光探测器到底是什么？竟对光纤传感器性能影响这么大
目录一、概述
光探测器，亦称“光检测器”，作为光接收机的核心组件，是光纤传感器不可或缺的组成部分，其性能优劣将直接影响到传感器的整体性能。
光探测器具备检测射至其表面的光能强度功能，同时，它还能将光能强度的变化转换成相应的电流或电压变化。
光纤中光信号会遭受衰减与变形，因此对光探测器的性能提出了相当高的要求。
该要求的核心在于确保所选光源的波长区间内具备高灵敏度、低噪声特性，并且响应速度要足够快，以便能够适应高速数据传输的需求。
二、光电检测的理论基础：光电效应
光电效应在物理学领域占据着关键且充满魅力的地位。当电磁波频率超过某一特定值（这一值被称为极限频率）时，某些物质中的电子在吸收了能量后便会逃离，从而产生电流，这一过程即所谓的光生电效应。
德国物理学家赫兹在1887年首次揭示了光电现象，而对其作出准确阐释的则是爱因斯坦。在探究光电效应的历程中，物理学家们对光子的量子特性有了更为透彻的认识，这一进展对波粒二象性理论的提出产生了深远的影响。
当光线照射至金属表面时，会导致该物质电学特性产生改变。这种现象，我们通常称之为光电效应。
光电效应涵盖了光电子发射、光电导效应以及阻挡层光电效应，这一现象亦被称作光生伏特效应。
该现象出现在物体表面（电子发射），亦被称作外光电效应。
后两种现象发生在物体内部（电导率），称为内光电效应。
依据粒子理论，光子以离散的形式构成光线，当这些光子撞击对光敏感的物质，例如硒，其能量便被物质内的一个电子完全接纳。电子在吸收光子能量后，其动能迅速上升；若动能足够强大，能够抵抗原子核的吸引力，电子便能在十亿分之一秒内逃离金属表面，转化为光电子，进而产生光电流。
在相同的时间段内，光子数目越多，逸出的光电子数量也随之增多，进而导致光电流的强度增加，这种现象，即光能转化为电能并自动释放的过程，被称作光电效应。
赫兹在1887年揭示了光电效应的存在，这一现象指的是金属表面在光的照射下释放出电子，这些电子被称为光电子。只有当光的频率超过一个特定的临界值，即截止频率，电子才会被发射出来，这个频率被称为极限频率。金属材料的临界值是关键，而电子发射的能量则受光波长的制约，与光的强度并无关联，这一现象是无法通过光的波动性质来阐释的。此外，还有一点与光的波动性相抵触，那就是光电效应的即时性。根据波动理论，若入射光较弱，照射时间应延长，金属内的电子才能累积到足够的能量，从而跳出金属表面。实际上，当光的频率超过金属的临界频率时，不论光的亮度如何，电子的生成几乎瞬间完成，其时间不会超过十亿分之一秒。对此，合理的解释是光是由与波长相关的特定能量单元构成的，这些单元即光子或光量子。
在光电效应中，电子的发射并非严格朝向某一特定方向，而是大多数电子以垂直于金属表面的角度射出，且这一方向与光线的照射方向并无直接联系。尽管光是一种电磁波，但它是高频率振动的正交电磁场，其振幅极小，不足以改变电子的发射路径。这一现象揭示了光的粒子特性。
一旦光的振动频率突破特定阈值，被照射的金属表面便会迅速释放出光电子，从而引发光电效应。若在金属外部接入一个封闭的电路，并接入正向电源，那么所有逸出的光电子都会汇聚至阳极，从而产生所谓的光电流。在入射光强度恒定的情况下，若提升光电管两端的正向电压，光电子的动能将增加，随之而来的光电流也会相应增大。然而，光电流并非无限制地上升，其增长受到光电子数量的限制，存在一个上限，这个上限即所谓的饱和电流。因此，随着入射光强度的提升，依据光子理论，该强度（即每单位时间内穿过每单位垂直面积的光能总量）是由每单位时间内穿过每单位垂直面积的光子数量所决定的。相应地，每单位时间内撞击金属表面的光子数量也会增加，进而导致光子与金属内电子的碰撞频率上升。结果是，每单位时间内从金属表面逸出的光电子数量也随之增加，这直接导致电流的增大。
三、分类
依据器件对辐射的感应特性各异，亦或是器件运作原理的不同，我们可以将光电探测器划分为两大类别：
一类是光子探测器；
另一类是热探测器;
3.1光子效应
（1）外光电效应
（2）内光电效应
3.2 热效应
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材料在受到光照后，光子的能量与晶格发生相互作用，导致振动幅度增大，进而使温度上升。这种温度的变化会引起物质电学性质的改变。在所有颜色中，红色光的热效应最为显著。
光热效应是指材料由于温度的变化而造成物质电学特性的变化。
