第四章 光检测和光接收机ppt课件
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光纤通信光检测器与光接收机PPT课件
NF3 1 G1G2
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4.4 光接收机的信噪比
在光纤通信系统中，通常要求光电二极管能检测出微弱的光信号。 为了检测到最小可能的信号，必须对光检测器和它随后的放大器电路进 行最优化设计，以此来保证一定的信噪比。 光接收机输出端的信噪比S/N定义为
w td vd
一般情况下，耗尽区的电场足够高，载流子都可以达到它们的散射极限速度。 典型的Si光电二极管的耗尽区宽度为10um，极限响应时间为0.1ns。
第24页/共72页
上升时间的快速反应分量源于耗尽区产生的载流子，
而慢速分量则是源于距离耗尽区边界处的载流子的扩散。
在光脉冲的后沿，耗尽区的光脉冲吸收得很快，所以在下降时间里产生 了快速分量，在距耗尽区边界以内的载流子扩散造成了脉冲后沿的一个 很慢的延迟拖尾。
第12页/共72页
光 一次电子
高电场
第14页/共72页
§4.2 光电二极管的工作特性
光电二极管的主要特性参数包括响应度、量子效率、响应带宽、APD的倍增系 数及噪声等。这里仅讨论响应度和量子效率。
1、量子效率
单位时间产生的电子数 单位时间注入的光子数
Ip /e
Pin / h
式中 e是电子电荷， h是普朗克常数。
光检测器负载电阻的均方热噪声电流为：
ST
(
f
)BT 0 RL
df
4k BTB RL
K：玻耳兹曼常数 T：绝对温度
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光电检测器的特性
响应度
量子效率 截止波长 倍增因子 响应时间
噪声
I p RPin
M IM Ip
对于pin
量子噪声
对于APD
R e
第4章 光探测和光接收机讲解
W
时间常数 0 RLCd
截止频率
fc
1
2pRC
1
2p 0
PIN管分布电容
Cd
RL Vout
等效电路
4.1 光检测器 4.1.2 PIN光电二极管
实验中常测量到脉冲的上升时间r, r与0关系如何？
特征时间：即脉冲响应时间
Vout
Vin
线性系统
0.9
1.0
R
Vin
i
0.1
C Vout
入射光
in
h+ e-
成正比
定义
R Ip Pin
单位A/W
hv>Eg 抗反射膜
E 耗尽区
W
②量子效率(quantum efficiency)
量子效率=(光生电子空穴对数)/入射光子数
输出电压 RL Vout 电 极
Ip /e
Pin / hv
R e
hv 1.24
R in A/W,
练习
Example2: In a 100-ns pulse, 6×106 photons at a wavelength
of 1300nm fall on an InGaAs photodetector. On the average, 5.4×106 electron-hole pairs are generated. What is the quantum efficiency?
5
Ge
InGaAs
800~1650 1100~1700
0.4~0.5 0.75~0.95
50~500 0.5~2.0
0.1~0.5 0.05~0.5
第4章光检测器和光接收机
第4章 光检测器和光接收机
4.1光检测器的工作原理
作用：将接收到的光信号转换成电信号。 工作原理： 把能量大于Eg的光照射到半导体材料上， 则处于低能带的电子吸收该能量后而被激励跃 迁到高能带，从而产生电子_空穴对。通过在 半导体材料上外加电场，使得电子_空穴对在 半导体材料中渡越，形成光电流（光生电流）。 当入射光变化时，光生电流随之做线性变化， 从而把光信号转换成电信号。
第4章 光检测器和光接收机
(4)动态范围
在保证系统误码率指标要求下，接收机的最 低光功率和最大允许光功率之比
Pmax D 10 lg Pmin
D的单位为dB
第4章 光检测器和光接收机
PIN光电检测器优点 (1)I区的宽度远大于P区和N区宽度，所以I区有
更多的光子被吸收，从而增加了量子效率； (2)扩散电流很小 (3)反向偏压可以取较小值
第4章 光检测器和光接收机
2 APD光检测器 工作机理：
