第10章 相干探测(1)
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“代数和” ？
信号光与本振光的偏振方向一致
加检偏器－－获得偏振方向一致
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
21
11
光电系统－－相干探测 －－光外差探测
νs
混频器
νr
选通 放大器
观察仪器
△v，104～1010Hz
高频示波器 频谱分析仪 外差接收
无线电－－外差接收
高频载波 本机振荡
混频
中频信号
解调
音频 图像信息
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《光电技术与实验》
12
10.2 相干探测的特点
可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度 调制的光信号，还可探测频率调制及相位 调制的光信号，即在光探测器输出电流中 包含有信号光的振幅、频率和相位等全部 信息。
《光电技术与实验》
19
2．相干探测频率条件
混频器
选通 放大器
观察仪器
△v，104～1010Hz
高频示波器 频谱分析仪 外差接收
信号光和本振光的频率漂移？？？
专门措施： 采用高单色性和频率稳定度的激光源
两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
20
3．相干探测偏振条件
平方律探测器光混频输出Ip为：
ip (t) = β E 2 (t) = β[Es (t) + Er (t)]2 = β{As2 cos2 (ωst + ϕs ) + Ar2 cos2 (ωrt + ϕr ) + As Ar cos[(ωr + ωs )t + (ϕr + ϕs )] + As Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]}
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《光电技术与实验》
6
基本原理
设入射到检测器上的信号光场为
Es (t) = As cos(ωst + ϕs )
本机振荡光场为
Er (t) = Ar cos(ωrt + ϕr )
入射到检测器上的总光场为
E(t) = As cos(ωst + ϕs ) + Ar cos(ωrt + ϕr )
光－电信号变换
直接探测 （平均光功率） 相干探测 （光的波动参数） 探测方法的改进
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
1
直接探测：（非相干探测）
装置简单，光源为相干光源或非相干光 源，只能探测光功率（光强）。
相干探测： （光学外差探测）
装置复杂，光源必须为相干光源，间接 探测光波的振幅、频率和相位等参数。
转换效率高：转换增益可高达107-108，对 微弱信号的探测有利。
G = 2Pr Ps
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《光电技术与实验》
13
良好的滤波性能
取差频信号为信号处理器的通频带，可以
过滤频带外的杂散光，而直接探测中，所
有的杂散光都被接收。 信噪比损失小 检测灵敏度高
SNR = ηPs
hv∆f
NEP = hv∆f
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《光电技术与实验》
2
第10章 相干探测系统
10.1 相干探测原理 10.2 相干探测特性 10.3 影响相干探测灵敏度的因素
• 空间条件 • 频率条件
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
3
10.1 相干探测原理
信号光和参考光在满足波前匹配条件下在光电探测器上进行 光学混频。探测器输出的是两光波光频之差的拍频信号，该 信号包含有调制信号的振幅、频率和相位等特征。通过检测 拍频信号可以解调出被传送的信息。
有高度的单色性和频率
稳定性。
如何获得单频光和稳频光？
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《光电技术与实验》
16
为什么需要角准直？
探测器接收面上沿x方向各点的相位不同
信号光和本振光的波前在光混频器表面上 没有相同的位相关系
导致混频输出电流信号减小
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《光电技术与实验》
17
为什么需要角准直？
探测器表面各点 相位相同时：
η
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《光电技术与实验》
14
系统对探测器性能的要求
响应频带宽 均匀性好 工作温度高
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《光电技术与实验》
15
10.3 相干探测的空间条件和频率条件
空间条件： sin θ
<<
λL πl
波长越短或口径越大，
要求失配角越小，越难
满足要求。
频率条件：
要求信号光和本振光具
As Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]}
<1010Hz
1014～1015Hz
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《光电技术与实验》
8
光探测器输出的光电流
ip (t) = β E 2 (t) = β[Es (t) + Er (t)]2
β = eη
hv
= β{As2 cos2 (ωst + ϕs ) + Ar2 cos2 (ωrt + ϕr ) + As Ar cos[(ωr + ωs )t + (ϕr + ϕs )] + As Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]}
双频光波：
信号光ωs （本地、异地） 参考光ωr
