光信息检测(光学前沿研究与应用)

作为一门古老而又年轻的科学技术，光波技术愈来愈受到人们的重视。人类从有历史记载以来就有了关于光的描述。在中国历史上，春秋时期有名的"烽火台"就是光波作为信息传递工具的好记载。考古发现的古老铜镜就是光反射在人们日常生活中应用的好例证。从反射镜、放大镜、显微镜到望远镜以至现代应用的各种天文望远镜，光一直作为人类认识世界的手段与工具。传统光学一直延续了几百年，光的"波动性"与"粒子性"以及光的电磁理论的实验验证和描述使光科学理论得到质的提升。20世纪 60年代激光问世，揭开了光学技术研究与应用的新篇章。现代光学技术把光学技术、电子学技术、计算机技术与精密机械技术结合在一起，使光波的应用拓展到了更为广阔的空间，从单一的光学时代进入光与电紧密结合的光电时代。光波与物质的相互作用特别是高能量激光的应用创造了光波新的应用领域。以激光为代表的光波作为信息获取的手段、信息传递与处理的工具在信息技术领域显示出了卓越的特性。如今光波技术的应用已经渗透到国民经济、国防与人类生活的各个领域，其发展速度与势头大有赶超电子技术的趋势。光波作为信息载体的优点主要体现在以下几方面∶
（1）频带宽，信息容量大。由于光波频率很高（约 10lHz），即使 1%的调制带宽也有很宽的带宽，它是微波带宽的1000 倍以上，因此是非常好的信息载体。
（2）激光波长短，且具有良好的相干性。在精密测量、传感、光存储等应用中可以获得很高的测量灵敏度、精度以及大的存储容量。
（3）具有良好的抗电、磁干扰能力。这给通信、传感与测量带来极大的方便。
（4）作为检测手段，对被检测对象无干扰与破坏，且可进行非接触测量。（5）具有良好的空间并行性。这拓展了电子学的一维处理方式，为二维与三维并行处理提供了有利条件。
（6）在光纤中可低损耗远距离传输，为光纤通信与光纤传感提供了有力支撑。
利用光波的上述优点，几十年来人类结合当代电子技术与计算机技术做了大量应用研究与开发工作。特别突出的是在信息技术领域，人们研究开发了光纤通信技术，如今宽带、高速、大容量光纤网络已遍布世界，给人们的认知与交流带来了巨大变化。信息的快速传递，无疑对人们生活、工农业、交通、能源、商业、文化、国防与科学技术等的发展带来巨大推动作用。光波技│术应用的又一大领域就是激光应用技术，它在激光测量、传感、激光雷达、激光大气与空间通信中已经或正待发挥愈来愈重要的作用。激光应用技术推│动了一大批新兴产业，推动了传统工业的再度换代升级。再如光纤传感技│术，作为光纤通信的姊妹正得到蓬勃发展，它所具有的诸多优点，如检测灵敏度高、可远距离获取信息、易于组网、能够实现分布式传感等正为人们所利用。目前已在铁路、公路桥梁、隧道、油库安全预警，地质灾害监测以及军事装备等中得到应用，它将成为物联网的重要组成部分之一。
本书针对光波在信息技术领域的研究与应用，着重介绍光信息的检测。可以说，无论是光通信、光学测量、光电传感还是其他光电系统，都离不开光│信息的检测。一个具有普遍意义的光电信息系统主要由信息的光调制，光发射、传输、接收与光电转换，电子信息处理与输出等几部分组成。本书简要介绍光信息调制与传输，重点围绕光信息检测介绍光探测器、光波参数检测和微弱光信号检测。此外，还介绍光接收机设计和几种应用多的光信息检测系统。
第1章介绍光调制与光传输。众所周知，光波作为载波传递信息具有携带大量信息的能力，这些信息往往通过电、磁、声乃至机械等方式调制在光波上。调制可以改变光波参数【强度、波长（频率）、相位、偏振】中任一参数。在大多数情况下为直接也为简单的方式就是进行强度调制，例如目前的光纤通信就依然采用光强直接调制，不过它所采用的是数字技术，应用了编码调制的方式，就信息的光调制而言，它属于脉冲光调制。对于脉冲光，当其转换为电信号后将具有宽的频谱，为了减少信息的失真与丢失，在进行光接收机设计时除考虑其灵敏度外，对带宽方面也应有所考虑。而对于大多数光电传感器与光学测量仪器来说，被检测信息往往以模拟方式调制在光波上，对于这种被动调制，对于光接收机的设计要求更高，特别是在许多场合下对接收灵敏度与带宽这对彼此制约的参数都提出了更高的要求。所以，了解信息的光调制对于光接收机的设计是必要的。
