Фотонный шум когерентного излучения

Дискретная природа электромагнитного излучения в виде фотонов приводит к флуктуациям потока фотонов. Рассмотрим идеальный детектор с квантовым выходом h=1 (например, фотоячейку, с катода которой каждый фотон выбивает один электрон). В таком детекторе распределение падающих фотонов (количество фотонов, приходящих в единицу времени) может, в принципе, преобразовываться в соответствующее распределение импульсов тока. Таким образом, мы можем экспериментально регистрировать флуктуации электромагнитного излучения.

Рассмотрим теперь бесконечно длинную монохроматическую волну, так называемую когерентную волну. С классической точки зрения ее амплитуда и фаза не меняются со временем и не испытывают флуктуации. Поэтому при измерениях в течение одинаковых промежутков времени D t мы будем ожидать при фиксированной мощности излучения Р ₀ одно и то же среднее число фотонов . Поэтому средний фототок , где D q – заряд, прошедший в цепи за время D t.

Известно, что наблюдаемое число фотонов флуктуирует в соответствии с распределением Пуассона. В этом случае в интервале частот от n до n+Dn квадрат эффективного шумового тока электронов, обусловленного шумом когерентной электромагнитной волны, . Отношение сигнал – шум принято определять через отношение соответствующих мощностей: . Знаменатель этого выражения представляет собой эффективную эквивалентную мощность шума электромагнитного излучения .(*)

Это выражение описывает случай непосредственного приема сигнала. В случае гетеродинного приема шумы уменьшаются вдвое, а при гомодинном приеме – даже вчетверо!

В отличие от теплового шума, уровень которого понижается при высоких частотах вследствие наличия в проводниках паразитных емкости и индуктивности (подробно этот шум будет рассмотрен ниже), фотонный шум линейно возрастает с частотой. В области он начинает преобладать над тепловым шумом. При комнатной температуре это соответствует оптической и инфракрасной областям спектра.