定义
一种对光功率差异敏感但对普通噪声不敏感的光检测方法。
平衡光检测（或差分光检测）方法已被开发用于检测两个光输入信号之间的光功率的微小差异，同时在很大程度上抑制输入的任何常见波动。
图1：用于平衡光检测的简单电子电路。
在最简单的形式中，使用两个串联的光电二极管，因此它们的光电流在相等时相互抵消（见图1）。 光电流差被发送到跨阻放大器，跨阻放大器产生与该差值成比例的输出电压。
作为应用的一个例子，我们可以考虑在光谱学中测量弱吸收特征。 在这里，一个光电探测器用于通过光谱样品传输的光，而另一个光电探测器则用来自同一光源但尚未通过样品的光照射。 （两个光束是通过光源和样品之间的分束器获得的。 使用光源的任何强度噪声都可以通过这种平衡检测方案在很大程度上被抵消，因此可以进行具有改进信噪比的测量。
上述消除称为共模抑制，可以用分贝量化。 一个通常达到 50 dB 或更高。
虽然平衡检测装置可以由单个组件组装而成，但使用预制的完整组件可能会有所帮助，其中包含匹配的光电二极管（见下文）和所需的电子设备。
优化共模抑制
完美的消除需要两个探测器（包括光路）之间的完美匹配。 在这方面，有不同的方法可以优化设置：
- 人们可以使用匹配的光电二极管，具有非常相似的特性。 它们可以在同一工艺的同一半导体芯片上制造。 然而，这种方法当然无助于防止光学不对称。
- 可以为其中一个光束使用可调光衰减器，这也可以补偿两个探测器之间的响应度的任何差异。
- 有自动平衡光电探测器，其中电子电路在一定程度上自动消除不对称性。 例如，可以为其中一个光电二极管使用电子控制的分流器，并使用带宽有限的反馈电路来控制该分流器。 然后，只能针对高于该反馈带宽的频率进行实际测量。
图2：OCT系统中使用的光纤耦合高速平衡InGaAs探测器。来源：维瑟实验室电子
请注意，可能会出现问题，例如，当自由空间输入光束延伸到探测器上光敏区域的边缘时：光束位置的微小变化可能会转化为影响差分信号的显着光电流变化。 探测器响应度的完美均匀性偏差可能会导致类似的问题，并伴有光束位置的变化。 对于具有单模光纤的光纤耦合光电二极管，不会出现此类问题，除非需要将自由空间光耦合到此类光纤中。 全光纤设置，特别是当使用保偏单模光纤时，可以针对特别高的共模抑制进行优化。
当然，也应避免电子设备中的任何不对称。 特别是对于高频检测，精确匹配的电缆长度也很重要，否则会引入频率相关的相移。
一些平衡探测器具有额外的低频监视器输出，可用于检查光电流的平衡。
散粒噪声
在某些方面，量子噪声的行为与经典强度噪声的行为不同。 即使使用完美的50：50分束器，这种设备的两个输出端口中的光功率波动也不完全相互关联。 因此，即使是完美的平衡检波器也会产生一些与散粒噪声相关的输出波动。 该量子噪声限制至少远低于在许多情况下在没有平衡检测的情况下可以达到的噪声水平。
散粒噪声水平处的相对强度噪声随着光功率的降低而增加。 因此，人们通常会尝试以尽可能高的功率水平操作光电探测器，受到可用光功率或探测器功率处理能力的限制。
平衡光检测的应用
吸收光谱
如上所述，可以在激光吸收光谱中应用平衡检测。 直接检测（使用单个光电探测器）的问题在于探测器无法区分激光噪声引起的波动和吸收特性引起的波动。 平衡光电探测器可以在很大程度上抑制激光噪声的影响，这是两个端口的共同输入 - 特别是在设置平衡的情况下。
平衡检测也可以与调频光谱结合使用，其中吸收特征会导致激光束的振幅和相位的轻微变化，这可以通过与平衡探测器中的参考光束进行比较来揭示。 当然，检波器应该能够在时间上分辨调制。
类似的方法也可以应用于泵探头测量。 平衡检测器的输入当然不是泵浦和探头光束，而是探针光束和从中衍生的参考光束，不受所研究样品的影响。
零差检测
例如，在某些情况下，在50：50分束器之后使用平衡光电探测器来测量激光的强度噪声。 使用合适的电子电路，人们可以获得光电流的总和和差，并将两者馈送到电子频谱分析仪。 虽然总和信号反映了激光强度噪声，就像使用单个光电探测器获得的那样，但差分信号表示散粒噪声水平。 因此，可以很容易地将激光噪声与散粒噪声水平进行比较。 在振幅挤压光的情况下，可以准确地检测子散射噪声性能。
干涉检测
在各种干涉仪中 - 例如，用于光学相干断层扫描的干涉仪 - 可以通过平衡检测显着提高噪声性能。 两个平衡光电探测器从分束器的两个输出接收光，其中信号束与参考光束叠加。 光电流的差异提供所需的干涉信号，同时抑制光源的强度噪声。
这种技术还用于各种其他应用中的光学外差检测。
