光电检测技术课件优秀课件.ppt

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1、光电检测技术课件第1页，本讲稿共60页光电二极管（光敏二极管）光电二极管（光敏二极管）光敏二极管符号光敏二极管符号 光敏二极管接法光敏二极管接法 第2页，本讲稿共60页外加反向偏压外加反向偏压l l可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用偏压情况下使用偏压情况下使用偏压情况下使用l l大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，大反偏压的施加，增加了耗

2、尽层的宽度和结电场，电子电子电子电子空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。敏度。敏度。敏度。l l增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。l l但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加但是，为了提高

3、灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到大反向偏压，因为它还受到大反向偏压，因为它还受到大反向偏压，因为它还受到PNPN结反向击穿电压等因结反向击穿电压等因结反向击穿电压等因结反向击穿电压等因素的限制。素的限制。素的限制。素的限制。第3页，本讲稿共60页l l光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。谱响应在可见到近红外区中

4、，光电检测中应用多。第4页，本讲稿共60页l l选择一定厚度的选择一定厚度的选择一定厚度的选择一定厚度的i i层，具有高速响应特性。层，具有高速响应特性。层，具有高速响应特性。层，具有高速响应特性。l li i层所起的作用层所起的作用层所起的作用层所起的作用:(1):(1)为了取得较大的为了取得较大的为了取得较大的为了取得较大的PNPN结击穿电压，必须选择高电阻率的结击穿电压，必须选择高电阻率的结击穿电压，必须选择高电阻率的结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频基体材料，这样势必

5、增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。率响应。率响应。率响应。l l而而而而i i层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。

6、基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。l l (2)(2)反偏下，耗尽层较无反偏下，耗尽层较无反偏下，耗尽层较无反偏下，耗尽层较无i i层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率响应。响应。响应。响应。第5页，本讲稿共60页PINPIN管的最大特点是管的最大特点是管的最大特点是管的最大特点是频带宽，可达频带宽，可达频带宽，可达频带宽，可达40GHz40GHz。另一特点是线性输出范围宽。另一特点是线性输出范围宽。另一特点是线性输出范围宽。另一特点是

7、线性输出范围宽。缺点缺点缺点缺点:由于由于由于由于I I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。微安。微安。微安。第6页，本讲稿共60页雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管l l由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。高的

8、增益带宽乘积和极快的时间响应特性。高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。l l通过一定的工艺可以使它在通过一定的工艺可以使它在通过一定的工艺可以使它在通过一定的工艺可以使它在1.061.06微米波长处的量子效率微米波长处的量子效率微米波长处的量子效率微米波长处的量子效率达到达到达到达到3030，非常适于可见光及近红外区域的应用。，非常适于可见光及近红外区域的应用。，非常适于可见光及近红外区域的应用。，非常适于可见光及近红外区域的应用。第7页，本讲稿共60页l l 当光敏二极管的当光敏二极管的当光敏二极管的当光敏二极管的PNPN结上加相当大的反向偏压时，在结区结上加相当大的反向偏压时，在结区结上

9、加相当大的反向偏压时，在结区结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子空穴对。空穴对。空穴对。空穴对。l l新的电子新的电子新的电子新的电子空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运空穴对在强

10、电场的作用下分别向相反方向运空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子子子子空穴对。空穴对。空穴对。空穴对。l l只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击崩倍

11、增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压。穿电压。穿电压。穿电压。第8页，本讲稿共60页雪崩光电二极管的雪崩光电二极管的雪崩光电二极管的雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线倍增电流、噪声与偏压的关系曲线倍增电流、噪声与偏压的关系曲线倍增电流、噪声与偏压的关系曲线第9页，本讲稿共60页l l在偏置电压较低时的在偏置电压较低时的在偏置电压较低时的在偏置电压较低时的A A点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，点以左，不发生雪崩过程；随着

12、偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加倍增电流逐渐增加倍增电流逐渐增加倍增电流逐渐增加l l从从从从B B点到点到点到点到c c点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声崩击穿；同时噪声崩击穿；同时噪声崩击穿；同时噪声l l也显著增加，如图中也显著增加，如图中也显著增加，如图中也显著增加，如图中c c点以右边的区域。因此，最佳的偏压工作区是点以右边的区域。因此，最佳的偏压工作区是点以右边的区域。因此，最佳的偏压工作区是点

13、以右边的区域。因此，最佳的偏压工作区是c c点点点点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。l l由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。第10页，本讲稿共60页l l雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽雪崩光电

