光电子第五章浅析.ppt

第五章 光波的探测与解调 主要内容：光电探测器的工作原理、性能指标、使用技巧。 系统及器件的噪声分析 各种调制对应的解调方法及其特点 特殊探测方法：极弱信号的探测和解调、提高信噪比的方法 探测机理及其分类 按光——电相互作用分类 按响应区域分类 光电效应 内光电效应： 光电导器件 红限 光电流 响应速度 特点：必须施加电压才能工作 内光电效应（续） 光伏效应 载流子的激发——光子 载流子的分离——内建电场 光电流： 内光电效应（续） 光伏器件的电流电压特性（5-5） 对应的工作模式及其特点：开路、短路、正偏、反偏。 内光电效应（续） 其他光伏器件及其特性： PIN光电二极管 频响高、暗电流小，常用 APD（雪崩光电二极管） 增益高、对偏压和温度敏感 稳定增益的方法 肖特基势垒光电二极管 响应速度快，紫外特性好 外光电效应 特点：载流子离开材料表面 电子的动能： 常见的几种器件： 真空光电二极管（电流容量大、可以有一定的增益） 光电倍增管 灵敏度高、一般要冷却才能工作、对偏压和温度非常敏感、注意避光保存 探测器中的噪声 意义：探测器位于接收系统的第一级，其噪声水平直接影响到系统的性能。 半导体中的噪声 热噪声 G-R噪声：与器件的制作工艺有关 发射噪声 低频噪声 探测器中的噪声（续） 外光电效应中的噪声 发射噪声 暗电流噪声 倍增噪声：光电倍增管各个倍增极的增益有一定的起伏 探测器中的噪声（续） 光电探测器中的噪声分布 光电探测器的特性指标 光谱响应 响应范围 峰值响应 响应度R 探测器输出电流与输入光功率的比值 单位一般为?A/?W 该值是直流状态下、峰值波长时的测试值 光电探测器的特性指标（续） 等效噪声功率（NEP） 产生单位信噪比所需的入射功率 对带宽和输入频率都有限制 频率响应 上升和下降时间 3dB带宽 截止频率（单位增益） 光电探测器的特性指标（续） 暗电流 极限参数 击穿电压 几何参数 有源区面积 结电容 温度系数 光电探测器的特性指标（PIN） 光电探测器的特性指标（APD） 光波的解调 强度调制的解调 输入： 输出： 振幅调制的解调 输入： 输出： 光波的解调（续） 偏振调制的解调 偏振分光棱镜的原理 光波的解调（续） 未调制的输入光沿450偏振入射 两路光的振幅为： 当偏振面转动?后： 光波的解调（续） 可以证明，两路信号的光强与角度?有如下关系： 特点： 测量范围限制 可以消除光源波动和传输通道的干扰的影响 光波的解调（续） 频率及相位调制的解调 信号预处理：将频率或相位信息转化为光强信息。 干涉光路（5-19） 光波的解调（续） 输出光强： 相位解调 零差检测 外差检测 频率解调 干涉解调的特点 灵敏度极高 对光源的要求也非常苛刻 各种稳定和补偿系统复杂 系统成本高 应用举例 光纤水听器（声纳） 特殊探测方法 弱信号探测的意义 考虑问题的关键——抑制噪声 分析噪声和信号的特点，寻找可供分离的依据 几种方法的特点 光子计数法 相关探测法 取样积分法 特殊探测方法之光子计数法 光电倍增管的脉高分布曲线（5-21） 窗口电平的选择 光子堆积现象 原因 修正方法 加权计数 减小入射功率 特殊探测方法之相关探测 相关的定义： 输入信号： 参考信号： 相关运算结果： 特点：能够剔除信号内包含的噪声！ 相关探测的应用 例一：振幅调制 例二：锁定放大器的原理（5-23） 特殊探测方法之取样积分 输入信号及其信噪比为： 经过M次迭加后： 输出信号的信噪比： 特点：能够从强噪声中提取信息 取样积分的应用 OTDR（光时域反射计的工作原理） OTDR时序 取样积分效果 * * ? *