Методы приема оптических сигналов

Характеризуясь большим разнообразием схемных решений, оптические приемники в то же время имеют существенные ограничения в использовании методов преобразования оптических сигналов в сигналы электрические. Разнообразие схемных решений оптических приемников относится ко всему фотоприемному устройству, в то время, как все методы преобразования потока излучения можно разделить на три класса: метод прямого фотодетектирования, метод фотосмешения и метод приема в режиме счета фотонов.

Метод прямого фотодетектирования, иногда еще называют энергетическим приемом, заключается в преобразовании потока излучения в электрический сигнал, при котором фотодетектор реагирует на энергетические параметры потока излучения (мощность, энергию), то есть реакцией фотодетектора является строгое соответствие между числом приходящих фотонов и числом созданных фотодетектором электронов.

Если фотодетектором служит идеальный преобразующий элемент (то есть фотодетектор, который реагирует на каждый световой фотон в пределах заданного спектрального диапазона и не реагирует на изменения потока за пределами этого спектрального диапазона, не вносящий дополнительных шумов в поток свободных носителей заряда или фотоэлектронов), то тогда каждый приходящий на чувствительную поверхность фотодетектора фотон будет порождать электрон в цепи его нагрузки.

Отношение числа созданных электронов к числу порождающих их фотонов называют квантовой эффективностью фотодетектора e. Следовательно, квантовая эффективность идеального фотодетектора равна e=1,0. Для реальных приборов квантовая эффективность всегда меньше e<1,0, поэтому ток на выходе фотодетектора под действием потока фотонов будет равен I=eNq, где N-число приходящих фотонов, q-заряд электрона.

На оптический вход фотодетектора полезный сигнал всегда поступает совместно шумами. В силу нелинейности вольт-амперной характеристики фотодетектора ее можно аппроксимировать функцией вида e_вых=ae²_вх+be⁴_вх+сe⁶_вх+…, так как при малых входных сигналах составляющие порядка выше второго малы, то связь между входными и выходными сигналами фотодетектора можно аппроксимировать квадратичной функцией e_вых=ae²_вх. Следовательно, реакцией фотодетектора на входной сигнал (s_вх+ n_вх), будет (s_вых+ n_вых)=a(s_вх + n_вх)²=a(s²_вх+2s_вх n_вх +n²_вх). Первая составляющая в скобках отражает биения между компонентами сигнала и является регулярным сигналом, вторая составляющая возникает в результате взаимодействия сигнала и шумов и, в силу случайного характера последних, является также случайной величиной, третья составляющая отражает результат биений между шумами и также является случайной величиной. Учитывая смысл рассмотренных составляющих, отношение сигнала к помехе на выходе фотодетектора можно представить в виде (s/n)_вых=s²_вх/(2s_вх n_вх +n²_вх).

Фотосмешение. Часто этот метод называют фотогетеродинированием, либо фотогетеродинным приемом. Метод позволяет переходить из одного спектрального диапазона в другой и используется в системах с когерентным, монохроматическим излучением. Суть метода заключается в выделении информационного сигнала из сигнала являющегося результатом биений опорного сигнала (гетеродина) и сигнала несущего информацию.

Сигнал , несущий информацию, на входе фотоприемного устройства смешивается с опорным сигналом гетеродина . Элементом, обеспечивающим смешение двух полей, является оптическое суммирующее устройство в виде полу прозрачной пластины, грани пентапризмы и т.п.

Рис.1. Схема гетеродинного приема оптических сигналов

В результате, интерферируя на суммирующем устройстве, поля сигнала и гетеродина образуют результирующее поле V(t) в параметрах которого содержится информация переносимая входным сигналом , где (w_c-w_г)=w. Действующее на фотодетектор результирующее поле создает на его выходе ток i, в составе которого находится информационная составляющая, выделяемая при настройке электронного тракта на частоту w =(w_c-w_г), и тогда . Обычно E_г >>E_c. Если принять, что E_с=0, то ток фотодетектора будет определяться только мощностью поля гетеродина , где n_г – частота гетеродина, e - квантовая эффективность фотодетектора, q - заряд электрона. Таким образом, так как P_г >>P_c, то основные ограничения на чувствительность фотоприемного устройства будет в основном определяться дробовым ток вызванным током гетеродина.

При равенстве частот полей сигнала и гетеродина w_c=w_г процесс преобразования носит название гомодинного приема.

Шумы фотоприемного устройства и точки их приложения

Минимальный поток излучения, который может быть обнаружен фотоприемником, ограничивается случайными флуктуациями, называемыми шумами. Шумы, действующие в фотоприемном тракте, возникают под действием случайных внешних и внутренних процессов, воздействующих на фотоприемное устройство. В силу случайного характера шумовых процессов предсказать величину шумов в заданный момент времени невозможно, поэтому для их оценки используют статистические методы, на основе которых величину флуктуаций значений амплитуды шумовых сигналов оценивают дисперсией u², то есть средним значением квадрата отклонения случайной величины u от ее среднего значения за временной интервал t: .

Обычно приемники излучения характеризуют среднеквадратичным значением флуктуаций напряжения на нагрузке, либо тока на его выходе в заданной полосе частот, а интенсивность шумов действующих в приемно-передающем тракте оценивают величиной их спектральной плотности, которая характеризуется частью средней мощности S_T(w) случайных флуктуаций приходящейся на частотный диапазон от w до (w+dw).

