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光探测器
《光纤通信》(第3版) 原荣 编著 第 5 章 光探测及光接收机 光探测原理 光电探测器 数字光接收机 接收机光信噪比(OSNR) 接收机误码率和灵敏度 灵敏度下降机理 光接收机 光探测器 前 言 发射机发射的光信号经光纤传输后,由第2章我们知道,不仅幅度衰减了,而且脉冲波形也展宽了。 光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号,并放大、整形、再生成原输入信号。 它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器。 对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高,并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。 用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。 5.1 光探测原理 发生受激吸收产生一个电子空穴对; 在 PN 结施加反向电压的情况下,受激吸收过程生成的电子?空穴对,在电场的作用下,在外电路形成光生电流。 当入射功率变化时,光生电流也随之线性变化,从而把光信号转变成电流信号。 光探测原理----受激吸收 假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg,耗尽区每次吸收一个光子,将产生一个电子空穴对,发生受激吸收。 图5.1.1 PN结光电检测原理说明 在 PN 结施加反向电压的情况下,受激吸收过程生成的电子?空穴对在电场的作用下, 分别离开耗尽区,电子向 N 区漂移,空穴向 P 区漂移,空穴和从负电极进入的电子复合,电子则离开 N 区进入正电极。从而在外电路形成光生电流。 当入射功率变化时,光生电流也随之线性变化,从而把光信号转变成电流信号。 光电检测器响应度 5.2 光电探测器 5.2.1 PIN光电二极管 5.2.2 雪崩光电二极管 5.2.3 响应带宽 5.2.4 新型APD结构 5.2.5 MSM光电探测器 5.2.6 单向载流子探测器(UTC-PD) 5.2.7 波导探测器(WD-PD) 5.2.8 行波探测器(TW-PD) 5.2.1 PIN光电二极管 ----工作原理 简单的 PN 结光电二极管具有两个主要的缺点。 首先,它的结电容或耗尽区电容较大,RC 时间常数较大,不利于高频调制。 其次,它的耗尽层宽度最大也只有几微米,此时长波长的穿透深度比耗尽层宽度 W 还大,所以大多数光子没有被耗尽层吸收,因此长波长的量子效率很低。 图5.2.1 PIN光电二极管 为了克服 PN 管存在的问题,人们采用 PIN 光电二极管 PIN 二极管与 PN 二极管的主要区别是,在 P 和 N 层之间加入了一个 I 层,作为耗尽层。I 层的宽度较宽,约有(5 ~ 50)?m,可吸收绝大多数光子,使光生电流增加。 PIN光电二极管的响应时间 2. 光电二极管的响应波长 图5.2.2 PIN光电二极管的波长响应曲线 PIN光电二极管的性能参数 量子效率 ? 响应度 R 暗电流, 表示无光照时出现的反向电流,它影响接收机的信噪比; 响应速度, 它表示对光信号的反应能力,常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示; 结电容 (pF), 它影响响应速度。 5.2.2 雪崩光电二极管 雪崩光电二极管(APD)是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。 APD的结构设计,使它能承受高的反向偏压,从而在 PN 结内部形成一个高电场区。 APD能提供内部增益 工作速度高 已广泛应用于光通信系统中 APD工作原理 光生的电子?空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量,它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞,使晶格中的原子电离,从而产生新的电子?空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子?空穴对,称为二次电子?空穴对。 新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速,又可能碰撞别的原子,这样多次碰撞电离的结果,使载流子迅速增加,反向电流迅速加大,形成雪崩倍增效应。 图5.2.3 雪崩光电二极管 图5.2.4 APD雪崩倍增图示 2. 平均雪崩增益 5.2.3 响应带宽 光电二极管响应带宽定义 上升时间定义 上升时间定义为输入阶跃光功率时,探测器输出光电流最大值的 10 % 到 90 % 所需的时间。 受 RC 时间常数限制的带宽 图5.2.7 SAGA APD结构示意图 图5.2.8 APD带宽—增益特性 图5.2.9 阶梯超晶格多量子阱(MQW) APD (a)无偏压能带图 (b)加偏压后的能带图 5.2.4 MSM光电探测器 金属-半导体-金属(MSM, Metal-Semiconductor-Metal)光电探测器与PN结二极管结构不同 然而,它的光/电转换的基本原理却仍然相同,即入射光子产生电子-空穴对,电子-空穴对的流动就产生了光电流。 图5.2.5 MSM光电探测器结构
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