在实际应用中，光信息往往需要通过介质在一定距离内进行传输。因此，了解光波在包括晶体、大气、水以及光纤等各类介质中传输的行为和变化如衰减、光束发散、偏振与相位变化等，对于光信号接收方案的选取十分必要。
第 2 章主要介绍光探测器。除信息获取、传输外，光电转换是人直接得到信息重要的环节。不仅如此，电子技术、计算机技术还能进一步帮助改善和提高信息获取的质量和速度。无论是光通信、测量、传感还是其他光电信息系统，光电转换都是不可缺少的重要组成之一。
光接收机中，光探测器起着核心作用。光探测器的基本功能就是将光波信号转换为电信号，就这一意义而言，光探测器又被称为光电探测器。目前所研究与制造的光探测器只能探测光能量与光功率，还无法响应光频的变化，只能探测其随时间变化的平均值，这也是光波检测技术里为突出的特点。光探测器的种类非常多，有多个参数表征其性能特点，了解这些性能对于光接收机设计有着重要意义。与此同时，了解光噪声与探测器噪声来源和特点对光接收机设计也是十分重要的。
第 3 章主要介绍光波参数检测。对于光信息检测来说，其核心就是应用不同类型的光探测器将光波参数（光强、波长、相位、偏振）转换为电参量（电压、电流），由于光探测器自身对光频、相位与偏振不能响应，因此光探测的特点是光波的各种参数都是以光强（功率、能量）的形式被转换成电参量的。由此可以看到，除光强外，所有其他光波参数所携带的信息都要经过一定的技术处理转化为光强变化的形式才能后为光探测器所接受。这就引发了一系列光波探测技术的问世，诸如相干探测、光谱探测、偏振探测等。
第 4章主要介绍微弱光信号检测。所谓微弱光通常是指其经过光电转换后信噪比（S/N）接近于1的输入信号光。它不仅表现在弱信号光强的情况下，而且表现在即使具有较高的信号光功率情况下，由于背景光的干扰，接收信噪比依然处于接近于1的情况。在光信息检测中，微弱光信号的检测具有十分重要的理论研究与应用意义。通过它可以大大提高光接收机灵敏度，从而提高光电系统的性能，例如提高光通信与光雷达工作距离，实现远程激光测距;降低发射机发射光功率，提高传感器灵敏度等。在微弱光信号检测中，大多数情况下是在与噪声作斗争。为此，在深刻了解各种噪声源基础上，人们研究了一些专门抑制噪声的方法以及针对微弱光信号检测的方法，其中光外差技术、光相关技术、光子探测技术以及电子锁模技术等得到广泛应用。
第 5章主要介绍光接收机设计。光接收机的核心是光电转换，但一个满足要求且性能良好的光接收机必须结合总体带宽（或响应速率）和灵敏度要求考虑光探测器的偏置、同接收放大电路的匹配。如何提高光接收机动态范围是光波技术发展的一个难点也是一个应用需求的重点。既满足系统对接收带宽要求，又满足接收灵敏度和动态范围要求，是接收机设计努力的方向。本书以光纤通信用数字光接收机与光纤传感器用模拟接收机为典型例子，从光的接收到光电变换、信号放大处理等方面介绍光接收机设计。
第 6章主要介绍包括激光检测（激光测距、激光测速、激光线径检测、激光雷达）、光纤传感器、光电图像检测在内的几种典型光信息检测系统，以加深对光信息检测的认识与理解。
各章中举例存在相互交叠的情况，主要是讨论的出发点不同而产生的，如光外差接收、干涉型光纤传感器等，但分析角度和深度各有侧重而不影响整书的系统性。
后，在光信息检测中需要特别提及的是一个至今仍为物理学界与工程技术界所困惑的现象，即由于光探测器只能探测光的能量或强度，当其把光信号转换为电信号时所表达的物理含义是从光的功率转换到电的电压或电流。因此相对于电子学接收机而言，光接收机由于具有光电转换过程使其接收灵敏度要比电子学接收机的接收灵敏度低一倍。只有当有一天人们寻求到将光场幅值转换为电压或电流，或将一个光子直接转换成为电子的时候，光接收机才能与电子学接收机的接收灵敏度相比拟。
本书第1章由岳慧敏教授编写，第2章由唐雄贵教授编写，前言与第3章、第4章由刘永智教授编写，第5章、第6章由代志勇副教授编写，全书由刘永智教授统稿。由于编者水平有限，书中难免存在错误和不当之处，敬请读者批评指正。

