光电探测器是一类把光辐射信号转变为电信号的器件,其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应。而光电探测器在完成光电转换过程中,不仅给出表征被测对象的电压、电流信号,同时还伴随着无用噪声的电压、电流信号,这是一种起伏噪声,它的大小决定了探测器的探测能力和系统的信噪比。根据光电探测器噪声产生的原因,主要可以分为热噪声、散粒噪声、暗电流噪声及低频噪声等,,其中以热噪声对探测能力影响最大，其次是散粒噪声。 （1） 热噪声
热噪声(又称约翰逊噪声) ,它代表热对电荷载流子的激励而产生的噪声。热噪声对探测能力影响最大。热噪声存在于任何导体和半导体中,它来源电阻内部自由电子或电荷载流子的不规则热运动。所有的探测器都具有内电阻,故都具有热噪声。分析电阻中电子的运动,可知当无外场时,导体中的电子做无规则热运动,无定向的迁移,故没有电流,但由于统计涨落,向两个相反方向运动的电子数并不完全相等,因而在导体内产生涨落电势(噪声电压) ,并引起涨落电流(噪声电流) ,这种现象是Johnson 于1928 年发现的,称之为Johnson 效应。噪声电压均方值取决于材料的温度。热噪声的频谱可看作是平直的,即称为白噪声。在纯电阻的简单情况下,阻值 R 的大小与频率无关,此时热噪声的输出取决于材料的绝对温度和探测器检测电路的实际通频带。热噪声是带电粒子在导电媒质中的无规则布朗运动引起的,包括发生于有沾器件内部载流子或电子发射的随机性而形成散粒效应起伏的散粒噪声和引起电路中电流或电路两点间电位差的起伏产生的电阻热噪声。这种噪声可以看作是无数独立的微小电流脉冲的叠加,根据概率论极限中心定理,它们是服从于高斯正态分布的高斯过程,其功率谱密度在整个频率范围内都是均匀分布的。同白光是各种频率光的合成类比,所以常把热噪声称为高斯噪声(Gaussian noise) 或白噪声(white noise) 。白噪声的功率谱密度是一常数。光电探测器的热噪声具有以下特点: ①热噪声的大小与温度T 成正比; ②热噪声与测量仪器的电子带宽成正比,而与频率无关,噪声功率谱密度是一常数; ③一个电阻所能输出的热噪声最大噪声功率(亦称额定噪声功率) 与电阻无关; ④热噪声与电阻中是否有电流流过无关。 （2）散粒噪声
光电探测器的工作物质与辐射场发生相互作用时,载流子产生和发射的随机性造成了穿越势垒的载流子统计数目有一定的随机涨落性。单位时间内到达光敏电阻表面的光子数和由它激励产生的光电子数是离散随机的,穿越势垒区的载流子数和从阴极到阳极的电子数在一个平均值附近上下波动。载流子数量的变化会引起器件输出信号的散布,形成电路的散粒噪声。散粒噪声是由照射在光电探测器上的光子起伏及光生载流子流动的不连续性和随机性形成载流子起伏变化引起的,其统计过
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程服从泊松分布。散粒噪声一般包括以下三类: ①信号光的光子噪声
信号光在进入光电探测器时,光子本身服从统计规律，则每一时刻到达探测器的光子数是随机的,由光激发的载流子也是随机的,这些载流子涨落起伏将产生起伏噪声,即光子散粒噪声。信号光伴随的光子噪声与平均光子到达速率、光阴极响应时间以及光功率的大小有关。 ②背景光的光子噪声
由于受工作环境的限制,信号光常伴随有一定的背景光信号。背景光信号会导致探测结果发生偏差,同时对输出带来光子噪声扰动。光电探测器具有高增益和高灵敏性,因而背景光的光子散粒噪声也不可忽视。 ③暗电流散粒噪声
材料的热激发作用将引起光电探测器的光阴极随机产生的电子(热离子) 发生发射起伏,起伏的单元是电子电荷量。在没有任何光照的情况下,热激发载流子将形成光电探测器的暗电流,它包括表面暗电流和体暗电流。表面暗电流是由表面缺陷、清洁程度、偏置电压大小和表面积大小等因素决定的；体暗电流则来自探测器工作物质内部热产生的载流子。引起暗电流的因素大致有:光阴极的热电子发射,这是光电探测器的主要暗电流;极间漏电流;离子和光的反馈作用等。这种由光电探测器暗电流引起的输出信号起伏称为暗电流散粒噪声,它是基于外光电效应器件的主要噪声。
总之,散粒噪声是光电探测器噪声的又一主要来源,主要由信号光、背景光和暗电流的散粒噪声组成。
四、实验结果与分析：
1.相位调制：
（1）研究相位差对边带的影响
同时打开相位调制器PM1和PM2,将调制电压设为VPP1=Vpp2=130mv，调制频率均为50MHz。固定PM1 的相位为0，改变PM2的相位，从-180到180，以10为步长。观察到在PM2的相位为0°时边带幅度最大，即出现边带相长的现象（图10 中的（1））；在 -90和90°时两边带幅度相等且约为0°时边带幅度值的一半（图10 中的（2））；在-180和180°时，只存在载波，边带幅度取值最小，近似为0，这可以认为是边带相消的现象（图10中的（3））。图中载波峰值与边带峰值对应的光学频率差为50MHz，也就是相位调制器的调制频率。
?????? 12
（1）
（2）
（3）
图10 相位差与一阶边带幅度关系图
对所有数据进行分析可以做出一阶边带幅度随相位变化的曲线图，如图11所示：
观察曲线可得??
图11 边带幅度随相位变化曲线 （黑点代表数据，曲线代表拟合曲线）
?0时，边带最大；????时，边带最小近似为0。但是由于两个相位调
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制器中的晶体不可能完全相同，那么当所加的调制电压相同时，它们的调制深度也不是完全相等。另外由于温度对晶体的影响，两个相位调制器本身存在一定的相位差，故当两个相位调制器的相位差为π时，边带幅度并不是完全的为0 ，即Imin?0。（2）研究调制幅度（调制深度）对边带的影响
固定相位调制器的调制频率为50MHz，加在调制器上两端的电压分别为正负10v，即电势差为20v，偏置电压0mv，改变加在相位调制器上调制信号的幅度从20mv开始，以10mv为步长至300mv，然后400mv，500mv，分别采图。采图过程中发现：
当调制幅度为90mv时（换算成调制深度，即m???a=0.02）主频最强，此时边带较弱，
2V?且无二阶边带出现。见图12。图中主频峰值与边带峰值对应的光学频率差为50MHz，也就是相位调制器的调制频率。
50MHz
图12 调制幅度为90mv
当调制幅度为100mv（换算成调制深度，即m=0.024）时，出现二阶边带，且主频信号减弱（见图13）。图中主频峰值与边带峰值对应的光学频率差为50MHz。
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50MHz
出现二阶边带
图13 调制幅度为100mv
当调制幅度为190mv（换算成调制深度，即m=0.046）时，主频信号强度减小到约等于一阶边带信号的强度（见图14）。图中主频峰值与边带峰值对应的光学频率差为50MHz。
50MHz 一阶边带
二阶边带
图14 调制幅度为190mv
当调制幅度为260mv（换算成调制深度，即m=0.063）时，主频信号减弱，其强度约等于二阶边带信号的强度，同时出现三阶边带信号（见图15）。图中主频峰值与边带峰值对应的光学频率差
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