14、二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达可达可达可达100GHz100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。是目前响应最快的一种光敏二极管。是目前响应最快的一种光敏二极管。是目前响应最快的一种光敏二极管。l l不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。信号的探测方向被广泛地应用。信号的探测方向被广泛地应用。信号的探测方向被广泛地应用。l l在设计雪崩

15、光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。工艺和保证结面的平整。工艺和保证结面的平整。工艺和保证结面的平整。l l其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。其缺点是工艺要求高，稳定性差

16、，受温度影响大。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。第11页，本讲稿共60页雪崩光电二极管与光电倍增管比较雪崩光电二极管与光电倍增管比较雪崩光电二极管与光电倍增管比较雪崩光电二极管与光电倍增管比较l l体积小l l结构紧凑l l工作电压低l l使用方便l l但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大l l故光电倍增管更适宜于弱光探测第12页，本讲稿共60页2.42.4 CCD CCDl lCCDCCD是一种电荷耦合器件是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device)(Charge Coupled Device)l lCCDCCD的突出特点：是以的突出特点：是以电

17、荷电荷作为信号，而不同于其它作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。大多数器件是以电流或者电压为信号。l lCCDCCD的基本功能是的基本功能是电荷的存储和电荷的耦合电荷的存储和电荷的耦合。l lCCDCCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。传输和检测。第13页，本讲稿共60页CCDCCD的结构的结构l lMOS 光敏元：光敏元：构成构成构成构成CCDCCD的基本单元是的基本单元是的基本单元是的基本单元是MOS(MOS(金属金属金属金属氧化物氧化物氧化物氧化物半导体半导体半导体半导体)结构。结构。结构。结构。（型层）

18、（型层）电极电极第14页，本讲稿共60页l l在栅极加正偏压之前，在栅极加正偏压之前，在栅极加正偏压之前，在栅极加正偏压之前，P P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。l l加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。l l当当当当U UGG U Uthth时，半导体与绝

19、缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子(少少少少子子子子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。l l反型层电荷的存在表明了反型层电荷的存在表明了反型层电荷的存在表明了反型层电荷的存在表明了MOSMOS结构存储电荷的功能。结构存储电荷的功能。

20、结构存储电荷的功能。结构存储电荷的功能。一、电荷存储一、电荷存储第15页，本讲稿共60页表面势与栅极正偏压的关系 表面势表面势 0.1um 0.2um 0.4um 0.6um0.1um 0.2um 0.4um 0.6um 栅极正偏压栅极正偏压栅极正偏压栅极正偏压第16页，本讲稿共60页表面势与反型层电荷密度的关系 表面势表面势 反型层电荷密度反型层电荷密度第17页，本讲稿共60页 势井第18页，本讲稿共60页二、电荷的耦合第19页，本讲稿共60页电荷的耦合l l第一个电极保持第一个电极保持10V10V，第二个电极上的电压由，第二个电极上的电压由2V2V变到变到10V10V，因这两个电极靠得很紧

21、，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。l l若此后第一个电极电压由若此后第一个电极电压由10V10V变为变为2V2V，第二个电极电，第二个电极电压仍为压仍为10V10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。l lCCDCCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一电极间隙必须很小，电荷

22、才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCDCCD，1m1m的间的间隙长度是足够了。隙长度是足够了。第20页，本讲稿共60页第21页，本讲稿共60页l l主要由三部分组成：信号输入、电荷、信号输出。主要由三部分组成：信号输入、电荷、信号输出。l l输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中，称为电输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。荷注入。l l电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入l l电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施电注入：用于滤波、

23、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。加电压。l l光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCDCCD硅片时，在硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。的工作原理的工作原理P-Si输入栅输入二极管输出二极管输出栅SiO2第22页，本讲稿共60页l l在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压

24、，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。信号。l l为了实现电荷的定向转移，在为了实现电荷的定向转移，在CCDCCD的的MOSMOS阵列上划分成以几个阵列上划分成以几个相邻相邻MOSMOS电荷为一单元的循环结构。一位电荷为一单元的循环结构。一位CCDCCD中含的中含的MOSMOS个个数即为数即为CCDCCD的像数。的像数。l l以电子为信号电荷的以

25、电子为信号电荷的CCDCCD称为称为N N型沟道型沟道CCDCCD，简称为，简称为N N型型CCDCCD。而以空穴为信号电荷的而以空穴为信号电荷的CCDCCD称为称为P P型沟道型沟道CCDCCD，简称为，简称为P P型型CCDCCD。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N N型型CCDCCD比比P P型型CCDCCD的工作频率高得多。的工作频率高得多。的工作原理的工作原理第23页，本讲稿共60页CCD的特点l l体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。l l空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。空间分辨率高，

