3. 平衡光电探测器原理

在相干接收机中，本振光（LO）与信号光在 90° 光混合器中干涉后，会输出多路携带相位信息的光场。若直接用单个光电二极管（PD）探测其中一路，输出电流中会同时包含本振自身产生的巨大直流分量、信号与本振的差频项，以及本振相对强度噪声（RIN）。平衡光电探测器（Balanced Photodetector, BPD）的核心思想，就是用两只特性高度一致的光电二极管，对两路相位相反的光进行差分探测，从而在保留有用差频信号的同时，把共模的直流和强度噪声抵消掉。

一、双光电二极管差分结构

以 90° 光混合器的一个输出对为例，它给出两路光场，其电场可写为

E1 = (Es + j·ELO) / √2
E2 = (j·Es + ELO) / √2

其中 Es 为信号光场，ELO 为本振光场，j 表示 90° 相移。两路光分别进入 PD1 和 PD2，光功率为

P1 = |E1|² = (Ps + PLO + 2·√(Ps·PLO)·sin(Δφ)) / 2
P2 = |E2|² = (Ps + PLO − 2·√(Ps·PLO)·sin(Δφ)) / 2

式中 Δφ 为信号与本振的相位差，Ps、PLO 分别为信号光功率与本振光功率。两只 PD 的响应度记为 R1、R2，理想匹配时 R1 = R2 = R。若采用“反向串联”接法，即 PD1 的阳极接 PD2 的阴极、PD2 的阳极接 PD1 的阴极，则流过负载的电流为两只 PD 光电流之差：

i_diff = R·(P1 − P2) = 2·R·√(Ps·PLO)·sin(Δφ)

可以看到，直流项 (Ps + PLO)/2 在相减中被完全消去，输出只保留了与相位差相关的差频项。这正是平衡探测“差分结构”的数学本质：两路光功率中的共模部分被抵消，差模部分被加倍保留。

二、共模抑制机制

平衡探测的共模抑制能力，取决于两只 PD 的匹配程度。设 R1 = R(1+ε)，R2 = R(1−ε)，其中 ε 为相对失配量，则差分电流为

i_diff = R1·P1 − R2·P2
       = R·[(1+ε)P1 − (1−ε)P2]
       = R·(P1 − P2) + R·ε·(P1 + P2)

第一项是理想差频信号，第二项 R·ε·(P1+P2) 是失配引入的残余共模分量。由于 P1+P2 = Ps+PLO，当 PLO 远大于 Ps 时，残余项近似为 R·ε·PLO，它会直接抬高输出噪声基底。因此共模抑制比（CMRR）可定义为

CMRR = 20·log10( (P1+P2) / (ε·(P1+P2)) ) = 20·log10(1/ε)  dB

例如 ε = 0.01（即两只 PD 响应度相差 1%），CMRR ≈ 40 dB；若 ε = 0.001，CMRR ≈ 60 dB。实际器件中，除了响应度失配，还有暗电流失配、结电容失配、串联电阻失配以及封装耦合差异，这些都会限制最终的共模抑制水平。工程上通常要求两只 PD 来自同一晶圆批次，并在同一温度下工作，以把 ε 控制在 1% 以内。

三、直流分量消除与信噪比提升

单端探测时，输出电流为

i_single = R·P1 = R·(Ps + PLO)/2 + R·√(Ps·PLO)·sin(Δφ)

直流项 R·PLO/2 往往比差频项大几个数量级。例如 PLO = 1 mW、Ps = 1 μW、R = 0.8 A/W，则直流约 0.4 mA，而差频项峰值仅约 2×0.8×√(1e-3×1e-6) ≈ 1.6 μA，相差约 250 倍。这个巨大的直流不仅会占用 TIA 的动态范围，还会把本振 RIN 直接搬移到输出端。平衡探测把直流项相减消去后，TIA 可以工作在更高的跨阻增益下，从而把差频信号放大到合适的电平。

从信噪比角度看，单端探测的主要噪声包括本振 RIN、散粒噪声和热噪声。本振 RIN 与 PLO 成正比，在平衡探测中属于共模分量，被差分结构抑制；散粒噪声则来自两路光电流的独立涨落，差分后噪声功率相加而信号功率因差频项加倍而增大，因此平衡探测的散粒噪声受限信噪比可写为

SNR_bal ≈ (2·R²·Ps·PLO) / (2·q·R·PLO·B)
        = (R·Ps) / (q·B)

其中 q 为电子电荷，B 为接收带宽。该式表明，在散粒噪声受限条件下，平衡探测的信噪比只与信号光功率 Ps 有关，而与 PLO 的大小无关——这正是相干接收中“本振功率可以取得较大以压制热噪声，却不会恶化散粒噪声信噪比”的物理基础。

四、实际匹配与调试要点

要让平衡探测真正发挥作用，需要在器件选型和电路调试上关注以下几点。第一，两只 PD 的响应度、暗电流和结电容应尽量一致，建议选用同一批次、同一封装的平衡探测模块。第二，两路光进入 PD 前的耦合损耗要对称，否则等效于引入额外的 ε。第三，TIA 的反馈电阻和补偿电容要兼顾带宽与噪声，跨阻增益越高，对直流残余越敏感，因此平衡度不足时不能盲目提高增益。第四，可用以下简易检查表快速判断平衡状态：

在实际相干接收机中，平衡探测通常与 90° 光混合器的 I/Q 两路配合，形成 I 路平衡对和 Q 路平衡对，共四只 PD。每一对都遵循上述差分原理，最终输出 I 和 Q 两路基带信号，供后续 ADC 采样和数字信号处理恢复星座点。理解平衡探测的差分结构、共模抑制和直流消除机制，是进一步分析相干接收灵敏度、本振功率选择和共模抑制比指标的基础。