ชุดโฟโตดีเทคเตอร์: บทนำเกี่ยวกับโฟโตดีเทคเตอร์แบบบาลานซ์

บทนำสู่โฟโตดีเทคเตอร์แบบสมดุล(เครื่องตรวจจับสมดุลแบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์)
โฟโตดีเทคเตอร์แบบบาลานซ์สามารถแบ่งออกเป็นแบบใช้ใยแก้วนำแสงและแบบใช้แสงเชิงพื้นที่ตามวิธีการเชื่อมต่อทางแสง ภายในประกอบด้วยโฟโตไดโอดที่จับคู่กันอย่างดีสองตัว โมดูลวงจรขยายสัญญาณทรานส์อิมพีแดนซ์ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำและแบนด์วิดท์สูง และโมดูลกำลังไฟฟ้าที่มีสัญญาณรบกวนต่ำมาก มีคุณสมบัติเด่นคือ อัตราการปฏิเสธโหมดร่วมสูง สัญญาณรบกวนต่ำมาก และแบนด์วิดท์สูง จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านการสื่อสารด้วยแสงแบบโคherent และกลายเป็นหัวข้อวิจัยที่ได้รับความสนใจอย่างมากจากองค์กรและมหาวิทยาลัยในหลายประเทศในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา
หลักการทำงานของโฟโตดีเทคเตอร์แบบสมดุล (เครื่องตรวจจับสมดุลแบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์)
โฟโตดีเทคเตอร์แบบบาลานซ์ใช้โฟโตไดโอดสองตัวในสภาวะไบแอสย้อนกลับเป็นหน่วยรับแสง เมื่อได้รับสัญญาณแสง กระแสไฟฟ้าที่เกิดจากโฟโตไดโอดทั้งสองจะถูกหักลบและส่งไปยังแอมพลิฟายเออร์ทรานส์อิมพีแดนซ์เพื่อแปลงสัญญาณกระแสเป็นสัญญาณแรงดันสำหรับส่งออก การใช้โครงสร้างลดตัวเองสามารถลดสัญญาณโหมดร่วมที่เกิดจากแสงและกระแสมืดของออสซิลเลเตอร์ภายในได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพิ่มสัญญาณโหมดดิฟเฟอเรนเชียล และปรับปรุงความสามารถในการตรวจจับสัญญาณแสงที่อ่อนได้ในระดับหนึ่ง
ข้อดี: อัตราการปฏิเสธโหมดร่วมสูง ความไวสูง และแบนด์วิดท์การตรวจจับสูง สามารถตอบสนองสถานการณ์การใช้งานที่หลากหลาย
ข้อเสีย: กำลังแสงอิ่มตัวต่ำ เหมาะสำหรับการตรวจจับแสงอ่อนเท่านั้น การรวมระบบต้องได้รับการปรับปรุง

ภาพ: แผนภาพหลักการทำงานของเครื่องตรวจจับสมดุล
พารามิเตอร์ประสิทธิภาพของโฟโตดีเทคเตอร์แบบสมดุล (ออปโตอิเล็กทรอนิกส์)เครื่องตรวจจับสมดุล)
1. การตอบสนอง
ความไวในการตอบสนองหมายถึงประสิทธิภาพของโฟโตไดโอดในการแปลงสัญญาณแสงเป็นกระแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นอัตราส่วนของกระแสไฟฟ้าต่อกำลังแสง การเลือกใช้โฟโตไดโอดที่มีความไวในการตอบสนองสูงจะช่วยเพิ่มความไวของเครื่องวัดสมดุลแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ความไวในการตอบสนองหมายถึงประสิทธิภาพของโฟโตไดโอดในการแปลงสัญญาณแสงเป็นกระแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นอัตราส่วนของกระแสไฟฟ้าต่อกำลังแสง การเลือกใช้โฟโตไดโอดที่มีความไวในการตอบสนองสูงจะช่วยเพิ่มความไวของเครื่องวัดสมดุลแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ
2. แบนด์วิดท์
แบนด์วิดท์แสดงถึงความถี่ของสัญญาณที่แอมพลิจูดของสัญญาณเอาต์พุตของโฟโตดีเทคเตอร์แบบบาลานซ์ลดลง -3dB และมีความสัมพันธ์กับความจุปรสิตของโฟโตไดโอด ขนาดของทรานส์อิมพีแดนซ์ และผลคูณของอัตราขยายและแบนด์วิดท์ของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ
3. อัตราส่วนการปฏิเสธโหมดร่วม
อัตราส่วนการปฏิเสธโหมดร่วม (Common mode rejection ratio) ใช้ในการวัดระดับการลดทอนสัญญาณโหมดร่วมโดยตัวตรวจจับแบบบาลานซ์ และโดยทั่วไปผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ต้องการอัตราส่วนการปฏิเสธโหมดร่วมขั้นต่ำ 25 dB
4.NEP
กำลังเทียบเท่าสัญญาณรบกวน: กำลังของสัญญาณขาเข้าที่จำเป็นเมื่ออัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนเท่ากับ 1 ซึ่งเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการวัดประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนของระบบ ส่วนประกอบหลักของสัญญาณรบกวนในเครื่องตรวจจับแบบสมดุล ได้แก่ สัญญาณรบกวนจากการกระเจิงของแสงและสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า

การประยุกต์ใช้โฟโตดีเทคเตอร์แบบสมดุล (ตัวตรวจจับสมดุลแบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์)
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โฟโตดีเทคเตอร์แบบบาลานซ์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ เช่น เรดาร์วัดลมด้วยเลเซอร์ การวัดการสั่นสะเทือนด้วยเลเซอร์ การตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสง การตรวจจับแสงอ่อนแบบโคherent การตรวจจับสเปกตรัม การตรวจจับก๊าซ เป็นต้น การวิจัยเกี่ยวกับความเร็วสูง แบนด์วิดท์สูง สัญญาณรบกวนต่ำ อัตราส่วนการปฏิเสธโหมดร่วมสูง และความไวสูงของตัวตรวจจับแบบบาลานซ์ได้ก้าวหน้าไปอย่างมาก และกำลังพัฒนาไปสู่การรวมวงจรสูงและการใช้พลังงานต่ำ เพื่อตอบสนองสถานการณ์การใช้งานที่หลากหลาย