Различают внешние и внутренние шумы устранимые и неустранимые. По физической природе внешние шумы представляют собой флуктуации потока излучения приходящего на фотодетектор. Эти флуктуации вызваны рядом причин, к которым относятся: модуляция неравномерного фона анализаторами изображения, статистический характер потока излучения (фотонные шумы), случайный характер радиационного и конвективного энергетического теплообмена между фотоприемником и окружающей средой (радиационные шумы). Внутренние шумы - это шумы, возникающие в самом фотоприемном устройстве и в силу того, что они зависят не только от свойств фотодетекторов, но и от схемы их включения и условий работы их подразделяют на собственные шумы фотодетекторов и шумы схемы.

К основным видам собственных шумов относят шум дробового эффекта, тепловой шум, генерационно-рекомбинационный шум, избыточный шум.

Дробовый шум фототока. Известно, что процесс преобразования потока фотонов в фотодетекторе носит дискретный характер, поэтому результатом преобразования является поток дискретных носителей заряда - электронов создающий ток во внешней цепи. Каждый из созданных электронов во внешней цепи вызывает импульс тока, обусловленный зарядом электрона и скоростью его движения , где d -расстояние между электродами преобразователя.

Допустим, что на интервале времени 0-T процесс преобразования описывается функцией u(t), преобразование Фурье которой имеет вид . Мгновенное значение мощности процесса u(t) равно u²(t). Полагая, что функция действует u(t) на ограниченном интервале времени (t₂-t₁) = T, найдем среднее значение мощности этого процесса в виде. Обозначив через S(w), найдем значение средней мощности в виде , где S(w) определяет спектральную плотность процесса в диапазоне частот от w до (w+dw). Так как S(w)dw=S(f)df, то

(1)

и спектральная плотность мощности фототока, создаваемая одним импульсом тока, равна , так как при малых временах t_a=T жизни электрона wt_a<<1.

Допустим, что на интервале T процесс фотодетектирования определяется функцией u(t) и формируется случайной последовательностью импульсов тока, спектральная плотность мощности которого равна . С учетом полученной ранее формулы спектральную плотность мощности фототока можно представить формулой S(f)=2pS(w), а полученное ранее выражение (1) в виде . Среднее число зарядов на интервале T определяется средней скоростью электронной эмиссии и длительностью интервала T, и равно . Следовательно, спектральная плотность мощности фототока будет равна , а отражающее ее среднеквадратичное значение амплитуды интенсивность дробовых шумов примет вид .

Входящее в эту формулу значение отражает среднее значение суммарного тока фотодетектора вызванного потоком излучения и термотоком, а задается эквивалентной полосой пропускания частот фотоприемника , где k(f) - коэффициент передачи фотоприемного тракта, а K₀ его максимальное значение на частоте f=0.

Тепловой шум. Тепловой шум обусловлен хаотическим тепловым движением носителей заряда в металлах и полупроводниках, иногда его называют шумом Джонсона. Шум не зависит от приложенного к элементу напряжения, а интенсивность шума оценивается по формуле Найквиста среднеквадратичным значением напряжения по формуле , где k –постоянная Больцмана, T- абсолютная температура проводника (K⁰), R_Н – сопротивление проводника.

Генерационно-рекомбинационный шум. В процессе преобразования потока излучения в электрический сигнал в виде потока носителей заряда в полупроводниках возникают флуктуации скоростей генерации и рекомбинации свободных носителей заряда, что влечет за собой флуктуации концентрации свободных носителей и, как следствие флуктуации проводимости. По мере роста частоты спектральная плотность шума падает, а с ростом напряжения питания интенсивность шума нарастает.

Избыточный шум. Избыточный шум объединяет несколько видов шумов с интенсивностью обратно пропорциональной частоте (º1/f) и возникающих только при протекании тока через приемник. Эти шумы зависят от типа фотоприемника, основная интенсивность лежит в области низких частот (сотни Гц).

Дробовой и тепловой шумы являются широкополосными шумами, их интенсивность слабо зависит от частоты и спектральную плотность шумов можно считать равномерной по частотному спектру. Такие шумы, обычно, принято называть белыми шумами.

Среди внешних шумов существенную роль играет радиационный шум. Этот шум возникает вследствие флуктуаций числа фотонов фона и источника излучения. На выходе фотоприемника эта составляющая шумов оценивается по формуле и имеет свойства белого шума.

В общем случае все источники шумов, возникающие в фотоприемном устройстве, считаются статистически независимыми и, по этой причине, суммарное значение среднеквадратического значения напряжения шума на выходе фотоприемника равно .

Точки приложения шумов

Действие шумов на фотоприемное устройство складывается из действия внешних и внутренних шумов, существенно различающихся по своей природе. По физической природе внешние шумы образуются вследствие флуктуаций потока излучения приходящего на фотоприемное устройство. Составляющими этих шумов являются модуляция неравномерного фона анализаторами изображения, статистический характер потока излучения, случайный характер радиационного и конвективного теплообмена между фотоприемником и окружающей средой , которые при токовой интегральной чувствительности фотодетектора , зависящая от спектрального состава излучения, создают на выходе фотоприемного устройства шум со спектральной плотностью мощности равной .

Рис.2. Точки приложения шумов в ФПУ

Показанная на рис.2 схема отражает основные точки приложения внутренних шумов действующих в фотоприемном устройстве.

Дата добавления: 2014-01-05