главная   оптика   волоконная оптика   спектроскопия   лазеры   лазерные системы
 
   
Главная / Оптика / Компоненты оптических схем / Фотоприемники / Шумовые характеристики фотоприемников
 
 
Оптика /
  Тысячелетняя история развития оптики
  Природа света. Свойства электромагнитного излучения
  Законы оптики и оптические эффекты
  Компоненты оптических схем
  Оптические линзы
  Оптические призмы
  Оптические фильтры
  Фотоприемники
  Брэгговские структуры
  Электрооптические модуляторы
  Поляризационная оптика
  Светоотражатели
  Дифракционные решетки
  Оптические материалы
  Оптические системы
  Свет и энергетика
  Зрение
Волоконная оптика
Спектроскопия
Лазеры
Лазерные системы
Телекоммуникации и связь
 
Выставки и конференции
Новости науки и лазерной техники
 
О проекте
Ссылки

 

Шумовые характеристики фотоприемников

Материал подготовил Николай Сивов

Для выбора приёмников оптического излучения необходимо знать такую характеристику, как минимальная детектируемая оптическая мощность. Чаще всего, для вычисления данной характеристики, разработчику необходимо знать такой параметр приёмника, как мощность шумов. Существует множество различных определений шума, одним из которых является величина Noise Equivalent Power (NEP) – эквивалентная мощность шума.

Чувствительность фотодетектора – удобный показатель, позволяющий количественно оценить характеристики фотодетектора, а также сравнить его с другими детекторами. Однако, в большинстве случаев данный показатель бывает сложно определить. Эквивалентная мощность шума – более общая характеристика, позволяющая количественно определить чувствительность фотодетектора или мощность, генерируемую источником шума. Но даже данный показатель может запутать инженера, так как существует множество методик расчета и определений данной величины.

Наиболее часто встречающееся определение эквивалентной мощности шумов: NEP – мощность входного сигнала, при которой отношение сигнал / шум (Signal – to – noise ratio - SNR) равно 1 в выходной полосе пропускания, равной 1 Гц. Для фотодетекторов NEP выражает чувствительность устройства. Единица измерения NEP -  Вт/(Гц^½).

По сути, NEP определяет минимальную детектируемую мощность на квадрат полосы пропускания данного детектора, другими словами – самый слабый оптический сигнал, который мы можем зарегистрировать. Из этого следует, что желательно иметь величину NEP на приёмнике наименьшей величины, так как низкое значение NEP соответствует низким значениям шумов, а значит, более высокой чувствительности детектора. Даже при большом значении входной оптической мощности низкий уровень NEP предпочтителен, так как он обеспечивает низкий уровень шумов в выходном сигнале.

Даже при отсутствии оптического сигнала на фотодетекторе будет образовываться некоторое количество шума (например, теплового или дробового), что приведет к некоторому количеству выходных шумов. Мощность этих шумов, и, соответственно, NEP, зависят от соответствующей ширины полосы пропускания. Данная полоса пропускания нормализуется до величины в 1 Гц, что обычно намного ниже ширины пропускания фотодетектора, что позволяет напрямую сравнивать фотодетекторы с различными значениями полосы пропускания. В частности, NEP используется для обозначения оптической мощности, падающей на чувствительную площадку фотодетектора. В данном случае, NEP именуется как оптическая эквивалентная мощность шума (Optical NEP).

В другом случае, NEP может рассчитываться как отношение флуктуаций электрического сигнала на сенсоре к мощности на выходе фотодетектора. Данный шум может являться следствием тепловых или дробовых шумов, его именование – “Electrical NEP” (электрическая эквивалентная мощность шумов). Оптический NEP равен отношению электрического NEP к квантовой эффективности детектора. Часто оптическая эффективность  принимается равной 1, что предполагает равенство оптической и электрической эквивалентной мощности шумов.

Спектральная чувствительность фотоприемника Поскольку чувствительность приёмника зависит от длины волны, эквивалентная мощность шума также зависит от длины волны.

Минимальный NEP достигается на длине волны максимальной чувствительности фотодетекторов. В спецификациях данная величина именуется как “Minimum NEP” (минимальный NEP). Для расчета NEP в зависимости от длины волны λ применима формула

 

 

где NEP_min – минимальная эквивалентная мощность шума, обычно приведённая в спецификации детектора, R_max – максимальная чувствительность детектора, R(λ) – чувствительность детектора на длине волны λ. R_max и R(λ) могут быть определены из зависимости чувствительности прибора от длины волны, график которой приведён в технической документации изделия.
При сравнении детекторов одной и той же модели, но для разных диапазонов длин волн, хотя их электрические усилители идентичны, NEP заметно отличается. Данная разница в основном обусловлена различными максимальными чувствительностями детекторов. Несмотря на то, что спектральная плотность выходного шума детектора обусловлена различными источниками, электрический шум от усилителя является доминирующим.

Трансимпедансные усилители (усилители с токовой обратной связью), преимущественно использующиеся в фотодетекторах, демонстрируют частотно – зависимый NEP, который увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута частота 3 дБ. По этой причине, минимальное значение NEP, указанное в спецификациях, действительно только для указанного диапазона частот.

При сравнении значений NEP для различных приборов необходимо обращать внимание на ширину полосы пропускания. Спектральная  плотность мощности шума

Минимальную детектируемую оптическую мощность можно рассчитать по формуле:
P_min=NEP(λ)*√BW (2),
Где NEP(λ) – эквивалентная мощность шумов в зависимости от длины волны λ, а BW- ширина полосы пропускания детектора.

Ограничение полосы измерения с помощью электронных полосовых фильтров значительно снижает уровень шума при измерении, и, следовательно, минимальную детектируемую оптическую мощность. Без какой-либо выходной фильтрации ширина полосы пропускания приёмника, или частотный отклик, является хорошим приближением ширины полосы измерения.

1. NEP – Noise Equivalent Power. Verena Mackowiak (Thorlabs),
 

 
Кафедра Лазерной техники БГТУ 'Военмех'

Онлайн-конвертер

 
         
 
  разработка сайта NINSIS   190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1
тел/факс: +7 (812) 316-49-09
www.laser-portal.ru