光热效应的探测器种类繁多，包括热敏电阻、热电偶、热电堆以及热释电探测器等。
四、光电检测器的参数
五、在光电探测器领域，5.1节中提及的光电倍增管，它能够将微弱的光信号成功转化为电信号。
光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。
光电倍增管依托于外光电效应、二次电子发射以及电子光学理论的支撑，融合了高增益、低噪声、高频率响应以及大信号接收区等特性，成为一款灵敏度极高且时间响应极快的光敏电真空器件。它能够在紫外、可见光以及近红外光谱区进行有效工作。日盲紫外光电倍增管对日盲紫外区域之外的光谱辐射，如可见光和近紫外光，表现出不敏感的特性。它具备低噪声（暗电流低于1纳安培）、快速响应以及较大的接收面积等显著特点。
光电倍增管被广泛应用于光学测量设备和光谱分析设备。该设备能够在低能级的光度学和光谱学领域，对波长介于200至1200纳米之间的极低辐射功率进行测量。随着闪烁计数器的问世，光电倍增管的应用领域得到了进一步的拓展。光电倍增管作为激光检测仪器的关键接收元件，其发展与使用密切相关。此外，电视电影信号的发射和图像传输也离不开光电倍增管的支持。光电倍增管在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文以及宇宙空间研究等多个领域得到了广泛应用。
5.2 光电导器件：电阻或电流随着光强的变化而变化
半导体光电器件，它将光与电这两种物理量紧密连接，实现了光与电之间的相互转换，是一种新型的半导体器件。这类器件是通过半导体的光电效应（或热电效应）来制造的。光电器件包括多种类型，如利用半导体光敏特性进行工作的光电导器件，运用半导体光伏效应工作的光电池，以及半导体发光器件等。在本节中，我们将简要地向大家介绍这些光电器件的工作原理。半导体领域中的光电器件，包括光导管、光电池、光电二极管以及光电晶体管等；而在热电器件方面，则有热敏电阻、温差发电器以及温差电致冷器等。
光电导器件主要有光敏电阻、光电二极管、光电三极管等。
（1）光敏电阻：电阻随着光强的变化而变化
这是一种半导体电阻。在没有光照时，电阻很大；
在一定波长范围的光照下，电阻值明显变小。
光敏电阻的制造材料主要包括硅、锗、硫化镉、锑化铟、硫化铅、硒化镉、硒化铅等。其中，硫化镉光敏电阻对可见光表现出高度敏感，而由硫化镉单晶制成的光敏电阻，对X射线和γ射线同样敏感；硫化铅和锑化铟则对红外线光敏感。借助这些光敏电阻，我们可以制造出多种多样的光探测器。
光敏电阻的感光面积较宽，因而能实现显著的明暗电阻差异。以我国生产的625-A型硫化镉光敏电阻为例，它在光照下的电阻值低于50千欧，而在黑暗中的电阻值则超过50兆欧。
（2）光电二极管：二极管导通取决于光信号的强度
光电二极管的内部核心同样是一个PN结，不过其结的面积相较于常规二极管来说更大，这样的设计使得它能够更有效地接收光线。
然而，与常规二极管有所区别的是，光电二极管在反向电压的条件下进行运作。其暗电流极低，大约仅为0.1微安。
在光线的照耀下，所形成的电子与空穴的配对被称为光生载流子，这些载流子参与导电过程，能够提升反向饱和电流的值。光生载流子的数量与光线的强度紧密相关，因此，反向饱和电流会随着光强的高低而波动，进而能够将光信号的变化转化为电流和电压的变化。
光电二极管主要应用于近红外探测设备和光电转换自动控制设备，同时它也充当光导纤维通信系统中的接收部件。
（3）光电三极管：三极管导通取决于光信号的强度
光电三极管的结构与一般的三极管相似，不过其基区面积较宽，这使得它能够捕捉到更多的入射光。当入射光在基区引发电子与空穴对时，便产生了基极电流。同时，集电极电流是基极电流的β倍，所以光照可以有效地调节集电极电流的大小。与光电二极管相比，光电三极管具有更高的灵敏度。
5.3 光伏探测器：输出电压取决于光信号的强度
通过半导体PN结的光伏效应所制造的设备被称作光伏探测器，亦或是结型光电器件。
光敏元：是检测光信号的，并转换成电信号的最小单元！
（1）一维PSD位置敏感传感器
一维PSD由无数个光敏元排列成一条直线。
PSD位置传感器属于一种光学探测器，其功能在于对光点在探测器表面上的连续位置进行测量。
它是一种非分割型器件，可将光敏面上的光点位置转化为电信号。
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光点照射在不同的位置，其输出电流是不相同的。
