我们都知道，光电探测器是一种基于光电效应，能将光信号转换为电信号的器件。其种类繁多，每种都具有独特的性质和应用场景。

上一篇我们熟悉了放大光电探测器与光电倍增管（PMT）的“单端”工作方式（点此回顾），现在我们做进一步追问：当背景噪声或共模干扰大到足以淹没信号时，还能不能继续提升信噪比？答案是可以，只需要一个平衡光电探测器（Balanced Photodetector，BPD）。

平衡光电探测器由两个光电二极管和一个差分放大器构成。光信号首先通过一个光分束器被分成两路，分别输入到两个光电二极管中。这两个光电二极管的工作方式相同，但输入光信号的相位相反。当两个光电二极管接收到相同强度、相位相反的光信号时，它们的输出电流也会相反，因此可以将它们的输出信号相减得到一个差分信号。

输入：两束相位相反的光信号（通常由光分束器或马赫 -曾德干涉仪产生）

输出：差分电流 →电压转换(G：增益，R：光电二极管响应度)

通过双路差分结构，激光强 度噪声、电源纹波等共模干扰被抵消：

光电探测器的核心参数主要有带宽、共模抑制比等，表格中分别列出了对应的典型值。

• 优势：自动滤除直流偏移（暗电流 / 环境光） ，在输出端加一个高通滤波器实现   。

• 代价： 会 丢失超低频信号（ <1 kHz ）  。

• 适用场景：调制光信号检测（通信、脉冲激光） 。

• 优势：保留全频段信息（含直流光强） 。

• 挑战：需漂移补偿电路（如直流伺服环路） 。

• 适用场景：绝对功率测量、慢变信号传感 。

可以用于测量量子噪声压缩态：差分探测消除经典噪声，提取量子噪声极限。

应用于引力波探测（如 LIGO ）： 可以 探测 10 -22 应变级别的相位变化。

在生物医学领域， 光电平衡探测器常用于 光学 相干断层扫描（ OCT ）：通过平衡探测提升深层组织成像信噪比。

平衡光电探测器的波长范围是选择时最重要的参数之一。不同材料的光电二极管（ PD ）适用于不同的波长范围：

• 可见光： Si 基探测器 所适用的波长范围为 400 nm-1100 nm ，常见于可见光和近红外（ NIR ）应用。

• 近红外： InGaAs 基探测器 适用于 800 nm-1700 nm 波长范围，常见于中红外（ MIR ）和长波红外（ LIR ）应用。

带宽决定了探测器能够处理的信号频率范围。常见的带宽选项包括：

• DC-100MHz ：适用于低速信号处理，如光谱分析、 OCT 等。

• DC-200MHz ：适用于中等速度的信号处理，如 LiDAR 、 OCT 等。

• DC-350MHz ：适用于高速信号处理，如量子态层析成像、太赫兹探测等。

带宽计算公式为：

共模抑制比是衡量探测器抑制共模噪声能力的重要指标。通常，CMRR越高，探测器的噪声抑制能力越强。常见的CMRR值包括：

• > 20 dB ：适用于一般应用。

• > 25 dB ：适用于高精度测量。

• >30  dB ：适用于高灵敏度应用避免饱和。

输入光功率需满足公式：

其中Vsat:放大器饱和电，G:增益，R:光电二极管响应度。通过输入光功率可判断探测器是否会被强光损坏：

• 低功率（<1 mW） ：适用于量子光学、单光子探测。

• 中功率（1~10 mW） ：适用于光通信、激光稳频。

• 高功率（>10 mW） ：适用于高功率激光检测，需内置衰减器。

噪声是衡量探测器灵敏度的重要指标，常见的噪声参数包括：电压：表示探测器输出端的噪声电压； 噪声等效功率（ NEP ） ：表 示探测器在单位带宽下能够检测到的 最小可 检测光信号强度。

• 高灵敏度（NEP <1 pW/√Hz）：适用于单光子探测、量子光学。

• 中等灵敏度（NEP 1~10 pW/√Hz）：适用于激光稳频、光通信。

• 低灵敏度（NEP >10 pW/√Hz）：适用于高功率激光检测噪声。

增益决定了探测器对输入信号的放大能力。常见的增益范围包括：

• 10  kV/A ：适用于低噪声放大。

• 100 k V/A ：适用于高增益放大。

工作温度范围决定了探测器在不同环境下的适用性。常见的工作温度范围包括：

• -20~6 5℃ ：适用于一般工业环境。

• - 40~85℃ ：适用于极端环境。

光电实验中，通过合理选择探测器，可以有效提高信号检测的精度和灵敏度，满足不同应用场景的需求。