第3章 直接探测和外差要点

第3章 直接探测和外差探测原理
光学 透镜 天线
带通 滤波片
光电 探 测器
放大 及 处理
图 3.0 - 1 直接探测系统
第3章 直接探测和外差探测原理
激光的高度相干性、 单色性和方向性使光频段的 外差探测成为现实。 光电探测器除了具有解调光功率 的包络变化的能力之外， 只要光谱响应匹配， 也同样 具有实现光外差探测的能力。 光外差探测系统的方框 图如图3.0 - 2所示。
如果入射光场是调幅波:
es (t) Es[1 KV (t)]cosst
那么
is (t)
1 2
Es2
Es2KV
(t)
(3.1 - 4)
第3章 直接探测和外差探测原理
3.1.2 信噪比性能分析
设输入光电探测器的信号光功率为si， 噪声功率为 ni， 光电探测器的输出电功率为so， 输出噪声功率为no， 则总的输入功率为(si+ni)， 总的输出功率为(so+no)。 由光电探测器的平方律特性
P0 is2RL 2RLPs2
(3.1 - 3)
第3章 直接探测和外差探测原理
该式说明， 探测器的电输出功率正比于入射光功 率的平方。 所以， 我们应该建立这样的观念： 光电探 测器的平方律特性包含着两层含义。 其一是光电流正 比于光电场振幅的平方； 其二是电输出功率又正比于 入射光功率的平方。
(3.1 - 19)
这里Pb是指背景杂散光功率。
按照输出信噪比的定义， 由式(3.1 - 14)~(3.1 - 19)有
so
M 2 2Ps2
no in2s in2b in2d in2T
(3.1 - 20)
第3章 直接探测和外差探测原理
so+no=k(si+ni)2 =k(s2i+2sini+n2i)
(3.1 - 5)
考虑到信号和噪声的独立性， 应用
so ksi2
(3.1 - 6)
第3章 直接探测和外差探测原理
no k (2sini ni2 )
根据信噪比的定义， 输出信噪比为
(SNR)o
so si
si2 2sini ni2
第3章 直接探测和外差探测原理
(2) 若si/ni>>1, 则
so no
1 2
si ni
(3.1 - 10)
第3章 直接探测和外差探测原理
3.1.3 直接探测系统的NEP分析 具有内增益的光电探测器的电输出功率由式(3.1 -
3)可以写为
Ps M 2is2RL
式中,
M 2 Ps2RL
式中e2s(t)上的短划线表示时间平均。 这是因为光 电探测器的响应时间远远大于光频变化周期， 所以光 电转换过程实际上是对光场变化的时间积分响应。 把 正弦变化的光场代入式(3.1 - 1)：
is
1 2
Es2
Ps
(3.1 - 2)
第3章 直接探测和外差探测原理
式中Ps是入射信号光的平均功率。 若探测器的负 载电阻是RL， 那么， 光电探测器的电输出功率
SNR S N
第3章 直接探测和外差探测原理
3.1.1 光电探测器的平方律特性 假定入射信号光的电场es(t)=Es cosωst是等幅正弦
变化的， 这里ωs是光频率。 因为光功率Ps(t)∝e2(t)， 所以由光电探测器的光电转换定律
is (t) es2(t)
(3.1 - 1)
第3章 直接探测和外差探测原理
(3.1 - 14) (3.1 - 15) (3.1 - 16) (3.1 - 17)
第3章 直接探测和外差探测原理
以上诸式适用于光电倍增管。 对光电二极管， M=1； 对光电导探测器， 式(3.1 - 14)~(3.1 - 16) 前面的系数2 应改为4。 其中
is=αPs
(3.1 - 18)
ib=αPb
(si / ni )2 1 2(si / ni )
(3.1 - 7) (3.1 - 8)
第3章 直接探测和外差探测原理
从上式可以得出如下结论：
(1) 若si/ni<<1, 则有
2
so no
si ni
(3.1 - 9)
输出信噪比近似等于输入信噪比的平方。 这说明直 接探测方式不适宜于输入信噪比小于1或者微弱信号的探 测。 实际上， 要想对弱光信号实施直接探测， 还必须在 探测体制上进行改革， 这个问题我们在后面分节中将进 行专门讨论。
第3章 直接探测和外差探测原理
合束器
光学 透镜 天线
带通
滤波片
光电 探 测 器 iIF
中频 放大器 IF＝－0
0
本振 激光器
图 3.wk.baidu.com - 2 光外差探测系统
第3章 直接探测和外差探测原理
与无线电波一样， 评价上述两种光探测系统的性 能的判据也是信噪比(SNR)。 它定义为信号功率和噪 声功率之比。 若信号功率用符号S表示， 噪声功率用 N表示， 则
第3章 直接探测和外差探测原理
3.1 直接探测系统的性能分析
通过前两章的学习， 我们已经清楚地知道， 光电 探测器的基本功能就是把入射到探测器上的光功率转 换为相应的光电流。 即
i(t) e P(t)
hv
第3章 直接探测和外差探测原理
光电流i(t)是光电探测器对入射光功率P(t)的响应， 当然光电流随时间的变化也就反映了光功率随时间的 变化。 因此， 只要待传递的信息表现为光功率的变化， 利用光电探测器的这种直接光电转换功能就能实现信 息的解调。 这种探测方式通常称为直接探测。 直接探 测系统的方框图如图3.0 - 1所示。 因为光电流实际上 是相应于光功率的包络变化， 所以直接探测方式也常 常叫做包络探测。
e
hv
(3.1 - 11) (3.1 - 12)
第3章 直接探测和外差探测原理
而输出噪声功率
Pn (in2s in2b in2d in2T )RL
(3.1 - 13)
in2s 2eM 2is f in2b 2eM 2ib f in2d 2eM 2id f in2T 2eMT f / RL
第3章 直接探测和外差探测原理
第3章 直接探测和外差探测原理
3.1 直接探测系统的性能分析 3.2 提高输入信噪比的光学方法 3.3 前置放大器的噪声特性 3.4 光电探测器偏置电路对系统噪声性能的影响 3.5 光电阈值探测统计
第3章 直接探测和外差探测原理
3.6 光频外差探测的基本原理 3.7 光频外差探测的信噪比分析 3.8 光频外差探测的空间相位条件 习题与思考题