光外差探测原理

但在实际情况下， 的和频( 但在实际情况下，光频νL、νS 的和频(νL+νS) 极高，其远远超出相干探测系统的频率响应范围。 极高，其远远超出相干探测系统的频率响应范围。 因此在光混频器的输出中只须考虑频率较低的差 频项，亦即中频信号i 频项，亦即中频信号 IF。 这个中频(差额) 这个中频(差额)信号包含了信号光所携带的全部 信息。 信息。
相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。 相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。 因为相干接收时要求信号光和本地振荡光空间方向严格调 而背景光入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 准。而背景光入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。 于是就不能得到输出。所以相干探测自身有很好的空间滤 波性能， 波性能，无需像直接探测那样在系统中加孔径光阑和滤光 片。
θ ≠0
dβ << 1 2
λS
πd
数值例： 数值例：d=1mm
λS = 0.63µm, θ << 41′′
λS = 10.6µm, θ << 11′ 36' '
二、相干探测的频率条件
• 相干探测是两束光波迭加后产生干涉的结果。这种干涉取 相干探测是两束光波迭加后产生干涉的结果。 决于信号光束和本振光束的单色性 单色性。 决于信号光束和本振光束的单色性。要求激光光源具有良 好的单色性（单纵模运转的激光器） 好的单色性（单纵模运转的激光器） 。 • 信号光和本振光的频率漂移会导致相干探测系统的性能变 信号光和本振光的频率漂移会导致相干探测系统的性能变 频率 如果信号光和本振光的频率相对漂移很大， 差。如果信号光和本振光的频率相对漂移很大，两者频率 之差就有可能大大超过中频滤波器带宽，因此， 之差就有可能大大超过中频滤波器带宽，因此，光混频器 之后的前置放大和中频放大电路对中频信号不能正常地放 大。 • 在光相干探侧中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光 在光相干探侧中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光 稳定 频率，这使相干探测方法比直接探测方法更为复杂。 的频率，这使相干探测方法比直接探测方法更为复杂。

假定入射光信号电场为：
Es t A cos t
光场平均光功率为：
5-1
Ps E t A 2
2
2 E t 表示 Es t 的时间平均值；
_______ 2 s
_______ 2 s
显然，光波直接检测只能测量到振幅值。
反射镜
CO2激光器
fs fL 转镜
f s- f L 输出 光电 放大器 线栅 偏振器 检测器
6.2.3 良好的滤波性能 如果取差频信号宽度 (L s ) / 2 为信息处理 器的通频 带 f 即 f (L s ) / 2 f L f s ， 那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光可 以进入系统，其他杂光所形成的噪声均被信号处理器 滤掉，因此，外差检测系统中不需要加光谱滤光片， 效果甚至比加滤光片的直接检测系统还好得多。

2
L
x sin x
于是，本振光波可表示为
f L (t ) AL exp[ j(Lt L x]
上述两束光投影到检测器上时，根据检测器的输出 特性，整个光敏面总响应电流为
i As AL cos[(ct (s L ) x]dxdy Ad l sin 2 As AL cos[(c t (s L )] l 2
p s L
e 为量子效率； 式中： 为光电变换比例常数， h c L s 称为差频。 h 为光子能量； 上式中： <1> 余弦平方项在整数周期内的时间平均值为 1 2 ，其和为 2 2 ， 相当于探测器输出的直流分量； ( ES E 0 L0 ) 2 <2> 第三项为“合频项”，其整数周期内的时间平均值为零； <3> 第四项为“差频项”，注意到它的变化速度相对光场的变化要 缓慢得多，可视为常数，当差频(ωL-ωs)/2π=ωc/2 π低于光检 测器的截止频率时，光检测器就有频率为c / 2 的光电流输出。

Vs iIF Z ' iIF ( g d jCd )
此电压在负载电阻 R L 上流过的电流为
Vs g d jCd iIF is Z d RL g d jCd 1 RL g d jCd ( RL RS )

1 RL g d
RL
iIF jCd ( RL RS )
SNR po
PS hf IF
2 * * EL ES dA EL EL dA * * * EL EL dA ES ES dA EL EL dA

PS meff eff hf IF
SNR po
(2.2.18)
式中
g d 1 Rd
'
为半导体光电二极管的电导，通常有 Rs g d 1
Rd Rs jCd Rd Rs 1 Rs g d jCd Rs Z d Z Rs 1 jCd Rd g d jCd

1 jC d Rs g d jC d
则光外差信号流过光电二极管的中频电流 i IF 产生的光生电压为
等效电路及等效电压发生器电路见下图
图8.2 光伏探测器恒流源等效电路
图8.3 光伏探测器等效电压发生器电路
(2)先求信号功率
由图8.2知
1 Z' 1 jC d R d 1 1 Rd 1 ( jC d ) Rd
对等式两边取倒数
Z'
Rd 1 1 jCd Rd g d jCd
经带通滤波器后的霰弹噪声和热噪声功率为
2 e
2
2
(2.2.9)
Pno 2eG PS PL PB I d f IF RL 4kTf IF (2.2.10) h

后级信号
处理电路
反馈电路
光探测电路示意图
9
3.3.1 前放噪声等效电路
Eso
Eno
Vs－信号源，RS－信号源内阻， Ens－RS的热噪声 En－放大器噪声电压源，In－放大器噪声电流源， Av－放大器电压增益，Zi－放大器的输入阻抗，Eni －放大器输入端的噪声电压，Eso－放大器的输出端 电压，Eno－放大器输出端的总噪声电压
输出信噪比为
(
so M Ri Ps ) 2 2 2 2 no ins inb ind inT
探测器的噪声等效功率为
NEP Ps 1 2 2 2 2 12 (ins inb ind inT ) MRi
5
1 4k BTf 1 2 2 [2eM f (is ib id ) ] MRi RL
2 ns 2 2 2 2 K P ( Ens En In Rs )
2
2
2
KV
Zi Av Rs Z i
－放大器的电压传递函数 （考虑源在内的系统增益，注意和Av的区别！）
－放大器的功率传递函数
K P ( KV )2
2 E 2 2 2 2 no Ens En In Rs2 因此等效输入噪声为： Eni KP
so si2 (si ni )2 ( SNR)o 2 no 2si ni ni 1 2( si ni )
so ( si ni )2，说明直接探测不适合微弱信号 （1）si/ni《1，则有 no
讨论：
的探测；
so 1 ( si ni ) ，转换后信噪比损失不大； （2）si/ni》1，则有 no 2
讨论：
2 nT
（1）热噪声优势 i