光外差探测

光外差探测是一种光频相干检测，是基于相干的参考光和入射信号光在光敏面上混频的原理实现的。虽然光外差探测有一定优点，但是信号光与本振光必须满足一定的条件，才能实现光外差探测。

简介光信号的探测分为直接探测和外差探测两种。直接探测是直接将包括信息的光信号，利用光电探测器的光电转换功能实现信息解调的探测方式，响应的是信号的光强信息。直接探测方式因其系统结构简单，可靠且易于实现，在光通讯、激光测距、激光雷达、红外探测及成像等方面得到了广泛应用。但是，直接探测只响应光波功率的时变信息而不响应光波的相位信息，所以它仅适用于强度调制的信息检测。光外差探测是一种光频相干检测，是基于相干的参考光和入射信号光在光敏面上混频的原理实现的，故特别适用于光调频、调相类系统。与直接探测相比，光外差探测具有高的转换增益、良好的滤波性能、良好的空间和偏振鉴别能力等特点，而且光外差探测可以响应信号的振幅、频率和相位信息[i]。因此光外差探测在弱信号探侧、光通讯、光雷达、遥测传感技术及光谱学领域有很广泛的应用前景。然而，光外差探侧的实现要比直接探测复杂得多，这主要是由于光波段的波长很短，相干接收的条件难以满足。为了在探测器的光敏面上得到有效的光混频，光外差探测除了要求参考光与入射信号光偏振方向平行，能流矢量保持一致外，还要求两光波的波阵面必须曲率匹配川。而在实际的光检测系统中，由于信号光通过诸如大气、水等不均匀介质时，光波的波阵面会发生畸变，使得信号光与本振参考光波前不匹配，导致光外差检测无法进行。因此，为了能够更好的实现光外差探测，必须解决畸变信号光与本振参考光波前曲率实时匹配的问题。1

光外差探测的原理光外差探测的基本原理是基于两束光的相干。必须采用相干性好的激光器作光源，在接收信号光的同时加入本振光。本振光的频率与信号光频率极为接近，使本振光和信号光在光电探测器的光敏面上形成拍频信号。只要光电探测器对拍频信号的响应速度足够高，就能输出中频光电流，从而检测出信号光中的调制信号，如图所示。

由于光外差探测是基于两束光波在光电探测器光敏面上的相干效应，所以光频外差探测也常常称为光波的相干探测。

特点与直接探测相比，光外差探测具有许多优点：

（1）光外差探测有利于微弱信号的探测，灵敏度比直接探测提高了几个数量级。在一定条件下，只要本振光足够强，即使信号光功率很小，仍然可以得到所需的中频输出电流。

（2）转换增益高。从物理过程的观点来看，直接探测是光功率包络检波过程;而外差探测是把信号光频率转换成差频进行探测，这种转换过程是本振光的作用，它使光外差探测天然地具有一种“转换增益”。

（3）具有良好的滤波功能。在直接探测中，为了抑制杂散背景光的干扰，都需要在探测器前加置窄带滤光片。在相干探测中，只有那些与本振光混频后仍在中频带宽之内的杂光才能进入检测系统，其他杂光噪声被滤掉。而且，背景光、杂散光与信号光、本振光不相干不会产生相干叠加项。

（4）具有良好的空间和偏振鉴别能力。信号光和本振光必须沿同一方向射向光电探测器，而且要保持相同的偏振方向，这意味着光外差探测本身就具备了对探测光方向的高度鉴别能力和对探测光偏振方向的鉴别能力。

（5）在适当选取本振光功率的情况下，可以获得较高的信噪比。

实现条件虽然光外差探测有上述的优点，但是对于实际的探测系统来说，信号光与本振光必须满足一定的条件，才能实现光外差探测，在光外差接收机中，激光回波信号与本地振荡信号在光电探测器上进行相干混频，进而产生光电流，再通过对这个中频电流信息的解调和处理，得到有用的信息。外差探测接收需要满足的条件如下：

（1）信号光与本振光必须具有相同的模式结构，这意味着所用激光器应该单频基模运转。

（2）信号光和本振光在光混频面上必须相互重合，为了提供最大的信噪比，它们的光斑直径最好相等。因为不重合的部分对中频信号无贡献，只贡献噪声。

（3）信号光和本振光的能流矢量必须尽可能的保持一致，即两光波必须保持空间上的角准直。

（4）本振光和信号光在一定允许的角误差情况下，二者要尽可能保持垂直入射到探测器的光敏面上。

（5）在角准直情况下，信号光和本振光的波前还必须匹配。

（6）信号光与本振光必须同偏振，因为在光混频面上它们是矢量叠加。2

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学