26、可以获得很高的定位精度和测量精度。l l光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高 。l l高速扫描，基本上不保留残象高速扫描，基本上不保留残象(电子束摄象管有电子束摄象管有15201520的的残象残象)l l集成度高集成度高l l可用于非接触精密尺寸测量系统。可用于非接触精密尺寸测量系统。l l无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。l l有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。结合接口。第24页，本讲稿共60页CCDCCD的特性参数

27、的特性参数l l像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等l l像素数是指CCD上感光元件的数量。4444万（万（768*576768*576）、）、100100万（万（1024*10241024*1024）、）、200200万（万（1600*12001600*1200）、）、600600万万（2832*21282832*2128）l l信噪比：典型值为典型值为46分贝分贝l l感光范围感光范围 可见光、红外可见光、红外第25页，本讲稿共60页l l CCDCCD按电荷存储的位置分有两种基本类型按电荷存储的位置分有两种基本类型1 1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界、电荷包存储在半导

28、体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输面传输 表面沟道表面沟道CCDCCD(简称简称SCCD)SCCD)。2 2、电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在、电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，半导体体内沿一定方向传输，体沟道或埋沟道器件体沟道或埋沟道器件(简称简称BCCD)BCCD)。的类型第26页，本讲稿共60页的类型l l线阵线阵：光敏元排列为一行的称为线阵，象元：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从数从128128位至位至50005000位以至位以至70007000位不等，由于生产厂位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可家象元数的不

29、同，市场上有数十种型号的器件可供选用。供选用。l l面阵面阵CCDCCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。和列的结合。l l目前达到实用阶段的象元数由目前达到实用阶段的象元数由2525万至数百万个不等，万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有按照片子的尺寸不同有1 13 3英寸、英寸、l l2 2英寸、英寸、2 23 3英寸以至英寸以至1 1英寸之分。英寸之分。第27页，本讲稿共60页线阵线阵线阵线阵CCDCCD：一行，扫描；：一行，扫描；：一行，扫描；：一行，扫描；体积小，价格低；体积小，价格低；体积小，价格低；体积小，价格低；面面面面阵阵阵阵

30、CCD:CCD:整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积大；面阵面阵CCDCCD芯片芯片第28页，本讲稿共60页CCDCCD在检测方面的应用在检测方面的应用l l几何量测量l l自动步枪激光模拟射击系统。自动步枪激光模拟射击系统。l l光谱测量l l光谱仪输出信号测量。光谱仪输出信号测量。第29页，本讲稿共60页习题l l1、何谓直接检测系统的热噪声限、shot噪声限和量子噪声限，它们的条件和信噪比分别为多少。l l 2、为何直接检测系统不用于信噪比较低的场合。第30页，本讲稿共60页第三章第三章 直接探测方法

31、直接探测方法第31页，本讲稿共60页光电检测系统分类l l主动系统主动系统/被动系统被动系统(按信息光源分按信息光源分)l l红外系统红外系统/可见光系统可见光系统(按光源波长分按光源波长分)l l红外系统多用于军事红外系统多用于军事,有大气窗口有大气窗口,需要特种探测器需要特种探测器l l可见光系统多用于民用可见光系统多用于民用l l点探测点探测/面探测系统面探测系统(按接受系统分按接受系统分)l l用单元探测器接受目标的总辐射功率用单元探测器接受目标的总辐射功率l l用面接受元件测量目标的光强分布用面接受元件测量目标的光强分布l l模拟系统模拟系统/数字系统数字系统(按调制和信号处理方式分

32、按调制和信号处理方式分)l l直接检测直接检测/相干检测系统相干检测系统(按光波对信号的携带方式按光波对信号的携带方式分分)第32页，本讲稿共60页主动系统l l通过信息调制光源,或者光源发射的光受被测物体调制.返回返回第33页，本讲稿共60页被动系统l l光信号来自被测物体的自发辐射返回返回第34页，本讲稿共60页直接检测/相干检测l l直接检测直接检测:无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的光强携带信息。光电探测器直接把接受到的光强光强携带信息。光电探测器直接把接受到的光强的变化转换为电信号的变化，然后，用解调电路的变化转换为电信号的变化，然后

