光电探测器的高频问答

速查目录

考察基础功-原理理解

1. 光电探测器输出的是什么信号？电压还是电流？

2. 探测器的耦合方式DC耦合和AC耦合分别代表什么含义，如何选择？

3. 跨阻增益和转换增益是一个参数吗？

考察上手快-操作使用

4. 使用光电探测器时，示波器上无响应或者信号响应太弱，可能是什么原因造成的？

5. 光电探测器的最大可探测功率是多少？怎么计算？

6. 光电探测器可以检测到的最小可探测功率是多少？

 

基础功

Q1: 光电探测器输出的是什么信号？电压还是电流？

A1：光电探测器用一句话解释：就是将光信号转换为电信号输出的仪器，根据不同的探测器类别，输出的电信号可能是电流信号，也可能是电压信号。

下面罗列几种常见的光电探测器输出电信号类型：偏压光电探测器：内部不含放大电路，即探测器输出信号即为PD输出信号，属于电流信号。

 

图1 偏压光电探测器工作电路

放大光电探测器：内部集成了跨阻放大器（TIA）将PD输出的微弱电流信号转换为强度高得多的电压信号，即放大光电探测器输出的为电压信号。

雪崩光电探测器：将一个较高的反向偏压施加到雪崩光电二极管来产生强电场。当入射光子产生一个电子空穴对时，电场使电子加速，导致由碰撞电离产生次级电子。所产生的电子雪崩将产生几百倍的增益因子，用倍增因子M表示。雪崩探测器内部也集成了跨阻放大器（TIA），完成电流-电压转换，即雪崩光电探测器输出的为电压信号。

 

图2 带放大的探测器电路（放大/雪崩）

平衡光电探测器：由两个匹配良好的光电二极管和一个超低噪声、高速的跨阻放大器组成，因此，平衡光电探测器输出的为电压信号。

 

图3 DC耦合款平衡光电探测器电路图

Q2：探测器的耦合方式DC耦合和AC耦合分别代表什么含义，如何选择？

A2：DC即为直流，AC为交流。

DC耦合：直流+交流信号均可通过；AC耦合：内部有“隔直流通交流”的电容，只允许交流变化信号通过，阻断直流分量。

以平衡探测器为例，上图3即为DC耦合型电路示意图，下图4为AC耦合型电路示意图：

 

图4 AC耦合款平衡光电探测器电路图

两者核心区别：能不能通过直流 (0 Hz) 信号。

选型示例：如果输入信号为直流信号，即未进行调制，信号的频率成分为0 Hz，那么需要选择DC耦合的探测器。如果需要对相对较弱的调频信号进行测量，而该信号处于较强的连续波背景信号下，可选择AC耦合探测器。

 

Q3：跨阻增益和转换增益是一个参数吗？

A3：不是。

跨阻增益只描述放大器本身，通常指代TIA跨阻放大器输入光电流至输出电压的增益，单位是V/A。

转换增益为广义术语，代表一类“把 A 物理量转成 B 物理量” 的增益，可以理解为“整机”增益。例如，对于放大/平衡光电探测器而言，转换增益（V/W）=响应度（A/W）×跨阻增益（V/A）；对于雪崩光电探测器而言，转换增益（V/W）=响应度（A/W）×跨阻增益（V/A）×倍增因子M；而偏压光电探测器由于内部不含放大器，所以不存在跨阻增益或者转换增益的说法。

 

上手快

 

Q4：使用光电探测器时，示波器上无响应或者信号响应太弱，可能是什么原因造成的？

A4：示波器上无响应或信号响应太弱，可结合以下几点进行初步排查：

① 激光波长和探测器工作波长不匹配---确认激光波长是否在探测器工作范围内；② 激光功率过小---提高激光功率或者示波器阻抗切换为高阻模式下，对于可调增益款的探测器，也可以调高探测器的增益值；③ 激光未有效打到探测器靶面上---对于小靶面的探测器，确认激光是否对准打到靶面上；④ 电池没电---对于偏压探测器，电池电压为~12 V，确认电池电压值，电池电压降至10 V以下时，充电水平几乎耗尽，此时需更换新的电池；⑤ 激光光斑过大，远超过探测器靶面大小，这种情况下，即使激光功率已经较高，但实际探测器接收到的有效光信号很小，可以使用缩束/聚焦等方式减小光斑大小，使更多的光信号打到探测器上。

注意：特别是光纤激光器，由于出射的光纤光本身就是发散的，这种现象将会更明显，可以使用准直器对光纤光进行准直，响应太弱的情况也会得到有效改善。

 

