光电探测器选型之基于强度的选择

选择过程的第二步是估计给定入射光强度下光电探测器输出端的信噪比，这是潜在用户需要知道的一个重要因素，至少是近似的。期望的结果是尽可能高的信噪比。

文献中使用了两种不同的辐射强度定义。在第一个定义中，它是每单位立体角的辐射功率，在第二个定义中是通过单位面积的辐射功率。后者更恰当地称为辐照度，或I(单位为W•m−2)。假设具有恒定辐照度的单色光照射具有有效面积a的光电探测器。光子到达表面的速率(nγ)为：

在这个方程中，Eγ=hc/λ是单个光子的能量;P=IA是入射光的功率;h是普朗克常数，c是光速。探测器中电荷载流子光生的最终速率由下式给出：

光探测器的输出信号可以看作是电流脉冲的时间顺序，每个脉冲都来自一个光产生的电荷载流子。综上所述，方程1和2表明，ne线性依赖于I和a的乘积。最大化S/N可能包括最大化信号S和/或最小化噪声N。对于给定的辐照度，增加信号可能通过增加入射光功率和光收集光学器件或通过选择具有更大的有效面积的光电探测器。可以通过选择具有较低固有噪声的检测器和/或通过限制检测带宽来降低噪声。制造商提供指南，有时在印刷和作为在线资源，如何估计最小可检测功率-输入光功率产生的S/N = 1在检测器的输出。光电探测器的规格表也可能以W/√Hz为单位列出噪声等效功率(NEP)，即在1hz带宽下产生等于噪声电流均方根(rms)的入射光功率。NEP在比较光电探测器时是有用的，在其他条件相同的情况下，具有较低NEP的光电探测器产生较高的信噪比输出。

重要的是要注意几点:

1)完整的信噪比估计应该包括检测电路对噪声的贡献(例如，由电阻或跨阻放大器引起的噪声)。对于具有内部增益的光电探测器来说，这一贡献变得不那么重要，而这一事实本身就是光电探测器中增益的原因。最小可探测功率是探测带宽的函数。更高的带宽增加了噪声，因此增加了最小可探测功率。另外，对于给定功率的输入光，较高的带宽会降低信噪比。

3)如果需要高保真度，则需要大带宽-输出电信号准确地再现输入光信号。

4)给定带宽下的最小可探测功率总是大于相同带宽下的NEP。

5)光电探测器的终端电容影响检测带宽，电容越高，带宽越小。

6)对于固态光电探测器(pmt除外)，较大的有源面积会导致较大的端电容，从而降低检测带宽。因此，在灵敏度和带宽之间，或者灵敏度和信号保真度之间存在权衡。

审核编辑 黄宇