在設計探測器系統時，保持電帶寬盡可能接近所需帶寬至關重要。也就是說，如果光信號以10kHz的頻率變化，那么具有1MHz帶寬的探測器系統只會不必要地引入噪聲。

在任何光檢測應用中，信號檢測的下限由檢測器及其放大器的噪聲特性決定。任何光學探測器系統中都有三個主要的噪聲源：光子相關的散粒噪聲、探測器暗噪聲和放大器噪聲。前兩個與探測器有關。

inoise=電流均方根噪聲，q=電子電荷，Iph=光生信號電流，M=探測器內部增益，F=探測器過量噪聲系數，ΔB=探測器-放大器組合的電帶寬。

與信號電平無關的探測器暗噪聲也會導致系統的噪聲。對于PMT和APD，除了信號產生的散粒噪聲外，還有兩個主要的噪聲源：探測器產生的暗電流散粒噪聲和探測器增益機制產生的噪聲(過量噪聲)。

暗電流的散粒噪聲形式與上式相同，只是用ID代替了Iph。

過量噪聲的細節超出了本文的范圍。簡單地說，它是由探測器的內部放大機制添加到信號中的噪聲。對于PMT，其值約為1.4，并隨著增益的增加而減小。對于APD，它的值大于2，并且隨著增益的增加而增加。它還依賴于被檢測到的光的波長。

如前所述，光電二極管有兩種工作方法：光電導模式和光伏模式。在每種情況下，主要的噪聲源都是不同的。在光電導模式下，暗電流相當大，因此暗電流的散粒噪聲主導了光電二極管的噪聲。要將散粒噪聲方程應用于光電二極管，請用Idark代替Iph，并將M和F設置為1。

在光伏操作模式下，暗電流可以忽略不計。在這種情況下，光電二極管分流電阻的約翰遜噪聲主導了噪聲項。

k=玻爾茲曼常數，T=光電二極管的溫度，Rsh=光電二極管的分流電阻。

對于SiPMs，還有兩個額外的噪聲源——后脈沖和串擾——用戶需要注意(圖1)。當被捕獲的電荷在從初級雪崩中恢復的像素中釋放時，會發生后脈沖，釋放的電荷會觸發該像素內的次級雪崩。后脈沖相對于主信號在時間上延遲。當一個像素的原始雪崩引起光子發射，從而觸發相鄰像素的一個或多個雪崩時，就會發生光學串擾。串擾脈沖是由光的發射引起的，因此“瞬間”發生，因此，串擾脈沖疊加在信號脈沖上。

圖1:SiPM中的串擾和后脈沖

脈沖和串擾實際上是噪聲，但由于這些噪聲源的性質，尚不清楚它們對測量系統有什么影響。最小化其影響的一種方法是選擇具有低后脈沖和串擾特性的SiPM。

圖2:跨阻抗放大器將檢測器輸出電流轉換為電壓

光電探測器放大器(圖2)是主要的系統組件，在許多情況下，其噪聲將主導系統噪聲。要了解探測器系統的總噪聲，必須了解探測器放大器組合的噪聲。雖然放大器噪聲方程的推導非常復雜(見參考文獻)，但一些基本假設和簡化可以得出非常有用的噪聲方程。

第一項是放大器反饋電阻器的約翰遜噪聲。由于反饋電阻器的值必須小于光電二極管的分流電阻，因此該項通常會主導檢測器放大器的噪聲。

If=放大器反饋電阻約翰遜噪聲引起的均方根電流，Rf=反饋電阻器，為了盡量減少約翰遜噪聲，必須選擇一個大的反饋電阻器或冷卻放大器。

第二項來自放大器的輸入噪聲電壓，其形式如下：

Iv=放大器電壓噪聲引起的均方根電流噪聲，Va=輸入電壓噪聲密度，例如nV/Hz^1/2，Ct=探測器的終端電容。

電壓噪聲電流很有趣，因為它依賴于檢測器的終端電容。它還與頻率帶寬密切相關。為了降低該元件或放大器噪聲，應選擇低電容的檢測器。此外，應盡量減少電帶寬。

最后，第三噪聲分量是由放大器輸入偏置電流(Ib)引起的散粒噪聲。如果在選擇低輸入偏置電流場效應晶體管放大器時小心謹慎，這種噪聲源就會最小化。

總探測器放大器均方根噪聲變為：

Ishot=探測器暗噪聲+信號引起的散粒噪聲

放大器噪聲加上探測器暗噪聲表示探測器系統的本底噪聲，而信號引起的散粒噪聲隨信號電平而變化。考慮到這一點，信噪比可以寫如下：

由上式可以推測，內部增益檢測器的優勢在于通過檢測器的增益降低了放大器的有效噪聲。因此，諸如PMT之類的高增益檢測器可以將放大器噪聲的貢獻降低到微不足道的程度。同樣，中等增益檢測器(如APD)大大降低了放大器對檢測器系統總噪聲的噪聲貢獻，而沒有內部增益的光電二極管更容易受到放大器噪聲的影響。

當今的市場要求產品以盡可能快的速度和盡可能低的成本從繪圖板進入市場。模塊通過比較大化集成、降低開發成本和節省時間來實現這些目標。

模塊可以像光電二極管放大器組合一樣簡單，也可以像微處理器控制的光子計數單元一樣復雜，該單元包括PMT、高壓電源、光子計數電子設備和計算機接口，所有這些都在6英寸長的封裝中。

圖8展示了模塊優勢的一個示例。由于許多原因，MPPC是一個難以設計的設備。它對溫度非常敏感，其噪聲隨著增益的增加而增加，并且對偏置電壓的微小變化非常敏感。所示的模塊包含一個非常低的紋波電源，低噪聲放大器，溫度反饋電路(補償熱漂移)，并從一個5 V直流電源運行。儀器設計人員已經不再需要在高電壓下工作，也不需要對探測器增益漂移的高電壓進行熱補償。因此，可以將注意力集中在將探測器集成到光學系統上。

盡管如此，該模塊并不能幫助選擇探測器，而只能使探測器更容易使用。因此，每個電光儀器的設計者都應該熟悉探測器的性能和使用。

審核編輯 黃宇