Q5: 光电探测器的最大可探测功率是多少？怎么计算？

A5：在实际工程应用中，最大可探测功率会受测试环境等因素影响，这里仅给出最大可探测功率的理论值计算方法：
对于放大光电探测器:

 

其中，U为最大输出电压，G为跨阻增益，R(λ)为对应波长下的响应度。从式（1）可看出，最大可探测功率与响应度和跨阻增益有关，即在不同波长下，探测器的最大可探测功率不一样；对于可调增益款的探测器，在不同增益档位下，探测器的最大可探测功率也不一样。

注意：U和G需要一一对应，即U为High-Z（高阻）下的数值，则G也要对应High-Z下的数值，U为50 Ω下的数值，则G也要为50 Ω下的数值。

例如，LBTEK的PDS10-150M放大光电探测器，在峰值波长730 nm下，理论上最大可探测功率为：

 

这里，U和G的值均选择了High-Z下的数值。若U和G的值均选择了50 Ω下的数值，计算结果仍为2.27 mW，计算过程如下：

 

图5 PDS10-150M参数表

对于雪崩光电探测器：

 

其中，U为最大输出电压，G为跨阻增益，R(λ)为对应波长下，在M=1的响应度，M为增益因子。同理，从公式（2）可看出，最大可探测功率与响应度、跨阻增益和M因子有关。且U和G也需要一一对应。

注意：R(λ)和M的数值，如果探测器的参数表或者曲线上给出的R(λ)是在M=1下的，那么按照公式2计算功率即可。若给出的R(λ)是在指定M下，需要先将R(λ)换算成M=1下的值，再套用公式（2）计算。

例如：LBTEK的APDU-S50A雪崩光电探测器，参数表以及曲线上给出的响应度均为M=50下的值，则需要换算成M=1下的响应度值。如R(λ)=25A/W @ 800nm，M=50，换算成M=1下，则R(λ)=0.5A/W @ 800nm，M=1。即APDU-S50A在峰值波长800nm下，理论上最大可探测功率为：

 

 

这里，U和G的值均选择了High-Z下的数值。若U和G的值均选择了50 Ω下的数值，计算结果仍为1.5 μW。

 

图6 APDU-S50A参数表

对于平衡光电探测器：

计算公式同式（1），但需要注意一点的是，由于平衡光电探测器有两个输入通道，所以这里的Pmax不只是一路通道的功率，而是两路通道间的差值。即两路通道在满足单路通道功率低于损伤阈值的情况下，差值最大为Pmax。

对于偏压光电探测器：

偏压光电探测器内部无放大器，输出的信号为电流信号，所以饱和光功率和上述三种探测器计算略有不同。偏压光电探测器受光电流和饱和电压（偏置电压）影响，标称的最大电流额定值不是由于饱和，而是由于光电二极管的线键限制。超过这个水平的光电流会直接导致器件失效。根据欧姆定律，负载电阻将决定发生这种情况的电压。饱和将在等于偏置的电压下发生（如偏置电压10 V）。在实践中，使用50 Ω，将在达到饱和电压之前达到光电流极限。当负载较高时，根据欧姆定律，会很快达到饱和电压，则在光电流较小的情况下就会发生饱和。

例如：LBTEK的DETS10-350M偏压光电探测器，饱和电流为10 mA，如果负载电阻为50 Ω，那么电压最高为U=I×R=10 mA×50 Ω=500 mV＜10 V（偏置电压），此时根据饱和电流计算饱和功率：P=I/R(λ)。若负载为高阻，比如1 MΩ，那么电压最高为U=I×R=10 mA×1000000 Ω=10000 V＞10 V，此时则要根据偏置电压计算饱和光功率：

P=U/[R×R(λ)]

这里，R为负载电阻值，R(λ)为对应波长下的响应度。

 

图7 DETS10-350M参数表

Q6：光电探测器可以检测到的最小可探测功率是多少？

A6：在实际工程应用中，最小可探测功率会受测试环境等因素影响，这里仅给出最小可探测功率的理论值计算方法：

 

NEP：噪声等效功率，输出信号电压/电流=探测器自身噪声电压/电流时（即信噪比为1:1），所需的入射光功率。物理含义：刚好能和内部噪声持平的输入光信号功率，是表征弱光探测极限的核心噪声指标。而测量系统的带宽将影响在该频谱频率上集成的总噪声。在不必要的情况下使用更高的带宽会引入额外的高频噪声。

Pmin与NEP和测量带宽f有关，在1:1的信噪比下：

 

当然，在实际工程应用中，最小可探测功率会受测试环境等因素影响，且大多数应用需要比1:1更高的信噪比，因此，式（3）的理论计算值仅作为参考，实际应用的最小可探测功率往往大于该值。