cos1()(timssmsssetmEttmEte由于光电探测器的响应时间一般远大于光频变化周期，因而光电转换过程实际上是光场变化的时间积分响应，于是得到入射到探测器上的平均光功率：221ssEP由此可得入射光在具有内增益G的探测器光敏面上输出的平均电功率为LssLccRPhνeηGRiGP22222直接探测时，入射光产生的光电流大小为6.2.2两种探测方式性能分析tωmtωmmPhνetωmPhνetimmssmssc2cos2cos221cos1)(222很多情况下直接探测只响应光功率的时变信息，而不考虑直流部分，则有)2cos2cos2()(2tωmtωmhνPetimmssc又由于对应于光探测器的频率响应，而不是光谱响应，频率太高，光电探测器根本不能响应，因而考虑自增益后，直接探测光探测器的实际输出电流为：tωmhνPemss2cos22tωmhνeGPtimssccos2)(其功率信噪比LnTndnbnsLssnTndnbnscncRiiiiR)hνeGP(PPPPPPPSNR222222式中，G为光探测器的内部增益，为背景光电流，为光电阴极暗电流。，，和分别是光电倍增管的信号光噪声功率、背景光噪声功率、暗电流产生的噪声功率和热噪声功率。bidinsPnbPndPnTP6.2.2两种探测方式性能分析LedbsssRνkTνiiieGhνeGPSNR4)(2)(222对于光电倍增管，，，和，其信噪比LsLnTnsνRieGRiP222LbnbνRieGP22LdndνRieGP22νkTPenT4对于光电二极管，，，，，，其信噪比LsnsνRieGP24LbnbνRieGP24LdndνRieGP24νkTPenT41G)4()(4)(22LedbsssRνkTνiiiehνeGPSNR由此可推得，在只存在光信号噪声，不考虑其他噪声时的信号极限噪声为：ΔνhνNEPsi26.2.2两种探测方式性能分析2.外差探测方式性能分析光频外差探测的原理和无线电波外差接收原理完全一样，其中必须有两束满足相干条件的光束。光外差探测系统中的光电探测器起着光学混频器的作用，它响应信号光与本振光的差频分量，输出一个中频光电流。由于探测量利用信号光和本振光在光电探测器光敏面上干涉得出，因而外差探测又称相干探测。光外差探测中的光电转换过程不是检波过程，而是一种“转换”过程，其中的被测信号与第二个光场，即本地振荡场混频，从而产生频移，即把以为载频的光频信息转换到以为载频的中频电流上。这一转换是本地振荡光波的作用，它使光外差探测天然地有一种转换增益G。以直接探测为基准加以描述为tE11cos)cos(12E)(1121221222EEPPPPGsω式中，为信号光功率，为本振光功率，为探测器输出电功率，也就是中频光功率21121EP22221EPPLωRPPhνeP2122入射到光电阴极上的总电场为：]Re[]Re[)(111121)(221)(2tπνitννπitiωtωωieEeEeEeEtE6.2.2两种探测方式性能分析由此推得)]2cos(221[)2cos(2)(21212221νtGGEhνeνtEEEEhνetic若不考虑其中的直流部分，则有)2cos(2)(21νtGEheticLedsNSRνkTνhνePieGhνEPPGνhνPPP422222212][))((外差探测中，本振散粒噪声远远大于热噪声及其他散粒噪声，于是可推得外差探测极限灵敏度为νhνNEP此即为光外差探测的量子极限。NEP比较外差探测与直接探测的极限灵敏度可得，二者形式十分相似。但由于外差探测中的远远小于直接探测中的值，因而外差探测的极限灵敏度远远大于直接探测的极限灵敏度。这主要是因为外差探测中的高质量本振光束不仅给信号光束提供了转换增益，而且还清除了探测器内部噪声。ν6.3光电探测的物理效应光电探测的物理效应可以分为三大类：光电效应、光热效应和波相互作用效应，并以光电效应应用最为广泛。光电效应是入射光的光子与物质中的电子相互作用并产生载流子的效应。事实上，此处我们所指的光电效应是一种光子效应，也就是单个光子的性质对产生的光电子直接作用的一类光电效应。根据效应发生的部位和性质，习惯上又将其分为外光电效应和内光电效应。外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象，主要包括光阴极直接向外部放出电子的现象，典型的例子是物质表面的光电发射；内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象，特别是半导体