入射光在光电二极管中产生最初的电子_空穴对，由 于光电二极管上加了较高反向偏置电压，电子_空穴对在 该电场作用下加速运动，获得很大动能，当它们与中性原 子碰撞时，会使中性原子价带上的电子获得能量后跃迁到 导带上去，于是产生新的电子_空穴对，新产生的电子_空 穴对称为二次电子_空穴对。这些二次载流子同样能再强 电场作用下，碰撞别的中性原子进而产生新的电子_空穴 对，这样就引起了产生新载流子的雪崩过程。 这样，一个光子最终产生了许多的载流子，使得光信 号在光电二极管内部就获得了放大。
第4章 光检测器和光接收机
4.3 光接收机
光接收机的作用是把光发射机发送并 经光纤传输的携带有信息的光信号转化成 相应的电信号，然后放大并再生恢复为原 始电信号。
第4章 光检测器和光接收机
光检测器和光接收机学习PPT
线性动态范围
01 线性动态范围：指光检测器或光接收机在保持线 性响应时的输入光功率范围。
02 线性动态范围越大，光检测器或光接收机的性能 越好，能够探测到的光信号范围越广。
03 在实际应用中，需要根据具体需求选择合适线性 动态范围的光检测器或光接收机。
04
光检测器和光接收机的技术发展与趋
势
高速光检测器技术
护和可持续发展提供科学依据。
THANKS
感谢观看
光检测器和光接收机学习
• 光检测器和光接收机概述 • 光检测器和光接收机的分类与比较 • 光检测器和光接收机的性能指标 • 光检测器和光接收机的技术发展与趋
势 • 光检测器和光接收机的应用案例
01
光检测器和光接收机概述
光检测器和光接收机的定义
光检测器
光检测器是一种能够将光信号转 换为电信号的器件，常用于光纤 通信、光电传感器等领域。
应用于粒子探测、光谱分析、激光雷达等领域。
光电导探测器
总结词
光电导探测器是一种基于半导体材料的光电检测器，利用材料电阻随光照变化的 特性实现光信号的检测。
详细描述
光电导探测器利用半导体材料的光电导效应，当光照变化时，材料电阻发生变化 ，从而引起电信号的变化。光电导探测器具有响应速度快、灵敏度高、线性范围 宽等特点，广泛应用于高速光通信、光纤传感、光谱分析等领域。
光电倍增管
总结词
光电倍增管是一种高灵敏度的光电检测器，通过多个级联的 dynode 实现光电流的放 大。
详细描述
光电倍增管由多个 dynode（打拿极）组成，当光子打在光电倍增管的阴极上时，光子 能量转化为电子能量，电子经过各级 dynode 的加速撞击，产生更多的电子-空穴对， 从而实现光电流的放大。光电倍增管具有高灵敏度、低噪声、响应速度快等特点，广泛
《光探测及光接收机》课件
光电倍增管
光电倍增管是一种高灵敏度的光探测器，它通过多级倍增 系统将微弱的光信号转换为较强的电信号。其特性包括高 灵敏度、低噪声、快速响应等。
光电晶体管
光电晶体管是一种基于晶体管的的光探测器，其特性包括 高响应速度、低噪声、高灵敏度等。
光纤光栅探测器
光纤光栅探测器是一种基于光纤的光探测器，其特性包括 波长选择性、高灵敏度、低噪声等。
安全监控
光探测器可用于安全监控系统 ，如红外热像仪、激光雷达等
，实现远距离探测和监控。
光探测技术的发展趋势与挑战
发展趋势
随着技术的不断发展，光探测器的性能不断提高，响应速度更快、灵敏度更高 、线性范围更广。同时，新型的光探测器不断涌现，如单光子探测器、量子点 探测器等。
挑战
光探测技术面临的挑战主要包括提高探测器的响应速度和灵敏度、降低噪声和 暗电流、减小体积和成本等。此外，新型光探测器的研发和应用也需要解决一 些技术难题，如稳定性、可靠性等。
数据传输。
传感领域
光探测及光接收机还可应用于光学 传感领域，如气体、湿度、温度等 传感器的检测，以及生物传感等。
科学研究
在物理学、化学、生物学等科学研 究中，光探测及光接收机可用于探 测和分析各种光谱信号，为科学研 究提供有力支持。
光探测及光接收机的发展历程与趋势
发展历程
自20世纪60年代以来，随着光纤技术和半导体技术的不断发 展，光探测及光接收机经历了从低速到高速、从低灵敏度到 高灵敏度的发展历程。
工作原理
光探测及光接收机通过光电效应将光信号转换为电信号。当光信号照射到光探测器的表面时，光子与探测器材料 相互作用，产生电子-空穴对。在电场的作用下，电子和空穴分别向相反方向移动，形成电信号。
光电倍增管是一种高灵敏度的光探测器，它通过多级倍增 系统将微弱的光信号转换为较强的电信号。其特性包括高 灵敏度、低噪声、快速响应等。
光电晶体管
光电晶体管是一种基于晶体管的的光探测器，其特性包括 高响应速度、低噪声、高灵敏度等。
光纤光栅探测器
光纤光栅探测器是一种基于光纤的光探测器，其特性包括 波长选择性、高灵敏度、低噪声等。
