光外差探測

光外差探測是一種光頻相干檢測，是基於相干的參考光和入射信號光在光敏面上混頻的原理實現的。雖然光外差探測有一定優點，但是信號光與本振光必須滿足一定的條件，才能實現光外差探測。

基本介紹

• 中文名：光外差探測
• 外文名：optical heterodyne detection
• 學科：工程技術
• 定義：一種光頻相干檢測
• 原理：參考光和入射光在光敏面上混頻
• 光信號探測：直接探測和外差探測

簡介

光信號的探測分為直接探測和外差探測兩種。直接探測是直接將包括信息的光信號，利用光電探測器的光電轉換功能實現信息解調的探測方式，回響的是信號的光強信息。直接探測方式因其系統結構簡單，可靠且易於實現，在光通訊、雷射測距、雷射雷達、紅外探測及成像等方面得到了廣泛套用。但是，直接探測只回響光波功率的時變信息而不回響光波的相位信息，所以它僅適用於強度調製的信息檢測。光外差探測是一種光頻相干檢測，是基於相干的參考光和入射信號光在光敏面上混頻的原理實現的，故特別適用於光調頻、調相類系統。與直接探測相比，光外差探測具有高的轉換增益、良好的濾波性能、良好的空間和偏振鑑別能力等特點，而且光外差探測可以回響信號的振幅、頻率和相位信息[i]。因此光外差探測在弱信號探側、光通訊、光雷達、遙測感測技術及光譜學領域有很廣泛的套用前景。然而，光外差探側的實現要比直接探測複雜得多，這主要是由於光波段的波長很短，相干接收的條件難以滿足。為了在探測器的光敏面上得到有效的光混頻，光外差探測除了要求參考光與入射信號光偏振方向平行，能流矢量保持一致外，還要求兩光波的波陣面必須曲率匹配川。而在實際的光檢測系統中，由於信號光通過諸如大氣、水等不均勻介質時，光波的波陣面會發生畸變，使得信號光與本振參考光波前不匹配，導致光外差檢測無法進行。因此，為了能夠更好的實現光外差探測，必須解決畸變信號光與本振參考光波前曲率實時匹配的問題。

光外差探測的原理

光外差探測的基本原理是基於兩束光的相干。必須採用相干性好的雷射器作光源，在接收信號光的同時加入本振光。本振光的頻率與信號光頻率極為接近，使本振光和信號光在光電探測器的光敏面上形成拍頻信號。只要光電探測器對拍頻信號的回響速度足夠高，就能輸出中頻光電流，從而檢測出信號光中的調製信號，如圖所示。

光外差探測原理簡圖

由於光外差探測是基於兩束光波在光電探測器光敏面上的相干效應，所以光頻外差探測也常常稱為光波的相干探測。

特點

與直接探測相比，光外差探測具有許多優點：

（1）光外差探測有利於微弱信號的探測，靈敏度比直接探測提高了幾個數量級。在一定條件下，只要本振光足夠強，即使信號光功率很小，仍然可以得到所需的中頻輸出電流。

（2）轉換增益高。從物理過程的觀點來看，直接探測是光功率包絡檢波過程;而外差探測是把信號光頻率轉換成差頻進行探測，這種轉換過程是本振光的作用，它使光外差探測天然地具有一種“轉換增益”。

（3）具有良好的濾波功能。在直接探測中，為了抑制雜散背景光的干擾，都需要在探測器前加置窄帶濾光片。在相干探測中，只有那些與本振光混頻後仍在中頻頻寬之內的雜光才能進入檢測系統，其他雜光噪聲被濾掉。而且，背景光、雜散光與信號光、本振光不相干不會產生相干疊加項。

（4）具有良好的空間和偏振鑑別能力。信號光和本振光必須沿同一方向射向光電探測器，而且要保持相同的偏振方向，這意味著光外差探測本身就具備了對探測光方向的高度鑑別能力和對探測光偏振方向的鑑別能力。

（5）在適當選取本振光功率的情況下，可以獲得較高的信噪比。

實現條件

雖然光外差探測有上述的優點，但是對於實際的探測系統來說，信號光與本振光必須滿足一定的條件，才能實現光外差探測，在光外差接收機中，雷射回波信號與本地振盪信號在光電探測器上進行相干混頻，進而產生光電流，再通過對這箇中頻電流信息的解調和處理，得到有用的信息。外差探測接收需要滿足的條件如下：

（1）信號光與本振光必須具有相同的模式結構，這意味著所用雷射器應該單頻基模運轉。

（2）信號光和本振光在光混頻面上必須相互重合，為了提供最大的信噪比，它們的光斑直徑最好相等。因為不重合的部分對中頻信號無貢獻，只貢獻噪聲。

（3）信號光和本振光的能流矢量必須儘可能的保持一致，即兩光波必須保持空間上的角準直。

（4）本振光和信號光在一定允許的角誤差情況下，二者要儘可能保持垂直入射到探測器的光敏面上。

（5）在角準直情況下，信號光和本振光的波前還必須匹配。

（6）信號光與本振光必須同偏振，因為在光混頻面上它們是矢量疊加。