基于高速微弱光电探测相关技术的浅析研究

器主要部分 （ 光电二极管与放大器 ） 的参数进行分析 ， 然后分 析 了光电二极管输 出信噪比 ， 得 出提高 光电探测灵敏度 关键在于 选择恰 当的器件 以及设计合理 的放 大电路。通过 搭建 具体 的实验 电路 ， 经过测 试 ， 该 电路在工作 波长为 １ ５ ５ ０ ｎ ｍ脉冲信 号 ，
为光照功率。一般情况下 ， 的值是小于 １的。该 值越大 ， 表明转换效率越高。实验 中尽量选用响应 度高的二极管 。 １ ． １ ． ２ 响应 时 间与带 宽分析
外加 反 向偏压 的光 电二极 管 的工作 特性类 似恒
流源， 电流大小仅与光照强度有关。等效 电路如图
１ 所示 。
随着现代激光通信速率的不 断提高 ， 通信距离 不断变远 ， 高速微弱激光通信探测技术 的应用变得 越来越广泛。在激光通信接收最前端的二极管对系 统性能影响比较大 ， 光电二极管响应输入光信号并 产生 光 电流 ， 该 微 弱 光生 电流 需 被 后续 电路 进 行 有 效 的转化 ， 要 求转 化 过 程 引入 的噪 声 要很 小 … 。二 极管 对光 信号 的 响应 速 率 、 响 应 度 等参 数 将 影 响 光 电转换效率。前置放大器是放大电路第一个器件 ， 其 主要功 能是 将光 电二极 管 输 出微 弱 电流信 号有 效 地接 入 电路 ， 并 对 其 进 行 一定 程 度 的放 大 。前 置 放 大器 的带 宽 、 噪声 等参 数将会 影 响到放 大 电路系 统 。 所以， 光电探测器 的前置放 大器设 计也非常重要 。 主放大器 的作用是对前置放大器输出信号进一步级 联放大 ， 使 电信号达到一定数值。
第１ ４卷第 ８期 ２ ０ １ ４年 来自月 科学技
术
与
工
程
Ｖｏ ｌ ｜ ｌ ４ Ｎｏ ． ８ Ｍａ ｒ ．２ ０ １ ４
ｌ ６ ７ １ —１ ８ １ ５ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ８ — ０ １ ８ ２ － ０ ４
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
模式情况下 ， 二极管在反向偏压条件下工作 ， 此时的 载流子渡越时间短 ， 可 以获得较高 的响应频率 。针 对高速率微 弱信 号 ， 决 定二极 管工作 在 光 电导模 式 Ｊ 。光 电 二 极 管 主 要 包 括 如 下 文 所 述 的 相 关
参数。
１ ． １ ． １ 响应度 分析
响应带宽为 ： ａ ｆ
Ｉ ｐ ＲＬ
。
； 输 出的负载电压为 ： Ｕ ＝
第一作者简介 ： 张
弛（ １ ９ ９ ０ 一） 男， 河南淮 阳人 ， 硕 士研 究生。研究
方 向： 光 电探测 ， 高频电路设计 。Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ７ ６ １ １ ６ ９ １ ３ ３ ＠９ ９ ． ｅ ｏ ｍ。
光 电二极 管接 收入 射光 ， 产生光 生 载流子 ， 并在 电场作用 下运 动产 生光 生 电流 。响应度 就是用 来度 量光电转换效率特性的一个参数。为单位时间产生 的光 电流与单位时间入射光功率之 比。
１ ｐ
式（ １ ） 中， ， Ｐ 为光生 电流 ， 为 二 极 管探 测 响应 度 ， Ｐ
１ 光 电探 测 器 若 干 技 术 分 析
１ ． １ 光 电二极 管相 关参 数分 析
ＲＬ ，
基于 Ｐ Ｎ结 的光 电效应 的光 电二 极 管 常用 来 进
行光 电探 测 ， 光谱 范 围为 可 见光 及 红 外 光谱 。光 电 二极 管 常用光 电导 模式 和光 伏工作 模 式 。在 光 电导
传输速率为 ２ ． ５ Ｇ ｂ ／ ｓ 条件下 ， 误码率为 １ ０ 时， 探 测器 灵敏 度可达到 一 ２ ４ ． ８ ｄ Ｂ ｍ， 实现 了高速 微弱信号的探 测。
关键词
高速微 弱信 号 Ｔ Ｎ ２ ４ ７ ；
光电探 测器 文献标 志码
光电二极 管 Ａ
放大器
中图法分类号
８期
张
弛， 等： 基 于高速微弱光电探测相关技术 的浅析研究
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若 要 提 高 其 响应 速 率 与 带 宽 需 要 减 小 结 电 容 ｃ 及 负载 电 阻 的 大小 。电 阻 Ｒ 将 电流信 号 放 大
１ ． ３ 光 电二 极管 输 出信噪 比分 析
并转化为电压信号 ， 为后续信号放大做准备 ， 其值需 要合理的选择 ， 下文将给 出详细分析 。基于高速微 弱信号的探测 ， 采用暗电流 比较小 ， 响应速度高 ， 探 测 灵 敏度 高 的 Ｐ Ｉ Ｎ管 ， 即在 Ｐ型半 导体 和 Ｎ型半 导 体之间夹着一层相对很厚的本征半导体 Ｉ 层 。这样 Ｐ Ｎ结 的 内电场 就基 本 上全 集 中 于 Ｉ 层中 ， 光生 载 流 子在 内建 电场 的作 用 下， 只产 生漂移 电流。因此 Ｐ Ｉ Ｎ光 电二 极管 的响应 时 间很 短 ， 频带很宽 ， 线性 输 出范 围很 宽 。
２ ０ １ ３年 １ Ｏ月 ２ １日收到 ， ｌ Ｏ月 ３ ０日修改
（ ａ 】
（ ｂ ）
图 １ 二极管等效输 出电路图
图 １中 ， ， 为 光 生 电流 ， Ｃ 为 二 极管 的结 电容 ， Ｒ 。 为二极管的体电阻 ， 一般很小 ， Ｒ 为负载电阻， Ｒ 。 为Ｐ Ｎ结 电阻 ， 一般很 大 。在高 频下 ， 图１ （ ａ ） 可 以简 化为图 １ （ ｂ ） 。此 时 ， 响应 时 间 ： ＝Ｒ Ｃ 。 ， 二极 管
＠ ２ ０ １ ４ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
通 信 技 术
基于高 速微弱光 电探测相关技术 的浅析研 究
张 弛 艾 勇 代永红 刘彦 飞
（ 武汉大学电子信息学 院， 武汉 ４ ３ ０ ０ ０ ０ ）
摘
要
高速微 弱光 电探测技术在 激光通信 中应用广 泛 ， 如何在 噪声环境 中检 测 出所 需信号是 一个难 点。首先对光 电探 测