光電探測器的性能參數(shù)課件

1、光電探測器的性能參數(shù)Laser光電探測器 夜色降臨，海面上有一無形的，視而不見，觸而不覺的哨兵-紅外激光探測器監(jiān)視著海面，當(dāng)有不速之客到來，光線擋斷，光電探測器探測不到激光而進(jìn)行聲光報警。Laser光電探測器的性能參數(shù) 光電探測器在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制、光度計量等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。 （1）如何衡量一個光電探測器的質(zhì)量好壞？（2）選擇一個好的光電探測器需要注意哪些關(guān)鍵指標(biāo)？光電倍增管 光電探測器的性能參數(shù)本講主要內(nèi)容一、積分靈敏度R 二、光譜靈敏度R三、頻率靈敏度Rf四、量子效率六、噪

2、聲等效功率NEP 七、歸一化探測度D*五、通量閾P(yáng)th光電探測器的性能參數(shù) 靈敏度也常稱作響應(yīng)度，是光電探測器光電轉(zhuǎn)換特性，光電轉(zhuǎn)換的光譜特性以及頻率特性的量度。 光電流i(或光電壓u)和入射光功率P之間的關(guān)系if (P)，稱為探測器的光電特性。一、積分靈敏度R 30光電探測器的性能參數(shù)靈敏度R定義為這個曲線的斜率，即 (線性區(qū)內(nèi)) (安/瓦) (線性區(qū)內(nèi)) (伏/瓦) R i和R u分別稱為積分電流和積分電壓靈敏度，i和u稱為電表測量的電流、電壓有效值。 光功率P是指分布在某一光譜范圍內(nèi)的總功率。有些教材采用微安/流明一、積分靈敏度R 29光電探測器的性能參數(shù) 光功率譜密度P由于光電探測器的

3、光譜選擇性，在其它條件下不變的情況下，光電流將是光波長的函數(shù)，記為i，于是光譜靈敏度R定義為 R是常數(shù)時，相應(yīng)探測器稱為無選擇性探測器(如光熱探測器)，光子探測器則是選擇性探測器。二、光譜靈敏度R28光電探測器的性能參數(shù)通常給出的是相對光譜靈敏度S定義為 Rm是指R的最大值，S為無量綱，隨變化的曲線稱為光譜靈敏度曲線。二、光譜靈敏度R27引入相對光譜功率密度函數(shù)，它的定義為光電探測器的性能參數(shù)只要注意到和就有積分上式，有變化量二、光譜靈敏度R26光電探測器的性能參數(shù)式中0.1并注意到由此便得式中稱為光譜利用率系數(shù)，為入射光功率能被響應(yīng)的百分比。二、光譜靈敏度R25光電探測器的性能參數(shù) 若入射光

4、是強(qiáng)度調(diào)制，在其它條件不變下，光電流if將隨調(diào)頻f的升高而下降，這時的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf，定義為if是光電流時變函數(shù)的付里葉變換，通常 稱為探測器的響應(yīng)時間或時間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定。 三、頻率靈敏度Rf24光電探測器的性能參數(shù)頻率靈敏度這就是探測器的頻率特性，R f隨f 升高而下降的速度與值大小關(guān)系很大。一般規(guī)定，R f下降到從上式可見：當(dāng)ffc時，認(rèn)為光電流能線性再現(xiàn)光功率P的變化。如果是脈沖形式的入射光，則更常用響應(yīng)時間來描述。 頻率fc為探測器的截止響應(yīng)頻率和響應(yīng)頻率。三、頻率靈敏度Rf23光電探測器的性能參數(shù) 例如：德國Advanced Laser Diode Sys

5、tems公司提供帶寬可達(dá)35GHz、響應(yīng)頻率范圍覆蓋400nm到1.6 m 的高速光電二極管。該光電二極管采用MSM（金屬-半導(dǎo)體-金屬）的結(jié)構(gòu)，具有非常低的電容、電阻，因而具有極高的響應(yīng)速度。其沖擊響應(yīng)振蕩極小，常適于高速光源時間或頻率特性探測。光纖耦合 自由光輸入三、頻率靈敏度Rf22光電探測器的性能參數(shù) 探測器對突然光照的輸出電流，要經(jīng)過一定時間才能上升到與這一輻射功率相應(yīng)的穩(wěn)定值i。 當(dāng)輻射突然降去后，輸出電流也需要經(jīng)過一定時間才能下降到零。一般而論，上升和下降時間相等，時間常數(shù)近似地由 決定。光電流是兩端電壓u、光功率P、光波長和光強(qiáng)調(diào)制頻率f的函數(shù)，即三、頻率靈敏度Rf21光電探測

6、器的性能參數(shù) 以u，P，為參變量，iF（f）的關(guān)系稱為光電頻率特性，相應(yīng)的曲線稱為頻率特性曲線。同樣，i=F (P)及曲線稱為光電特性曲線。iF ()及其曲線稱為光譜特性曲線。而iF (u)及其曲線稱為伏安特性曲線。 當(dāng)這些曲線給出時，靈敏度R的值就可以從曲線中求出，而且還可以利用這些曲線，尤其是伏安特性曲線來設(shè)計探測器的使用電路。三、頻率靈敏度Rf20光電探測器的性能參數(shù) 量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。四、量子效率 對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子， =1實際上， 時， 它對應(yīng)P-I 曲線閾值以上線性部分的斜率，是衡量LD 效率的重要指標(biāo)。四

