PIN光探测器非线性特性理论的研究.pdfVIP

PIN 光探测器非线性特性的理论研究 梅文丽，黄永清，任晓敏 北京邮电大学光通信与光波技术教育部重点实验室，北京（100876 ） E-mail ：meiwenli.bupt@ 摘 要：基于 PIN 光电二极管的简化模型,利用载流子连续方程与泊松方程, 通过分析在不 同偏压以及入射光功率下光探测器的响应特性，得到偏压以及入射光功率对光探测器非线性 特性的影响。该文提出的模型是分析光探测器的响应特性与非线性特性的有效工具，为高速 大容量光纤通信系统中光探测器的应用提供了依据。 关键词：光探测器，非线性，光电二极管，偏压，光功率 中图分类号：TL816+.7 1. 引言 目前大部分光纤系统中非线性特性的研究都是集中在光源和光纤上的。然而近年来越来 越多的研究人员开始关注 PIN 光探测器非线性特性的研究。随着高功率激光器和放大器的 出现以及ＤＷＤＭ大容量光纤通信系统的应用，使得光探测器入射光功率大幅度的增大，非 线性特性对光探测器性能的影响也越来越显著。目前光探测器中的非线性特性已经成为高保 真模拟和数字通信系统中重要限制因素。近年来光纤通信系统大量采用高性能高功率的光 源、光前置放大器（掺铒光纤放大器和半导体光纤放大器）、利用外调制的高功率激光器光 源、外差探测等高功率器件来改善提高性能。如果不限制常见部件——光探测器中的非线性， 那么所有的基础光纤系统性能都将会受影响。 本文将基于PIN 光电二极管的简化模型[1]，通过分析在不同偏压以及入射光功率下光探 测器的响应特性，来得到偏压以及入射光功率对光探测器非线性特性的影响。基于本文的分 析能够更好的发挥PIN 光电二极管的作用。 2. 基本传输方程 描述载流子传输的基本方程为泊松方程和载流子连续方程。泊松方程将电势ψ 与相应 区域中的电荷分布相联系，其方程如下： q −∇⋅∇ψ (p =−n +Nd −Na ) ε （1） 式中p 为空穴浓度、n 为电子浓度；N d 为电离的失主掺杂浓度、N a 电离的受主掺杂 浓度；q 为全部电荷量、ε为材料的介电常数。考虑电势ψ 与电场强度E 的关系，（1）式 改写为如下方程： q ∇⋅E (p =−n +N d −N a ) ε （2 ） 载流子守恒由电子与空穴的连续性方程决定，具体如下： ∂p 1 G =−R − ∇⋅( Jpdrift +Jpdiff ) ∂t q （3 ） ∂n 1 G =−R + ∇⋅( Jndrift +Jndiff ) ∂t q （4 ） -2- 式中G 、R 为载流子的产生率与再结合率；J 、J 表示空穴与电子的漂移电流；