33、，用解调电路检出所携带的信息。检出所携带的信息。l l相干检测相干检测:利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。因为用光波的相干原理，只能用相干光。光强。因为用光波的相干原理，只能用相干光。类似于无线电外茶检测，故又称光外差检测。类似于无线电外茶检测，故又称光外差检测。第35页，本讲稿共60页3.1直接检测系统的基本工作原理直接检测系统的基本工作原理l l3.1.1直接检测基本物理过程直接检测基本物理过程光学滤波器光探测器+前置放大器 信号处理电路信号光噪声光电路噪声第36页，本讲稿共60页 l l将待测光信号直接入射到光探测器光敏面，光将待测

34、光信号直接入射到光探测器光敏面，光探测器响应于光辐射强度输出相应的电流或电探测器响应于光辐射强度输出相应的电流或电压。压。l l光探测器的平方律特性光探测器的平方律特性l l光电流正比于光电场振幅的平方光电流正比于光电场振幅的平方光电流正比于光电场振幅的平方光电流正比于光电场振幅的平方l l输出的电功率正比于入射光功率的平方输出的电功率正比于入射光功率的平方输出的电功率正比于入射光功率的平方输出的电功率正比于入射光功率的平方第37页，本讲稿共60页l l上式表明，输出电功率与输入光功率的平方成正比。l l如果入射光为强度调制调制信号为d(t)l l 则第38页，本讲稿共60页3.1.2直接检测

35、系统直接检测系统信噪比l lPS:输入信号光功率输入信号光功率,Pn:噪声光功率噪声光功率l lSP:输出信号电功率输出信号电功率,NP:输出噪声电功率输出噪声电功率第39页，本讲稿共60页系统的基本特性第40页，本讲稿共60页l l2 2、l l 再大信噪比的条件下，光电检测后的信噪比比光信噪比再大信噪比的条件下，光电检测后的信噪比比光信噪比小一半，可以接受。小一半，可以接受。第41页，本讲稿共60页计算SNRl l系统总噪声功率为：系统总噪声功率为：l l信号功率为：信号功率为：l l信噪比为：信噪比为：第42页，本讲稿共60页系统的性能l l1 1热热噪声限制噪声限制 条件：系条件：系统

36、热统热噪声功率大于其它噪声功率噪声功率大于其它噪声功率 总总和和十倍以上，占主十倍以上，占主导导所用。所用。l l2 2、shot shot 噪声限制噪声限制:条件：系条件：系统统shotshot噪声功率大于其它噪声功率噪声功率大于其它噪声功率总总和和十倍以上，占主十倍以上，占主导导所用。所用。第43页，本讲稿共60页l l3 3、量子噪声限制量子噪声限制:条件：系条件：系统统信号光信号光产产生的生的shotshot噪声功率大于其它噪声功率大于其它噪声功率噪声功率总总和十倍以上，占主和十倍以上，占主导导所用。所用。第44页，本讲稿共60页8.1.3直接探测系统的NEPl l热噪声限制NEP 条

37、件：系统热噪声功率大于其它噪声功率 总和十倍以上，占主导所用。shot 噪声限制NEP 量子噪声限制NEP第45页，本讲稿共60页l lf fS S 为信号光波，为信号光波，f fL L为本机为本机振荡光波，这两束相干振荡光波，这两束相干光入射到探测器表面进光入射到探测器表面进行混频，形成相干光场。行混频，形成相干光场。l l经探测器变换后，输出信经探测器变换后，输出信号中包含号中包含 的差频的差频信号，故又称信号，故又称相干探测。相干探测。光外差检测光外差检测第46页，本讲稿共60页l l设入射到探测器上的信号光场为：l l本机振荡光场为：l l入射到探测器上的总光场为：基本原理第47页，本

38、讲稿共60页l l ；:量子效率；量子效率；:光子能量；光子能量；:差频。差频。l l式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1 12 2。l l第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多。相对光频而言，频率要低得多。l l当差频当差频 低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为率为 的光电流输出。的光电流输出。光探测器输出的光电流第48页，本讲稿共60页光外差检测的特性 l l可获得全部信息：可获得全部信息：

39、不仅可探测振幅和强度调制的光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；和相位等全部信息；l l转换效率高：转换增益可高达转换效率高：转换增益可高达，对，对微弱信号的探测有利微弱信号的探测有利第49页，本讲稿共60页光外差检测的特性 l l可获得全部信息：可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还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可探测频率调制及相位调制