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4
10.1 相干探测原理
波前匹配条件：
空间条件 频率条件 偏振条件
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《光电技术与实验》
5
10.1 相干探测原理
光学混频器：
采用平方律探测器： （只响应平均功率） 高灵敏度、高频响应、量子效率 PMT，PIN-PD，A_PD
ic (t) = βAs Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr −ϕs )]
信息
∆ω = ωs − ωr ∆ϕ = ϕs − ϕr
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《光电技术与实验》
10
差如频果信把号信是号由的具测有量恒限定制频在率差（频近的于通单常频范）围和内恒， 定外则的差相瞬可探位时以测的中得。相频到电干通流光过为混以频ωc得为到中，心只频有率激的光带才通能滤实波现器
第一、二项位余弦函数平方的平均值，=1/2；
第三项（和频）频率太高，光混频器不响应；
第四项（差频）相对光频，频率要低得多。
当(ωL − ωs ) / 2π = ωc / 2π 低于光电探测器截至频 率时，光探测器就有频率为ωc / 2π 的光电流输出。
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差如频果信把号信是号由的具测有量恒限定制频在率差（频近的于通单常频范）围和内恒， 定外则的差相瞬可探位时以测的中得。相频到电干通流光过为混以频ωc得为到中，心只频有率激的光带才通能滤实波现器
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光探测器输出的光电流
ip (t) = β E 2 (t) = β[Es (t) + Er (t)]2
β = eη
hv
= β{As2 cos2 (ωst + ϕs ) + Ar2 cos2 (ωrt + ϕr ) +
As Ar cos[(ωr + ωs )t + (ϕr + ϕs )] +
探测器表面各点 相位不同时：
输出信号－－最大值 输出信号－－减小
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1．相干探测空间条件
－－信号光和本振光在空间上的角准直：
可以证明：
sinθ << λs πd
例：d=1mm， λs＝0.6328μm
ຫໍສະໝຸດ Baidu北京理工大学光电学院
空间准直： －－条件苛刻 －－空间滤波
失配角： θ << 41''
ic (t) = βAs Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr −ϕs )]
瞬时中频电压为
Vc (t) = βAs Ar RL cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]
输出的有效中频功率为
Pc
= Vc2 RL
=
2 eη
hv
2
Ps
Pr
RL
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信号光与本振光的偏振方向一致
加检偏器－－获得偏振方向一致
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光电系统－－相干探测 －－光外差探测
νs
混频器
νr
选通 放大器
观察仪器
△v，104～1010Hz
高频示波器 频谱分析仪 外差接收
无线电－－外差接收
高频载波 本机振荡
混频
中频信号
解调
音频 图像信息
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10.2 相干探测的特点
可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度 调制的光信号，还可探测频率调制及相位 调制的光信号，即在光探测器输出电流中 包含有信号光的振幅、频率和相位等全部 信息。
《光电技术与实验》
19
2．相干探测频率条件
混频器
选通 放大器
观察仪器
△v，104～1010Hz
高频示波器 频谱分析仪 外差接收
信号光和本振光的频率漂移？？？
专门措施： 采用高单色性和频率稳定度的激光源
两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光
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20
3．相干探测偏振条件
平方律探测器光混频输出Ip为：
ip (t) = β E 2 (t) = β[Es (t) + Er (t)]2 = β{As2 cos2 (ωst + ϕs ) + Ar2 cos2 (ωrt + ϕr ) + As Ar cos[(ωr + ωs )t + (ϕr + ϕs )] + As Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]}
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基本原理
设入射到检测器上的信号光场为
Es (t) = As cos(ωst + ϕs )
本机振荡光场为
Er (t) = Ar cos(ωrt + ϕr )
入射到检测器上的总光场为
E(t) = As cos(ωst + ϕs ) + Ar cos(ωrt + ϕr )
光－电信号变换
直接探测 （平均光功率） 相干探测 （光的波动参数） 探测方法的改进
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1
直接探测：（非相干探测）
装置简单，光源为相干光源或非相干光 源，只能探测光功率（光强）。
相干探测： （光学外差探测）
装置复杂，光源必须为相干光源，间接 探测光波的振幅、频率和相位等参数。
转换效率高：转换增益可高达107-108，对 微弱信号的探测有利。
G = 2Pr Ps
