第10章 相干探测

e iIF 2 h
PL Ps cos ( L S )t (L S )
三、良好的滤波性能
在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背 景光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散 背景光的干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的 前面加上孔径光阑和窄带滤光片。 相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。 因为相干接收时要求信号光和本地振荡光空间方向严格调 准。而背景光入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。所以相干探测自身有很好的空间滤 波性能，无需像直接探测那样在系统中加孔径光阑和滤光 片。
四、有利于微弱光信号的探测
在直接探测中光探测器输出的光电流正比于信号光的平均 光功率，即光探测器输出的电功率正比于信号光平均光功 率的平方。 2
e 2 S p I RL Ps RL hν
2 p
在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比于信号光 和本振光平均光功率的乘积。通常，入射到光探测器上的 信号光功率是非常小的(尤其在远距离上应用，例如光雷 达、遥感、空间光通信等应用)，因而，在直接探测中光 探测器输出的电信号也是极其微弱的。在相干探测过程中， 尽管信号光功率非常小，但只要本振光功率足够大，仍能 得到可观的中频输出。相干探测对微弱光信号的探测特别 2 有利。 e
2
在同样信号光功率PS条件下，这两种探测方法所得到的信号 功率比G为
PIF 2 PL G SP PS
PL PS , G 107 ~ 108
二、可获得全部信息——振幅、频率、位相
• 在直接探测中，光探测器输出的光电流随信号光的振幅或 强度的变化而变化，光探测器对信号光的频率或相位变化 不响应。 • 在相干探测中，光电探测器输出的中频光电流的振幅、频 率和相位都随信号光的振幅、频率和相位的变化而变化。 这使我们能把频率调制和相位调制的信号光像幅度调制或 强度调制一样进行解调。
§10－1 相干探测原理
当偏振方向相同、传播方向平行且重合的两束光垂 直入射到光混频器上时，一束是频率为νL的本振光， 另一束是频率为νS的信号光，光混频器可在频率νL、 νS的和频(νL +νS)、差频(νL -νS)处产生输出。
但在实际情况下，光频νL、νS 的和频(νL+νS) 极高，其远远超出相干探测系统的频率响应范围。 因此在光混频器的输出中只须考虑频率较低的差 频项，亦即中频信号iIF。 这个中频(差额)信号包含了信号光所携带的全部 信息。
隔掉直流、截止高频、保留中频
e iIF h
PL Ps cos ( L S )t (L S )
相干探测可解调强度调制、频率调制、位相调制的 光信号
VIF iIF RL
V e P IF 2 PS PL RL RL hν
2 IF
第十章
相干探测
相干探测又称为光外差探测。其探测原理与微波及无线电 外差探测原理相似，但由于光波比微波的波长短103～104 倍，因而其探测精度比微波高103～104 倍。
相干探测与直接探测比较，其测量精度高107～108倍，它 的灵敏度达到了量子噪声限，可探测单个光子，进行光子 计数。 相干探测方式探测目标或相干通信的作用距离比直接探测 远得多。 相干探测要求相干性极好的光源才能进行测量。而相干光 源——激光，受大气湍流效应影响严重，会破坏激光的相 干性。因而目前远距离相干探测在大气中应用受到限制， 但在外层空间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段。
2 t
2
e 2 e 2 iP Et (t ) [ As cos(s t s ) AL cos( Lt L )] h h e 2 2 2 AS cos (S t S ) AL cos2 ( Lt L ) h AS AL [cos( L S )t L S ]
iIF e AL A0 [cos( L S )t (L S )] h
e h mn A0 cos[cos( L S n )t (L S n )] 2 n 1


e h
mn A0 cos[cos( L S n )t (L S n )] 2 n 1
2
• 相干探测将光波振幅上所载的调制信号（频率为 ωS ）完全无畸变地转移到频率为ωLS＝ωL －ωS 的 电流上。
mn A0 ES (t ) A0 cos(S t s ) cos[(S n )t (S n )] 2 n 1 mn A0 cos[(S n )t (S n )] 2 n 1
展开得：

AS AL [cos( L S )t L S ]
~

e ip PS PL PL PS cos[(L S )t (L S )] h PL PS cos[(L S )t (L S )]


PS：平均信号光功率；PL：平均本振光功率
• 设信号光为：
ES (t ) AS cos(S t S )
• 参考（本振）光为： E L (t ) • 合成：
AL cos( L t L )
Et (t ) AS cos(S t S ) AL cos(Lt L )
• 光混频器输出光电流：
iP E (t ) Es (t ) 点
一、转换增益高
相干探测时，光电探测器经负载电阻输出的信号功率为
2
e P IF 2 PS PL RL hν
直接探测时，光电探测器经负载电阻输出的信号功率为
e 2 S p I RL Ps RL hν
2 p