40、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。中包含有信号光的振幅、频率和相位等全部信息。l l转换效率高：转换增益可高达转换效率高：转换增益可高达，对微弱信号，对微弱信号的探测有利。的探测有利。l l差频信号是由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光混差频信号是由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光混频得到的，只有激光才能实现外差探测。频得到的，只有激光才能实现外差探测。第50页，本讲稿共60页光外差检测的特性l l良好的滤波性能良好的滤波性能取差频信号为信息处理器的通频带，可以过滤频取差频信号为信息处理器的通频带，可以过滤频带外的杂散光；而直接探测中，

41、所有的杂散光都被带外的杂散光；而直接探测中，所有的杂散光都被接收接收l l信噪比损失小信噪比损失小l l检测灵敏度高检测灵敏度高例如：量子效率为，例如：量子效率为，f f为为HzHz，则外差检测的，则外差检测的灵敏度极限为个光子灵敏度极限为个光子第51页，本讲稿共60页系统对探测器性能的要求l l光外差检测对探测器的要求比直接检测高l l响应频带宽l l均匀性好l l工作温度高 第52页，本讲稿共60页l l光电检测系统的类型l l直接检测l l光外差检测(相干检测)l l典型的光电检测系统第五章第五章第五章第五章 光电检测系统光电检测系统光电检测系统光电检测系统第53页，本讲稿共60页光电检

42、测系统分类l l主动系统/被动系统(按信息光源分按信息光源分)l l红外系统/可见光系统(按光源波长分按光源波长分)l l点探测/面探测系统？(按接受系统分按接受系统分)l l模拟系统/数字系统(按调制和信号处理按调制和信号处理方式分方式分)l l直接检测？/光外差检测系统？(按光按光波对信号的携带方式分波对信号的携带方式分)第54页，本讲稿共60页直接检测的基本原理l l直接检测(非相干检测):都是利用光源发射的光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换为电信号的变化。第55页，本讲稿共60页直接检测的基本特性l l光探测器的平方律特性光探测器的平方律特性l l光电流正比于光电场振幅的平方光电

43、流正比于光电场振幅的平方l l输出的电功率正比于入射光功率的平方输出的电功率正比于入射光功率的平方l l信噪比：信噪比：表征检测系统的灵敏度表征检测系统的灵敏度l l视场角视场角:表征系统能表征系统能“观察观察”到的空间范围到的空间范围l l通频带宽度通频带宽度:频带宽频带宽度越度越宽宽，通，通过过信号的能量越大，系信号的能量越大，系统统的噪声功率也越大的噪声功率也越大l l检测距离：检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标是系统灵敏度的另外一种评价指标返回返回第56页，本讲稿共60页光外差检测的基本原理l l利用光波的振幅、频率、相位携带利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。信息，

44、而不是光强。l l两束相干光入射到探测器表面进行混频，两束相干光入射到探测器表面进行混频，形成相干光场形成相干光场,又称相干检测。只有激光又称相干检测。只有激光才能进行相干检测。才能进行相干检测。l l输出信号中包含输出信号中包含 的差频信的差频信号号,因此称光外差检测因此称光外差检测l l输出的中频功率正比于信号光和本振输出的中频功率正比于信号光和本振光功率的乘积。光功率的乘积。第57页，本讲稿共60页光外差检测的特性l l光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、频率光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、频率和相位等；和相位等；l l转换效率高，转换效率高，检测灵敏度高检测灵敏度高

45、（比直接检测高数量级），（比直接检测高数量级），对微弱信号的探测有利对微弱信号的探测有利（尽管信号光功率小，但是本振光功率大）（尽管信号光功率小，但是本振光功率大）l l良好的滤波性能良好的滤波性能l l信噪比损失小信噪比损失小l l检测灵敏度高检测灵敏度高l l检测距离远检测距离远l l对探测器的要求比直接检测高对探测器的要求比直接检测高第58页，本讲稿共60页光外差检测的空间和频率条件l l空间条件空间条件空间条件空间条件：:两束光的夹角，两束光的夹角，l l：检测器光敏：检测器光敏面线度面线度波长越短或口经越大，要求相位差角波长越短或口经越大，要求相位差角越小，越难满足要求越小，越难满足要求l l频率条件频率条件频率条件频率条件：要求信号光和本振光具有高度的单要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定性。色性和频率稳定性。如何获得单频光和稳频光？如何获得单频光和稳频光？信号光与本振光并非平行而成一夹角第59页，本讲稿共60页5.3 5.3 典型的光电检测系统典型的光电检测系统l l你所知道的光电检测系你所知道的光电检测系统统?l l你能讲一讲光电检测系统你能讲一讲光电检测系统?l l你能评一评光电检测系你能评一评光电检测系统统?第60页，本讲稿共60页