光电子技术 - chap 5 - 光波探测与解调

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1、第5章光波的探测与解调DetectionandDemodulationofLightWaves刘显明Email:xmliu65@126.comQQ:29667536本章内容光波的探测•光子探测机理与方法•光电探测器基础•典型光电探测器光波的解调•信号解调方法光子探测机理及其分类按光—电相互作用分类光子直接对电子产生扰动光电效应温升使材料的某电磁波对材料的影响光热效应些特性发生变化波扰动效应电磁场对材料的扰动所引起材料某些内特性发生变化按响应区域分类输出信号是敏感点探测器区域的平均值光电探测器图象探测器对敏感区域的空间变化所产生的响应光电探测器1.光电探测器介绍2.光电探测

2、器性能参数3.探测器噪声光探测器历史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电阻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；美国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年发明光电摄像管；1950年，美国的Weimer等人研制出光导摄像管19

3、70年，Boyle等人发明了CCD(电荷耦合器件)。美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯因发明电荷耦合器件(CCD)图像传感器获得2009年诺贝尔物理学奖。博伊尔史密斯光电探测器光探测器：能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件光电探测器：把光辐射量转换成电量（电流或电压）的光探测器光电探测器光辐射量电量探测器件热电探测元件光子探测元件热敏电阻测辐射计热电偶外光电效应内光电效应热释电探测器非放大型放大型光电导探测器光磁电探测器光生伏特探测器真空光电管光电倍增管充气光电管像增强器本征型掺杂型非放大放大型摄像管光敏电阻红外探测器光电池光电三极管光电二极管光电场效应管变像管雪崩型光电二极管

4、光电探测器性能参数1.量子效率2.响应度3.光谱响应4.等效噪声功率5.归一化探测度6.频率响应7.噪声谱8.其它量子效率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。IeIhνccηPhνePP是入射到探测器上的光功率，I是入射光c产生的平均光电流大小，P/h是单位时间内入射光子平均数，I/e是单位时间产生的光c电子平均数，e是电子电荷。响应度R响应度为探测器输出信号电压V与输入光功s率P之比：VsR单位为V/WP光谱响应表征R随波长变化的特性参数光谱响应InGaAs光电探测器光谱响应曲线等效噪声功率NEP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

5、力：PNEPVVsnNEP越小，探测能力越强。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NEP减小，这种情况下NEP的定义为：1/2[P/(f)]NEPVV式中Δf为放大器带宽。sn归一化探测度D*探测度D：单位入射功率相应的信噪比，是NEP的倒数11VsD()NEPPVn通常归一化探测度D*比前述D更能体现探测器性能。D*表示单位探测器面积、单位带宽的探测度，定义式为：112(Af)VD*D(Af)2d(s)dPVn式中A为探测器面积，f为放大器带宽。d频率响应R(f)频率响

6、应R(f)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。光探测器频率响应曲线除了以上基本参数以外，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。光电探测系统的噪声目光介光光电标电→→→→→学调子或探系制电光测质统器路源器光学噪声探测器噪声电学噪声光电探测器噪声来源人为噪

7、声外部原因自然噪声散粒噪声噪声产生－复合噪声光子噪声内部原因热噪声低频噪声温度噪声放大器噪声散粒噪声探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作用或热激发下，光电子或光生载流子的随机产生所造成的。由于随机起伏是一个一个的带电粒子或电子引起的，所以称为散粒噪声。产生-复合噪声半导体中由于载流子产生与复合的随机性而引起的平均载流子浓度的起伏所产生的噪声称为产生—复合噪声，亦称G-R噪声(generation—recom