安全监控
光探测器可用于安全监控系统 ，如红外热像仪、激光雷达等
，实现远距离探测和监控。
光探测技术的发展趋势与挑战
发展趋势
随着技术的不断发展，光探测器的性能不断提高，响应速度更快、灵敏度更高 、线性范围更广。同时，新型的光探测器不断涌现，如单光子探测器、量子点 探测器等。
挑战
光探测技术面临的挑战主要包括提高探测器的响应速度和灵敏度、降低噪声和 暗电流、减小体积和成本等。此外，新型光探测器的研发和应用也需要解决一 些技术难题，如稳定性、可靠性等。
数据传输。
传感领域
光探测及光接收机还可应用于光学 传感领域，如气体、湿度、温度等 传感器的检测，以及生物传感等。
科学研究
在物理学、化学、生物学等科学研 究中，光探测及光接收机可用于探 测和分析各种光谱信号，为科学研 究提供有力支持。
光探测及光接收机的发展历程与趋势
发展历程
自20世纪60年代以来，随着光纤技术和半导体技术的不断发 展，光探测及光接收机经历了从低速到高速、从低灵敏度到 高灵敏度的发展历程。
工作原理
光探测及光接收机通过光电效应将光信号转换为电信号。当光信号照射到光探测器的表面时，光子与探测器材料 相互作用，产生电子-空穴对。在电场的作用下，电子和空穴分别向相反方向移动，形成电信号。
光检测器与光接收机课件
光接收机的应用实例
01
光纤通信系统
在光纤通信系统中，光接收机用于接收远端发送的光信号，并将其转换
为电信号进行进一步处理。
02
激光雷达
激光雷达通过发射激光束并接收反射回来的光信号来测量目标距离、速
度和角度等信息。光接收机在激光雷达中负责接收反射回来的光信号。
03
生物医学成像
在生物医学成像领域，如荧光显微镜和共聚焦显微镜中，光接收机用于
工作原理
光检测器通过光电效应将光信号 转换为电信号，而光接收机则对 电信号进行处理，以便后续的信 号处理和传输。
分类与特点
பைடு நூலகம்分类
光检测器和光接收机有多种分类方式， 如按工作波长、响应速度、噪声性能 等。
特点
不同类型的光检测器和光接收机具有 不同的特点，如响应速度、灵敏度、 带宽等，适用于不同的应用场景。
光接收机的性能参数
灵敏度
光接收机的灵敏度是指其能够检测到的最小光功率。灵敏度越高， 光接收机在低光功率条件下也能正常工作。
带宽
光接收机的带宽是指其响应频率范围。带宽越宽，光接收机能够传 输的数据速率越高。
线性范 围
线性范围是指光接收机正常工作范围内，输出信号与输入光功率之间 的线性关系。线性范围越大，光接收机对光功率变化的响应越准确。
详细描述
光检测器和光接收机能够检测到环境中特定波长的光线，并将其转换为可用于监 测的电信号。在环境监测中，它们被广泛应用于水质检测、空气质量监测、温室 气体测量等领域，以帮助环境保护和治理。
THANKS
感谢观看
捕捉荧光信号或反射光信号，以获得高分辨率的图像。
PART 04
光检测器与光接收机的比 较与选择
光纤通信系统第四章PPT课件
• 光电二极管（PD） • 雪崩光电二极管
.
3
1、光电二极管（PD）
1） PD的工作原理
PIN能带图
光电效应 --受激吸收过程 • 当入射光子能量大于禁带 宽度时，价带上的电子可以 吸收光子而跃迁到导带上， 产生一个电子-空穴对。 • 电子-空穴对在电场的作用 下定向运动，形成光电流。 • 光电二极管工作在反向偏 压下。
.
耗尽区
h > Eg 或 hc / Eg
4
h > Eg
2） PD的工作特性
a) 波长响应范围
定义：
c
hc Eg
124 Eg(eV)
为光电二极管的上截止波长。
Si材料的PD：1.06 m
Ge 或InGaAs材料：1.6~1.7 m
当入射波长太短时，光电转换效率会 下降。
Si材料的PD：0.5~1.0 m
(G)
Ge[1
(1
k)
(Ge 1)2 Ge2
]
当F空h (穴G注)入高场G区h时[1，过剩1噪k声k系数(GhG2 h21)2 ]
k= h / e
APD的结构设计:
• 对k远小于1的APD, 应尽量使电子电流注入高场区; • 对k远大于1的APD, 应尽量使空穴电流注入高场区; • 避免使用k=1的材料制作APD。
ie (x)
0
0
x
exp{ . ( e h ) d x }
21
0
Ge
ie (W ) ie (0)
I ie (0)
W
1
x
1 e exp{ (e h )dx}dx0 Nhomakorabea0
雪崩击穿 Ge
W
x
eexp { (eh)dx}dx 1
.
