Страница:Кривицкий Б.Х. Справочник по радиоэлектронным системам. Том 2.djvu/267

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники
Перейти к: навигация, поиск
Выкупить рекламный блок
Эта страница не была вычитана


266

СИСТЕМЫ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

[Разд. 9

ходе фотодетектора не зависит от частоты, фазы и поляризации несущей. Поэтому приемник прямого детектирования принимает сигналы только с модуляцией по амплитуде. Для приема сигналов с другими видами модуляции перед приемником прямого детектирования устанавливается соответствующий преобразователь модуляции.

Дробовые шумы на выходе фотодетектора пропорциональны среднему току детектора, обусловленному сигналом, фоновым излучением и темповым током, генерируемым внутри детектора. Эти шумы складываются на выходе приемника с тепловыми шумами нагрузки фотодетектора и шумами следующего за ним усилителя. Специфика приема на оптических частотах заключается в том, что на единицу мощности принимаемого сигнала приходится существенно меньшее число фотонов, чем в радиодиапазоне. Поэтому необходимо учитывать шум, связанный с самим сигналом — дробовой шум фотонов, обусловленный флуктуациями скорости поступления фотонов на фото детектор. На радиочастотах этот шум имеет пренебрежимо малую интенсивность, поскольку относительный уровенр фотонного шума обратно пропорционален числу принимаемых в единицу времени фотонов. Кроме того, элементы до- детекторного тракта, в частности антенны, в оптическом диапазоне не вносят теплового шума, который в соответствии с законом Планка влияет только на частотах, где энергия фотона hf мала по сравнению со спектральной плотностью теплового шума kT (заметим, что hf—kT при Г=300К на длине волны 50 мкм).

Отсутствие влияния теплового шума позволяет реализовать в оптическом диапазоне прием единичных фотонов (режим счета фотонов). Фотодетекторы преобразуют поглощенное оптическое излучение в электрические сигналы.

Общее выражение для преобразования падающего потока фотонов со средне* мощностью Р и частотой f в первичный фототок /ф имеет вид:

где P/hf — среднее число падающих фотонов в единицу времени; е — заряд электрона; т)к.э — квантовая эффективность фотокатода, определяемая средним числом выбиваемых электронов на один фотон падающего излучения; D — коэффициент преобразования мощности излучения в ток.

Средняя мощность несущего колебания на поверхности фотодетектора пропорциональна квадрату напряженности (интенсивности) электрического поля на чувствительной поверхности фотодетектора. Таким образом, фотодетектор представляет собой квадратичное устройство, реагирующее на интенсивность светового излучения, усредненную по многим периодам оптической частоты.

С учетом внешних и внутренних шумов, а также умножения носителей в фотодетекторе отношение сигнал/шум на выходе приемного устройства прямого детектирования может быть записано в виде

(9-3)

Здесь т — коэффициент модуляции света; М(со)—коэффициент усиления по току или внутренний коэффициент умножения фотодетектора; 2е(1с+/ф+/т)5 =

= др— средний квадрат дробового шума, 1ф — фототок, обусловленный фоновым излучением; It — темновой ток фото детектор а; Д/э—шумовая (энергетическая) полоса послед етекторного тракта; Тт—эффективная шумовая температура, учитывающая тепловой шум детектора, а также шум, вносимый следующим за ним усилителем; Rb— эквивалентное сопротивление нагрузки фотодетектора, определяемой требованиями к полосе пропускания послед етекторного

тракта; F(M) — коэффициент, учитывающий увеличение шума в процессе умножения носителей в фотодетекторе (коэффициент избыточного шума).

Для твердотельных фотодиодов с отрицательным смещением и вакуумных фотодиодов F(M) = 1, для ФЭУ и лавинных фотодиодов F(M)> 1, а для фоторезисторов и фотодиодов без смещения F(M)=2.

Наиболее высокая чувствительность приемника прямого детектирования получается в том случае, когда минимально обнаруживаемый сигнал ограничивается квантовыми флуктуациями среднего тока сигнала и можно пренебречь прочими источниками флуктуаций (7ф«/т»0; Тш ж »0). Такой режим практически реализуется в детекторах с большим умножением тока (М>1). В этом случае значение переменной составляющей минимально обнаруживаемой оптической мощности

(9-4)

Формула (9-4) определяет чувствительность приемника прямого детектирования, ограниченную квантовым шумом.

В приемниках без внутреннего умножения (М = 1), минимально обнаруживаемый сигнал обычно ограничивается тепловым шумом фотодетектора, сопротивлени-