4. 平衡探测基础
在相干接收机中，光信号经过 90° 光混合器后会产生多路带有相位关系的光场。若直接用单个光电探测器接收其中一路，本振光（LO）带来的强度噪声、共模直流分量以及光源相对强度噪声（RIN）都会直接叠加到输出电信号上，严重时甚至淹没微弱的信号分量。平衡探测（Balanced Detection）正是为解决这一问题而生的核心接收技术：它用两个性能匹配的光电探测器分别接收两路互补光信号，再通过差分放大完成相减，从而在保留有用信号的同时抵消共模噪声。
一、平衡探测的基本概念
平衡探测的本质是“双路探测 + 差分相减”。以 2×2 光耦合器为例，信号光与本振光在耦合器中干涉后，两个输出端口的光功率分别为：
P1 = (Ps + Plo + 2√(Ps·Plo)·cosΔφ) / 2
P2 = (Ps + Plo − 2√(Ps·Plo)·cosΔφ) / 2其中 Ps 为信号光功率，Plo 为本振光功率，Δφ 为两光场的相对相位。两个探测器分别将 P1、P2 转换为光电流 I1、I2，差分输出为：
I_diff = I1 − I2 = 2R√(Ps·Plo)·cosΔφ可以看到，差分结果中只保留了与信号和本振乘积相关的干涉项，而 Ps+Plo 这一共模直流项被完全消去。这正是平衡探测能够提升信噪比、抑制共模噪声的数学根源。
二、平衡探测器结构
一个典型的平衡探测器由光输入接口、两个匹配的光电二极管、偏置与匹配网络、差分跨阻放大器（TIA）以及输出缓冲级组成。其结构关系如下图所示：
图中两个光电二极管必须具有高度一致的响应度、结电容和暗电流，否则共模分量无法完全抵消。差分 TIA 将两路电流相减并转换为电压，其共模抑制能力直接决定平衡探测器的性能上限。
三、共模抑制比（CMRR）
共模抑制比用于衡量平衡探测器对共模分量的抑制能力，定义为差模增益与共模增益之比：
CMRR(dB) = 20·log₁₀( A_diff / A_cm )理想平衡探测器的 CMRR 趋于无穷大，但实际受限于以下因素：
- 探测器失配：两只 PD 的响应度差异 ΔR 会直接产生残余共模电流。
- 耦合器分光比偏差：2×2 耦合器若分光比不是严格的 50:50，两路光功率不平衡。
- TIA 增益失配：差分放大器两输入端跨阻不一致，导致相减不彻底。
- 寄生参数差异：PCB 走线、键合线电感、结电容不一致引入相位和幅度误差。
四、噪声抵消原理
平衡探测的噪声抵消可以从“共模”和“差模”两个角度理解。本振光功率通常远大于信号光功率，其 RIN 噪声、散粒噪声中的直流相关部分以及环境温度漂移引起的共模漂移，都会同时出现在两只 PD 的输出中。差分相减后，这些共模噪声被大幅抑制，而信号项因为两路相位相反被保留并加倍。
从散粒噪声角度看，平衡探测的输出噪声功率为：
σ²_bal = 2qR·Plo·B （仅本振散粒噪声）
σ²_single = 2qR·(Ps + Plo)·B + RIN·(R·Plo)²·B可见平衡探测消除了 RIN 项，且散粒噪声只与本振功率相关，不再受信号功率波动影响。这使得平衡探测在弱信号、高本振功率场景下具有显著优势。
五、相对单端探测的优势
| 对比维度 | 单端探测 | 平衡探测 |
|---|---|---|
| 直流分量 | Ps+Plo 全部保留，易饱和 | 共模相消，直流残余极小 |
| RIN 噪声 | 直接叠加，限制灵敏度 | 被差分抵消，灵敏度提升 |
| 信号增益 | 单路电流 R·√(Ps·Plo) | 差分后信号加倍 2R·√(Ps·Plo) |
| 动态范围 | 受本振功率限制 | 可承受更高本振功率 |
| 共模抑制 | 无 | CMRR 可达 30～40 dB |
| 电路复杂度 | 低 | 较高，需匹配与差分设计 |
六、典型应用场景与误区复盘
在相干光通信、激光雷达（FMCW LiDAR）、光学相干层析（OCT）和量子光学平衡零拍探测中，平衡探测都是前端核心。以 FMCW 激光雷达为例，回波信号极弱，本振功率较高，若采用单端探测，RIN 噪声会直接淹没中频拍频信号；采用平衡探测后，共模 RIN 被抑制 30 dB 以上，中频信噪比显著改善。
常见误区二：忽略耦合器分光比。分光比偏离 50:50 会引入固定的共模偏置，使 TIA 提前饱和。
常见误区三：只关注 CMRR 而忽略带宽匹配。两路 TIA 的带宽不一致会导致高频段相位失配，共模抑制在高速信号下急剧下降。
因此，平衡探测器的工程实现需要从光路分光、PD 选型配对、TIA 对称布局到 PCB 走线等环节进行系统性匹配设计。只有共模路径高度对称，平衡探测才能真正发挥其噪声抵消与灵敏度提升的优势。