7、、量子效率14光電探測器的性能參數(shù)從靈敏度R的定義式五、通量閾P(yáng)th可見，如果P0，應(yīng)有i=0實際情況是，當(dāng)P0時，光電探測器的輸出電流并不為零。 這個電流稱為暗電流或噪聲電流，記為它是瞬時噪聲電流的有效值。顯然，這時靈敏度R巳失去意義，我們必須定義一個新參量來描述光電探測器的這種特性。13光電探測器的性能參數(shù)光功率Ps和Pb分別為信號和背景光功率。即使Ps和Pb都為零，也會有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測微弱信號的能力。通常認(rèn)為，如果信號光功率產(chǎn)生的信號光電流is等于噪聲電流in，那么就認(rèn)為剛剛能探測到光信號存在。 依照這一判據(jù)，定義探測器的通量閾P(yáng)th為五、通量閾P(yáng)th12光電探測器的性

8、能參數(shù)于是有 ：(電壓信噪比) 例：若Ri=10A/W，in，則通量閾P(yáng)th。即小于微瓦的信號光功率不能被探測器所得知，所以，通量閾是探測器所能探測的最小光信號功率。采用另一種更通用的表述方法，這就是噪聲等效功率NEP（Noise Equivalent Power） 。它定義為單位信噪比時的信號光功率。信噪比SNR定義為 (電流信噪比) NEP越小，表明探測微弱信號的能力越強(qiáng)。所以NEP是描述光電探測器探測能力的參數(shù)。六、噪聲等效功率NEP 11光電探測器的性能參數(shù)常需要在同類型的不同探測器之間進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)“D值大的探測器其探測能力一定好”的結(jié)論并不充分。NEP越小，探測器探測能力越高，不符

9、合人們“越大越好”的習(xí)慣，于是取NEP的倒數(shù)并定義為探測度D，即七、歸一化探測度D*這樣，D值大的探測器就表明其探測力高。主要是探測器光敏面積A和測量帶寬f對D值影響甚大。10光電探測器的性能參數(shù)探測器的噪聲功率N f，所以于是由D的定義知另一方面，探測器的噪聲功率N A 所以又有七、歸一化探測度D*9光電探測器的性能參數(shù)把兩種因素一并考慮，定義 稱為歸一化探測度。這時就可以說：D*大的探測器其探測能力一定好?？紤]到光譜的響應(yīng)特性，一般給出D*值時注明響應(yīng)波長、光輻射調(diào)制頻率f及測量帶寬f，即D*(, f ,f )。七、歸一化探測度D*8光電探測器的性能參數(shù) 光電探測器還有其它一些特性參數(shù)，在

10、使用時必須注意到，例如光敏面積，探測器電阻，電容等。 特別是極限工作條件，正常使用時都不允許超過這些指標(biāo)，否則會影響探測器的正常工作，甚至使探測器損壞。 通常規(guī)定了工作電壓、電流、溫度以及光照功率允許范圍，使用時要特別加以注意。 其它參數(shù) 光敏電阻光電二極管 光電池7光電探測器的性能參數(shù)參數(shù)物理描述表達(dá)式單位積分靈敏度光電轉(zhuǎn)換特性的量度安/瓦伏/瓦光譜靈敏度對某一波長光電轉(zhuǎn)換的量度安/瓦頻率靈敏度電流隨調(diào)制頻率變化的量度安/瓦量子效率吸收的光子數(shù)和激光的電子數(shù)之比通量閾探測器所能探測的最小光信息功率瓦噪聲等效功率單位信噪比時的信號光功率瓦歸一化探測度與噪聲等效功率成倒數(shù)、光敏面積和噪聲功率有關(guān)

11、厘米.赫茲1/2/瓦光電檢測器件的性能參數(shù)6光電探測器的性能參數(shù)知識鞏固1、光電探測器的特性的微觀量-宏觀量描述是什么？量子效率 單位時間單位光量子數(shù)產(chǎn)生的光電子數(shù)。就是等量子光譜響應(yīng)曲線中用光電子數(shù)代替電流或電壓。 5光電探測器的性能參數(shù)2、光電信息轉(zhuǎn)換器件的主要特性：1光電特性 I 光電流F（）光通量2光譜特性 I 光電流F（）入射光波長3伏安特性 I 光電流F（）電壓4頻率特性 I 光電流F（f）入射光調(diào)制頻率知識鞏固4光電探測器的性能參數(shù)1、了解半導(dǎo)體光電探測器的發(fā)展及應(yīng)用。 半導(dǎo)體光電探測器由于體積小，重量輕，響應(yīng)速度快，靈敏度高，易于與其它半導(dǎo)體器件集成，是光源的最理想探測器，可廣泛用于光通信、信號處理、傳感系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。最近幾年，由于超高速光通信、信號處理、測量和傳感系統(tǒng)的需要，需要超高速高靈敏度的半導(dǎo)體光電探測器。為此，發(fā)展了諧振腔增強(qiáng)型（RCE）光電探測器、金屬半導(dǎo)體-金屬行波光電