Главная  Носители тока 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 [ 66 ] 67 68 69 70 71 72 73 74

8.3. ФОТОПРЕОБРАЗОВАНИЕ

Развитие лазерной техники привело к использованию в системах связи когерентных световых сигналов. Иначе говоря, стало возможным преобразование частот светового диапазона, в результате чего значительно улучшается отношение сигнал/шум в приемниках света.

А. Усиление мощности в процессе фотопреобразования

Предположим, что необходимо обнаружить световой сигнал El cos ait. Для этого данный сигнал и сигнал накачки Ер cos apt подают на фотоумножитель или фотоэлемент с характеристикой 1=аЕ, где Е - напряженность поля входной волны (волн). Если фронты волн выравнены надлежащим образом, то эти два сигнала вызывают фототок

а (£. cos coji -j- Е^ cos tatf = 0,5aE] + О.ЪаЕ^ +

afifp cos (со,-№p)-f-несущественные члены. (8.61)

При воздействии только светового сигаала cosco, выпрямленный ток равен /, = 0,5£; если бы присутствовало только колебание накачки Epcoscop, выпрямленный TJK был бы равен 1р = 0,БаЕ\ Благодаря тому, что присутствуют оба сигнала, имеется сигнал разностной частоты (ю, - Юр) с амплитудой

I, = aE,Er, = 2\rTj;. (8.62)

Следовательно, усиление по мощности в процессе пре-обоазования равно

С = -=2-. (8.63)

Это соотношение не может быть верным при всех уровнях сигнала, так как в этом случае усиление G стремилось бы к бесконечности при уменьшении h до нуля. Вся трудность заключается в том, что в.ходной сигнал Fi cos а4 очень низкого уровня тонет в шуме фотонов накачки. Таким образом, не следует экстраполировать равенство (8.63) до нулевого значения входного сигнала, так как (j/i/2/р->0 при очень малых в.ходных сигналах. Однако над детальной разработкой точной теории для случая слабого сигнала еще нужно работать.



Б. Шум в процессе фотопреобразования [IM]

Пусть п - число фотонов входного сигнала за секунду , Л^ - число освобожденных электронов заекунду, ц = =Nln - квантовый выход детектора и hqN - выпрямленный ток, вызванный сигналом. При отсутствии преобразования характеристики флуктуации N находят по теореме о дисперсии

var N - if var /г /гт) (I - tj). (8.64)

Если G\, то усиленный входной фотонный шум равен

var N = Gf var п = GtjJv (var /n). (8.65)

поскольку усиливается только первая компонента шума из (8.64). Следовательно, результирующий токовый шум в процессе преобразования есть

S г if) = 2? var N = 2(tiA G (var пЩ) = = 29->3G/,(varft/n) = 49Tj/p(varn/n)(G/./2/p). (8.66)

К нему следует добавить шум сигнала накачки

5 И/)=2/р. (8.67)

Поскольку два эти источника независимы, общий шум определяется выражением

Si{f) = Si{f) + S ,-{f) =

= 2qlp[l + 27J (var п/п) (G/,/2/p)]. (8.68)

Пока входной сигнал не настолько мал, чтобы тонуть в шу.ме накачки, верно выражение G=21plli и, следовательно.

Si (f) = 2qlp [1 + 27) (var njn)\ (8.68a)

Если var n = n, то

Si(f)=2qIp(l+2ц). (8.686)

Чтобы наблюдать влияние шума входного сигнала, следует использовать детекторы с большим квантовым выходом Т).

Если бы присутствовал только входной сигнал EiCOeWit, то шум простого детектора был бы равен

S,(/) = 2? var = 2ql, [1 -j- tj (var it - h)ln], (8.69)

в соответствии с (8.64). Если var п = п, то

Si{f)=2ch. (8.69а)



При этом условии можно дать сравнительную оценку соотношения сигнал/шум по мощности в фотопреобразователе. При непосредственном детектировании из (8 69а) следует

Для смесителя же

1 .0

S 2 о 2/,/р 2

N - St (f)B - 2qfj,(l + Щ)В 1 -Ь 2Y]

(2)-(8-70

Отношение сигнал/шум преобразователя оказывается равным произведению 2/(1-Ь2т]) на отношение сигнал/шум простого детектора. Таким образом, фотопреобразователь не слишком сильно меняет отношение сигнал/шум по мощности. Однако, преимущество преобразователя в том, что одновременно достигается усиление по мощности. Поэтому шум усилителя, стоящего после фото детектор а, оказывается менее существенным. Таким образом, во многих случаях фотопреобразование оказывается выгодным.

До сих пор мы предполагали, что G/i/2/p~l. Но при очень малых входных сигналах GIi/2Ip приближается к нулю, и поэтому (8.68) принимает вид

Siif)=2qlp, (8.72)

ожидаемый для фотодетектора, на который подана только накачка.

В фотоумножителях можно увеличить усиление, используя больше каскадов и уменьшая темповой ток при помощи о.хлаждения. Использование процесса преобразования в этом случае вряд ли улучшит отношение сигнал/шум. В твердотельном фотодетекторе малые сигналы на его выходе могут потонуть в шуме усилителя. Такая ситуация особенно характерна, если фотопроводниковый или фотогальваническии детекторы используются для волны длиной 10 мкм. В этом случае фотопреобразование может значительно улучшить отношение сигнал/шум.

Таким образом, мы видим, что преобразования частоты оптического диапазона часто оказываются выгодными, особенно при выполнении определенных условий: 1) волновые фронты должны быть весьма тщательно




1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 [ 66 ] 67 68 69 70 71 72 73 74