这是一种新型的光电器件，或称为坐标光电器件。
备注：通过2个管脚的电压的大小，确定光斑在线段中的位置。
（2）二维PSD位置敏感传感器
二维PSD由无数敏元排列成一个矩阵。
通过测量四个引脚的电压数值，我们可以精确判断光斑在平面区域内的具体位置。
5.4 CCD 图像传感器
CCD传感器属于一种新型的光电转换装置，具备将光信号转化为电荷信号并加以储存的功能。
对其施加特定顺序的脉冲后，存储的信号电荷便能在CCD芯片中实现定向移动，进而完成自扫描过程。
它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。
该设备具备光电转换、信息存储以及延时等多种功能，同时具备高集成度和低功耗的特点，已在摄像、信号处理和存储三大领域得到广泛应用，尤其在图像传感器领域的发展尤为显著。
CCD设备分为面阵和线阵两种类型，其中面阵CCD是将像素排列成二维平面的元件；相对地，线阵CCD则是将像素排列成一条一维直线的元件。
二维CCD技术利用的是空间中各个点的光信号，这些信号经过处理形成的是一幅二维图像的数据。
5.5 热点探测器
热探测器通过探测元件吸收入射辐射，从而产生热量并引起温度上升，然后利用多种物理效应将温度的升高转化为电能，最终制造出这种设备。
最常用的有温差电偶、测辐射热计、高莱管、热电探测器。
通常情况下，热探测器的接收元件表面经过涂黑处理，导致其光谱响应缺乏选择性；这样的特性使其仅受限于透光窗口的光谱透射特性。因此，这类探测器主要被应用于红外和紫外波段。然而，它们存在响应率不高、响应速度较慢以及机械强度不足等问题。
六、光电探测器件的技术要求
为了确保信号传输的高效与信号形态的精准转换，光电探测器必须与测量信号以及光学系统实现精确匹配，同时，它还需与后续的电子线路在性能及操作参数上达成一致，确保所有连接的元件均能发挥出最佳效能。
现将光电探测器件的应用选择要点归纳如下：
光电探测器需与辐射信号源以及光学系统在光谱特性方面保持一致。
若波长处于紫外区域，应选择光电倍增管或特定紫外光电半导体设备；信号若为可见光，光电倍增管、光敏电阻以及Si光电器件均可使用；至于红外信号，光敏电阻是合适之选，而近红外波段则推荐使用Si光电器件或光电倍增管。
（2）光电探测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。
在操作过程中，我们需确保器件的感光面与照射光精准对接，因为光源需准确照射到器件的有效区域。一旦光照位置出现变动，光电灵敏度便会随之改变。特别是对于光敏电阻这类可变电阻，光照区域电阻值会降低，因此必须保证光线能够均匀照射在两电极间的整个电阻体上，这样才能充分利用其感光面。光电二极管和光电三极管的感光区域仅限于结附近的极小部分，因此通常将透镜视为光线的进入窗口，并需精确对准透镜的焦点与感光敏感区域。必须确保入射光量的变化中心位于检测装置光电特性的线性响应区间内，从而保证输出信号的线性度。对于微弱的光信号，器件需具备恰当的灵敏度，以实现所需的信噪比并输出足够有力的电信号。
光电探测器需与光信号的调制方式、频率以及波形保持一致，以确保输出波形无频率失真，并具备优良的时间响应特性。
这种情况下，我们通常倾向于选用响应速度较快或频率上限较高的元件，然而在电路设计上，还需留意动态参数的匹配。
光电探测器需与输入电路在电气特性上实现精确匹配，以确保具备较高的转换效率、宽广的线性工作区间、优良的信号噪声比以及迅速的动态响应能力。
为确保设备能够持续稳定且可靠地运行，务必精心挑选合适的设备规格，严格控制其使用环境，同时确保设备在规定的工作参数范围内操作。
七、应用
光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。
在可见光或近红外频段，主要应用于射线测量与探测、工业自动化控制以及光度计量等领域；而在红外频段，则主要用于导弹制导、红外热成像和红外遥感等技术。此外，光电导体还被广泛用于制造摄像管靶面。为了防止光生载流子扩散导致图像模糊，连续薄膜靶面通常采用高阻多晶材料，例如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可以采用嵌入靶面的技术，而整个靶面则由大约十万个独立的探测器拼接而成。
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