光电噪声和探测度

　　光电探测器的主要噪声源有暗电流噪声、散粒噪声和热噪声。对理想的光电探测器，在无光照的时候应该没有电流，然而实际上仍然存在有较小的电流。它主要是由耗尽层中载流子的产生－复合电流和耗尽层边界的少子扩散电流，以及表面漏电流构成的。这种暗电流等效于一个噪声源，对于一个光接收器来说，暗电流的大小决定了其可探测信号的噪声底限。散粒噪声指的是当光信号进入二极管时，光子产生－复合的统计特性就会引发散粒噪声。光电效应使光生载流子的数量起伏变化，其统计特性服从泊松过程，所以这种噪声总是存在的。热噪声主要是来自光电二极管的负载电阻。任何电阻都是重要的热噪声源，即使没有外加电压，其自身内的热运动也会不停的进行。

　　为了对光电二极管的噪声特性进一步分析，我们给出如图1所示的光电二极管等效电路。

　　图1  光电二极管等效电路图

　　光电探测器电流IPD流过负载电阻R将产生压降V＝IpD.R，其3dB带宽由RC时间常数决定：

　　由负载电阻引起的热噪声电流为

　　由光电流和暗电流引起的散粒噪声电流为

　　式中，召为电子电量，B为带宽，IPD为光电探测器信号电流，几为暗电流。两个噪声电流都是随机统计相互独立，因此总的噪声电流可以写成：

　　从式（3－35）可以看出，负载电阻越大则总的噪声电流就越小，然而电阻增大会使带宽下降。当负载电阻很大以至于使热噪声电流IR，小于散粒噪声电流I，时，总的噪声电流将变得很小，光电探测器将具有很高的灵敏度。由4kTB/R<2eB（IpD+Id）得所需的负载电阻为

      定义信噪比S/N为

　　引入IPD0，我们称之为量子噪声电流阈值

　　因此式（3－38）可以写成：

　　这时信噪比只和光电流和带宽有关系，我们称此时光电探测器工作于量子噪声区域。此时信噪比称为量子噪声探测极限，它是任何服从洎松量子统计光电探测器所不能克服的。和下面将要提到的工作于热噪声区域光电探测器相比，工作于此区域的光电探测器具有高的信噪比。

　　当光电探测器电流较小IPD<IPD0时，式（3－40）可以写成：

　　这时信噪比和光电流、带宽、暗电及负载电阻有关，我们称此时光电探测器工作于热噪声区域。IPDO也可以称为等效暗电流，我们希望它越小越好。因为IPDO越小，在较小的光电流下就可以使光电探测器工作于量子噪声区域，从而得到较高的信噪比。

　　当信噪比为1时，所需的入射光功率称为等效噪声功率NEP（Noise Equivalent Power）：

　　NEP=N0/R                    （3－43）

　　式中，NO为输出噪声，R为响应度。显然NEP越小，光电探测器特性就越好，因此定义NEP的倒数为探测度D：

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