第5章 光检测器与光接收机.ppt

5.1 光 检 测 器 在光纤传输线路的输出端，必须有一个能够转换光信号的接收装置即光接收机。接收机的首要部件就是光探测器（光检测器）。 光探测器能检测出入射在其面上的光功率，并把这个光功率的变化转换为相应的电流。由于光信号在光纤中传输时会有损耗和失真，所以对光检测器的性能要求很高。 5.1 光 检 测 器 光探测器主要有以下几种不同的类型：光电倍增管、热电探测器、半导体光探测器等。 在半导体光探测器中，光电二极管体积小，灵活度高，响应速度快，在光纤通信系统中得到了广泛的应用。常用的光电二极管有两种类型，即 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。 5.1 光 检 测 器 5.1.1 PIN 光电二极管的工作原理 1．工作原理 光电二极管是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，其工作原理可用光电效应来解释，如图5.1所示。 图5.1 光电二极管工作原理 5.1.1 PIN 光电二极管的工作原理 反向偏压使PN结加宽，空间电荷区的载流子基本耗尽了。光入射到PN结上，如果光子能量 大于半导体材料的禁带宽度 ，价带上电子可以吸收光子而跃迁到导带产生电子-空穴对。 若电子-空穴对在耗尽层内产生，在电场作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，形成光生电流。当入射光功率变化时，光生电流随之线性变化，从而把光信号转化成电流信号。 5.1.1 PIN 光电二极管的工作原理 然而，当入射光子能量小于 时，无论入射光多么强，光电效应都不会发生，也就是说，发生光电效应必须满足 ＞ 。因此，任何半导体材料制作的光电二极管都有上限截止波长 ，其表示式为 (5.1) 对于材料Si ， ；对于材料Ge， 。 光电二极管除了具有上限截止波长外，当入射波长太短时，材料的吸收系数变得很大，光电转换效率也会大幅度下降。 5.1.1 PIN 光电二极管的工作原理 2．光电转换效率 常用量子效率和响应度来衡量光电转换效率。入射光在光电二极管的表面有反射，设入射表面的反射率为 R，当入射光功率为 P 时，光生电流可以表示为 式中， 是零电场表面层厚度； 是耗尽区的厚度； 是吸收系数。 5.1.1 PIN 光电二极管的工作原理 量子效率定义为 (5.2) R 也可以用响应度来表示： R (5.3) 5.1.1 PIN 光电二极管的工作原理 要得到高的量子效率，必须采取如下措施：(1) 减小入射表面的反射率；(2) 尽量减小光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽层的宽度。因此，为了得到高的量子效率，常采用 PIN 结构，如图5.2所示。 图5.2 PIN 光电二极管 5.1.1 PIN 光电二极管的工作原理 I 区是一层接近本征的掺杂很低的N 区，在这种结构中，零电场区（ 区和 区）非常薄，而低掺杂的 I 区很厚，耗尽层几乎占据了整个PN 结，从而使光子在耗尽区被充分吸收。 对于 InGaAs 材料的光电二极管，往往还采用异质结结构，耗尽区( InGaAs )夹在宽带隙的 InP 材料之间，而InP 对于入射光几乎是透明的。 5.1.1 PIN 光电二极管的工作原理 图5.3给出了几种不同材料PIN 光电二极管的响应度和量子效率。 图5.3 几种不同材料 PIN 光电二极管的响应度和量子效率 5.1.1 PIN 光电二极管的工作原理 3．响应速度 响应速度通常用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。影响响应速度的主要因素有 (1) 光电二极管等效电路的 RC 时间常数 图5.4 光电二极管的等效电路 5.1.1 PIN 光电二极管的工作原理 (2) 载流子在耗尽区的渡越时间 (3) 耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟 图5.5 结电容、耗尽区宽度以及零电场区对输出脉冲的影响 4．暗电流 暗电流是指无光照时，光电二极管的反向电流。 Si 的光电二极管可小于1 nA，Ge 的光电二极管的暗电流通常几百纳安。 5.1.2 雪崩光电二极管(APD) 1．工作原理 与光电二极管不同，雪崩光电二极管能承受高的反向偏压。在PN结内部形成一个高电场区，光生的电子或空穴经过高场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离