本书围绕光的接收与探测，结合国内外新技术的发展，系统介绍光信息检测的基础知识和重要技术，主要包括信息的光调制与传输、光电探测、光波参数检测、微弱光信号检测、光电接收系统设计、典型光电检测系统等内容，使读者深入了解光信息的调制、传输特点；熟悉各类光电探测器的主要特性及应用技术；了解噪声的随机概念，通过对光电转换过程中噪声产生原因与特点的分析掌握噪声抑制的方法；掌握光波参数检测的特殊技术及对微弱光信号与单光子进行高灵敏度检测的方法；掌握光接收机设计方法，同时了解几种特殊光电转换电路与典型光电检测系统。

刘永智，电子科技大学教授，博士生导师，法国Limoges大学工程博士，享受国务院政府特殊津贴，四川省学术技术带头人。曾任电子科技大学光电子技术系主任、四川省光学学会常务理事、激光专委会主任，获四川省科技进步一等奖一项，三等奖二项，电子部科技进步三等奖一项。合编出版学术著作5部，作为或合作者在国内外学术期刊发表论文150余篇，讲授“光电信息检测与处理”等多门课程，培养博士、硕士研究生60余名。

第1章 信息的光调制与传输1
1.1 光波的电磁特性 ……………………………………………………… 1
1.1.1 光的基本特性 ……………………………………………… 1 
1.1.2 光波的偏振特性 …………………………………………………… 5 
1.1.3 光的相千性 …………………………………………… 11 
1.1.4 光的吸收和散射 …………………………………………… 14 
1.2 信息的光调制 ……………………………………………………… 18
1.2.1 光强的时域调制 ………………………………………… 21 
1.2.2 光学信息的空域调制变换原理 …………………………… 32 
1.2.3 光波参数调制变换原理…………………………………… 47 
1.2.4 光波参数调制方法………………………………………………… 47 
1.2.5 光纤传感中的光调制技术……………………………………… 68 
1.3 光波的传输 ………………………………………………………………… 83
l.3.1 激光在自由空间的传输…………………………………… 83 
1.3.2 光波在光纤中的传输…………………………………………… 87 
1.3.3 光波在大气中的传输 ……………………………………… 102 
1.3.4 光波在水下的传输 …………………………………………… 109
参考文献 …………………………………………………………………………… 111
第2章 光电探测114
2.1 光电探测描述 ……………………………………………………… 114
2.1.1 光电探测基本模型 …………………………………………… 114 
2.1.2 光谱响应范围 ……………………………………………………… 114
2.2 光电探测物理效应…………………………………………………… 115
2.2.1 光电效应 ……………………………………………………… 115
2.2.2 光热效应 …………………………………………………………………… 121 
2.3 光电转换基本规律及其光电子计数统计 …………………………… 122
2，3.1 光电转换基本规律 …………………………………………… 122 
2.3.2 光电子计数统计 …………………………………………………… 123 
2.4 光电探测器性能参数…………………………………………………………… 125
2.4.1 探测灵敏度 ………………………………………………… 125 
2.4.2 光谱响应 ………………………………………………………… 125 
2.4.3 响应时间和频率响应 …………………………………… 127 
2.4.4 量子效率 …………………………………………………… 128 
2.4.5 噪声等效功率 ……………………………………………………… 128 
2.4.6 探测率与比探测率 …………………………………………… 129 
2.5 光探测器噪声 ……………&