光电探测器选型噪声问题

在设计探测器系统时，保持电带宽尽可能接近所需带宽至关重要。也就是说，如果光信号以10kHz的频率变化，那么具有1MHz带宽的探测器系统只会不必要地引入噪声。

在任何光检测应用中，信号检测的下限由检测器及其放大器的噪声特性决定。任何光学探测器系统中都有三个主要的噪声源：光子相关的散粒噪声、探测器暗噪声和放大器噪声。前两个与探测器有关。

inoise=电流均方根噪声，q=电子电荷，Iph=光生信号电流，M=探测器内部增益，F=探测器过量噪声系数，ΔB=探测器-放大器组合的电带宽。

与信号电平无关的探测器暗噪声也会导致系统的噪声。对于PMT和APD，除了信号产生的散粒噪声外，还有两个主要的噪声源：探测器产生的暗电流散粒噪声和探测器增益机制产生的噪声(过量噪声)。

暗电流的散粒噪声形式与上式相同，只是用ID代替了Iph。

过量噪声的细节超出了本文的范围。简单地说，它是由探测器的内部放大机制添加到信号中的噪声。对于PMT，其值约为1.4，并随着增益的增加而减小。对于APD，它的值大于2，并且随着增益的增加而增加。它还依赖于被检测到的光的波长。

如前所述，光电二极管有两种工作方法：光电导模式和光伏模式。在每种情况下，主要的噪声源都是不同的。在光电导模式下，暗电流相当大，因此暗电流的散粒噪声主导了光电二极管的噪声。要将散粒噪声方程应用于光电二极管，请用Idark代替Iph，并将M和F设置为1。

在光伏操作模式下，暗电流可以忽略不计。在这种情况下，光电二极管分流电阻的约翰逊噪声主导了噪声项。

k=玻尔兹曼常数，T=光电二极管的温度，Rsh=光电二极管的分流电阻。

对于SiPMs，还有两个额外的噪声源——后脉冲和串扰——用户需要注意(图1)。当被捕获的电荷在从初级雪崩中恢复的像素中释放时，会发生后脉冲，释放的电荷会触发该像素内的次级雪崩。后脉冲相对于主信号在时间上延迟。当一个像素的原始雪崩引起光子发射，从而触发相邻像素的一个或多个雪崩时，就会发生光学串扰。串扰脉冲是由光的发射引起的，因此“瞬间”发生，因此，串扰脉冲叠加在信号脉冲上。

图1:SiPM中的串扰和后脉冲

脉冲和串扰实际上是噪声，但由于这些噪声源的性质，尚不清楚它们对测量系统有什么影响。最小化其影响的一种方法是选择具有低后脉冲和串扰特性的SiPM。

图2:跨阻抗放大器将检测器输出电流转换为电压

光电探测器放大器(图2)是主要的系统组件，在许多情况下，其噪声将主导系统噪声。要了解探测器系统的总噪声，必须了解探测器放大器组合的噪声。虽然放大器噪声方程的推导非常复杂(见参考文献)，但一些基本假设和简化可以得出非常有用的噪声方程。

第一项是放大器反馈电阻器的约翰逊噪声。由于反馈电阻器的值必须小于光电二极管的分流电阻，因此该项通常会主导检测器放大器的噪声。

If=放大器反馈电阻约翰逊噪声引起的均方根电流，Rf=反馈电阻器，为了尽量减少约翰逊噪声，必须选择一个大的反馈电阻器或冷却放大器。

第二项来自放大器的输入噪声电压，其形式如下：

Iv=放大器电压噪声引起的均方根电流噪声，Va=输入电压噪声密度，例如nV/Hz^1/2，Ct=探测器的终端电容。

电压噪声电流很有趣，因为它依赖于检测器的终端电容。它还与频率带宽密切相关。为了降低该元件或放大器噪声，应选择低电容的检测器。此外，应尽量减少电带宽。

最后，第三噪声分量是由放大器输入偏置电流(Ib)引起的散粒噪声。如果在选择低输入偏置电流场效应晶体管放大器时小心谨慎，这种噪声源就会最小化。

总探测器放大器均方根噪声变为：

Ishot=探测器暗噪声+信号引起的散粒噪声

放大器噪声加上探测器暗噪声表示探测器系统的本底噪声，而信号引起的散粒噪声随信号电平而变化。考虑到这一点，信噪比可以写如下：

由上式可以推测，内部增益检测器的优势在于通过检测器的增益降低了放大器的有效噪声。因此，诸如PMT之类的高增益检测器可以将放大器噪声的贡献降低到微不足道的程度。同样，中等增益检测器(如APD)大大降低了放大器对检测器系统总噪声的噪声贡献，而没有内部增益的光电二极管更容易受到放大器噪声的影响。

当今的市场要求产品以尽可能快的速度和尽可能低的成本从绘图板进入市场。模块通过比较大化集成、降低开发成本和节省时间来实现这些目标。

模块可以像光电二极管放大器组合一样简单，也可以像微处理器控制的光子计数单元一样复杂，该单元包括PMT、高压电源、光子计数电子设备和计算机接口，所有这些都在6英寸长的封装中。

图8展示了模块优势的一个示例。由于许多原因，MPPC是一个难以设计的设备。它对温度非常敏感，其噪声随着增益的增加而增加，并且对偏置电压的微小变化非常敏感。所示的模块包含一个非常低的纹波电源，低噪声放大器，温度反馈电路(补偿热漂移)，并从一个5 V直流电源运行。仪器设计人员已经不再需要在高电压下工作，也不需要对探测器增益漂移的高电压进行热补偿。因此，可以将注意力集中在将探测器集成到光学系统上。

尽管如此，该模块并不能帮助选择探测器，而只能使探测器更容易使用。因此，每个电光仪器的设计者都应该熟悉探测器的性能和使用。

审核编辑 黄宇