第二章 光电探测器概述

2.4 光电探测过程中的噪声

本专题学习要求：

1.了解光电探测过程中的噪声

2.掌握简单的消除噪声的方法

探测过程中的噪声

光电探测器在实际应用经常遇到的四类噪声：1. 琼斯噪声 (Johnson noise) 热噪声2. 散粒噪声 (shot noise) 产生复合噪声3.1/f 噪声 (1/f noise) （电流噪声、低频噪声、闪烁噪声、过剩噪声 )

4. 量子噪声 (photon noise) 。

1. 琼斯噪声

琼斯噪声是由导体中电荷载流子的无规则热运动引起的，所以有时也称为热噪声。 光电探测器本质上可用一个电流源来表示，由于电路材料本身特性，探测器本身可以等效为一个电阻R ，由电路原理可知，电阻中自由电子的热运动会在电阻器两端产生随机起伏的电压，从而会对真实信号造成一定的干扰作用，这种随机起伏的电压就称为热噪声。

所有的光电检测器都存在热噪声。可以证明，电阻为 R的热噪声功率谱为：

有效噪声电压和电流分别为：

结论：一，热噪声功率与频率无关，它在所有频率上都有均匀的谱密度，因此热噪声是白噪声。二，在低温环境下工作的光电探测器其热噪声将大大减小，特别是—些用来响应远红外波段的光电探测器。为了降低热噪声，往往把探测器进行深度致冷，放置于液氦 (4K) 、液氖 (38K) 或液氮 (77K) 的条件下工作。

2. 散粒噪声

散粒噪声 : 光电探测器在光辐射作用或热激发下，光电子或载流子随机产生所造成的。 在 p-n 结型检测器中，散粒噪声主要来源于载流子的产生与复合引起的随机起伏，这类散粒噪声往往称为产生一复 合 噪 声 ， 或 称 g-r 噪 声 (Generation recombination noise) 。

p-n 结散粒噪声

设光生载流子的持续时间为 τ ，它在外回路中产生的感应电流脉冲可表示为：

式中为载流子在电场作用下的平均漂移速度， d 为极间距离，欲求噪声功率谱密度，必须先求得电流脉冲i(t) 的付里叶变换频谱，即：

复合过程是随机的，要求在 τ 范围内的 |i(ω,τ)|2

的平均值，必须对 τ 求统计平均，载流子复合概率为：

则：

式中为载流子平均寿命。

求得噪声的功率谱密度为：

由于 v=d/τd ，其中 τd 为载流子在电场作用下渡越电极间距的时间，考虑到载流子的产生与复合，每秒钟产生的 平 均 载 流子 数 N=(I/e)( τd / τ0) ， 将 v 及 N 代入，在 ωτ0<<1 的条件下：

上式说明半导体中载流子产生一复合的随机性所引起的 g—r 噪声除了和探测器的平均电流 I 及工作带宽 Δf 有关外，还和载流子平均寿命 τ0 和渡越时间 τd 的比值 G 有关，式中 G=τd /τ0 ，通常称为半导体光电导探测器的内增益。

3. 电流噪声

电流噪声通常又称为低频噪声或 1/f 噪声 ( 有时也称闪烁噪声或过剩噪声 ) 。 这种噪声的特点是噪声功率谱密度，与频率成反比。

电流噪声主要出现在 1kHz 以下的低频区： 工作频率大于 1kHz后，与其它噪声相比这种噪声可忽略不计。在实际使用中采用较高的调制频率可避免或大大减小电流噪声的影响。

4. 量子噪声

量子噪声指的是在排除探测器自身噪声的情况下，探测器的输出电压仍会随时间有微小的起伏。

量子噪声源于光的粒子性，光子是一个一个独立到达光电探测器表面的，但是光电探测器件并不能对单个光子做出反应。由于量子噪声与探测器本身无关，起源于光的粒子性这一固有的物理特性，所以量子噪声是光电检测器件检测能力的理论极限。

习题

由于量子噪声的存在，使光电探测器存在一个可以检测的最小功率。假设入射的单色光辐射频率为 v, 功率恒定为 P, 可以视为光子流，试理论分析理想光子探测器（ ideal photon detector）的最小可检测功率。解：光电探测器检测到的光子平均流量 r ，可以由下式计算得出：

其中 η 为光电探测器的量子效率。检测时间 τ 内可以检测到的总光子数的均值为 rτ ，由此得出可以检测单个光子对应的功率：

Pmin 是探测器探测功率的极限值。即不管对探测器进行怎样的优化都不能探测到如此小功率的光信号。注意检测时间与测量带宽有一定的关系，可以表示为：

补充——光子计数技术

光子计数技术实际上是检测弱光信号的一种技术。这一技术是通过分辨单个光子在检测器 ( 通常是光电倍增管 ) 中激发出来的光电子脉冲，把光信号从噪声中提取出来。 单光子计数技术现在已经广泛应用在天文测光、大气测污、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线性光学等领域中。

光子计数技术的特点

1. 通过光电子脉冲测量光辐射量，系统灵敏度高，抗干扰能力强。2.系统稳定，易排除电源波动、探测器漏电和放大器零漂移等因素对测量精度的影响。3. 数字输出，可以直接和计算机连接。

典型器件——光电倍增管

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