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《光电技术与实验》
13
良好的滤波性能
取差频信号为信号处理器的通频带，可以
过滤频带外的杂散光，而直接探测中，所
有的杂散光都被接收。 信噪比损失小 检测灵敏度高
SNR = ηPs
hv∆f
NEP = hv∆f
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第10章 相干探测系统
10.1 相干探测原理 10.2 相干探测特性 10.3 影响相干探测灵敏度的因素
• 空间条件 • 频率条件
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10.1 相干探测原理
信号光和参考光在满足波前匹配条件下在光电探测器上进行 光学混频。探测器输出的是两光波光频之差的拍频信号，该 信号包含有调制信号的振幅、频率和相位等特征。通过检测 拍频信号可以解调出被传送的信息。
有高度的单色性和频率
稳定性。
如何获得单频光和稳频光？
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16
为什么需要角准直？
探测器接收面上沿x方向各点的相位不同
信号光和本振光的波前在光混频器表面上 没有相同的位相关系
导致混频输出电流信号减小
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17
为什么需要角准直？
探测器表面各点 相位相同时：
η
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系统对探测器性能的要求
响应频带宽 均匀性好 工作温度高
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10.3 相干探测的空间条件和频率条件
空间条件： sin θ
<<
λL πl
波长越短或口径越大，
要求失配角越小，越难
满足要求。
频率条件：
要求信号光和本振光具
As Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]}
<1010Hz
1014～1015Hz
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光探测器输出的光电流
ip (t) = β E 2 (t) = β[Es (t) + Er (t)]2
β = eη
hv
= β{As2 cos2 (ωst + ϕs ) + Ar2 cos2 (ωrt + ϕr ) + As Ar cos[(ωr + ωs )t + (ϕr + ϕs )] + As Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]}
双频光波：
信号光ωs （本地、异地） 参考光ωr
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波前匹配条件：
空间条件 频率条件 偏振条件
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10.1 相干探测原理
光学混频器：
采用平方律探测器： （只响应平均功率） 高灵敏度、高频响应、量子效率 PMT，PIN-PD，A_PD
ic (t) = βAs Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr −ϕs )]
信息
∆ω = ωs − ωr ∆ϕ = ϕs − ϕr
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差如频果信把号信是号由的具测有量恒限定制频在率差（频近的于通单常频范）围和内恒， 定外则的差相瞬可探位时以测的中得。相频到电干通流光过为混以频ωc得为到中，心只频有率激的光带才通能滤实波现器
第一、二项位余弦函数平方的平均值，=1/2；
第三项（和频）频率太高，光混频器不响应；
第四项（差频）相对光频，频率要低得多。
当(ωL − ωs ) / 2π = ωc / 2π 低于光电探测器截至频 率时，光探测器就有频率为ωc / 2π 的光电流输出。
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差如频果信把号信是号由的具测有量恒限定制频在率差（频近的于通单常频范）围和内恒， 定外则的差相瞬可探位时以测的中得。相频到电干通流光过为混以频ωc得为到中，心只频有率激的光带才通能滤实波现器
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7
光探测器输出的光电流
ip (t) = β E 2 (t) = β[Es (t) + Er (t)]2
β = eη
hv
= β{As2 cos2 (ωst + ϕs ) + Ar2 cos2 (ωrt + ϕr ) +
As Ar cos[(ωr + ωs )t + (ϕr + ϕs )] +
探测器表面各点 相位不同时：
输出信号－－最大值 输出信号－－减小
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1．相干探测空间条件
－－信号光和本振光在空间上的角准直：
可以证明：
sinθ << λs πd
例：d=1mm， λs＝0.6328μm
ຫໍສະໝຸດ Baidu北京理工大学光电学院
空间准直： －－条件苛刻 －－空间滤波
失配角： θ << 41''
ic (t) = βAs Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr −ϕs )]
瞬时中频电压为
Vc (t) = βAs Ar RL cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]
输出的有效中频功率为
Pc
= Vc2 RL
=
2 eη
hv
2
Ps
Pr
RL
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