3
1、光电二极管（PD）
1） PD的工作原理
PIN能带图
光电效应 --受激吸收过程 • 当入射光子能量大于禁带 宽度时，价带上的电子可以 吸收光子而跃迁到导带上， 产生一个电子-空穴对。 • 电子-空穴对在电场的作用 下定向运动，形成光电流。 • 光电二极管工作在反向偏 压下。
.
耗尽区
h > Eg 或 hc / Eg
4
h > Eg
2） PD的工作特性
a) 波长响应范围
定义：
c
hc Eg
124 Eg(eV)
为光电二极管的上截止波长。
Si材料的PD：1.06 m
Ge 或InGaAs材料：1.6~1.7 m
当入射波长太短时，光电转换效率会 下降。
Si材料的PD：0.5~1.0 m
(G)
Ge[1
(1
k)
(Ge 1)2 Ge2
]
当F空h (穴G注)入高场G区h时[1，过剩1噪k声k系数(GhG2 h21)2 ]
k= h / e
APD的结构设计:
• 对k远小于1的APD, 应尽量使电子电流注入高场区; • 对k远大于1的APD, 应尽量使空穴电流注入高场区; • 避免使用k=1的材料制作APD。
ie (x)
0
0
x
exp{ . ( e h ) d x }
21
0
Ge
ie (W ) ie (0)
I ie (0)
W
1
x
1 e exp{ (e h )dx}dx0 Nhomakorabea0
雪崩击穿 Ge
W
x
eexp { (eh)dx}dx 1
光探测和光接收机共52页PPT
光探测和光接收机
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀ห้องสมุดไป่ตู้何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀ห้องสมุดไป่ตู้何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
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称为扩散区。 耗尽区和扩散区均为光子的吸收区，
在入射光照射下，要吸收光能量产生光
生载流子。
8
4.1.1 光电二极管的工作原理
光纤通信
E
g
h hc E g
半导体材料的光电效应
9
4.1.1 光电二极管的工作原理
限制因素：由于光生载流子扩
光纤通信
散速度慢于漂移速度而引起的响
应变慢现象 解决方法：1）加反向偏压增
被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P
型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而 光生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。
带隙选取时光仅在I区吸收，
如InGaAs做本征层（吸收波长 1.3~1.6um），P+-InP层的吸 收波长<0.9um。 但过大的耗尽区宽度将延长 光生载流子在耗尽区漂移的时间， 反而导致响应变慢，因此，可通 过控制耗尽区的宽度w，来改变器件的响应速度。
hc 1.24 c Eg Eg
只有波长小于λc的光才能使用由这种材料做 成的器件检测。λc称为器件的截止波长。
14
4.1.2 PIN光电二极管
* 吸收系数与穿透效应
光纤通信
P P ( 0 ) e x p ( d ) d
其中：a为材料吸收系数，1/a为光在半导体中的穿透深度。 a越小，可设计的本征层厚度越大，光子入射该区域被吸收的概 率越高。且α随光波长减小而变大。在光波长很短时，光在半导体 表面就被吸收殆尽，使得光电转换效率很低。这限制了PIN在较短 波长上的应用。
13
4.1.2 PIN光电二极管
2．PIN光电二极管的主要特性
光纤通信
PIN管特性包括截止波长、响应度、量子效率、响应速度和暗电流 （1）截止波长与吸收系数 只有入射光子的能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg，才能产生 光电效应。因此对一种特定材料的检测器存在着一个下限频率fc和相 应的上限光波长λc。
目前常用的半导体光电检测器有两种：PIN光电二极管和APD雪
崩光电二极管。
4
光纤通信
5
4.1 半导体光检测器件
光纤通信
光电检测器的作用是将光纤输出的微弱光信号转变为电信号， 它是影响接收机性能的重要器件。对光检测器的基本要求是： ① 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射 光功率，能够输出尽可能大的光电流 ② 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； ③ 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； ④ 不需要过高的偏压或偏流，具有高可靠性和长寿命； ⑤ 检测器几何尺寸小，便于与光纤耦合以及与其它电路组装。
R
Ip Pin
其中，Ip为光电检测器的平均输出电流，Pin为入射到光电二极管
上的平均光功率。
16
4.1.2 PIN光电二极管
间内产生的光电子数与入射光子数之比，即
光纤通信
② 量子效率 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时
I I 光电转换产生的有效电 子 空穴对数目 pe p 入射光子数目 P inhf P in
掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，其原理如 图所示。
PIN光电二极管
11
4.1.2 PIN光电二极管
光纤通信
I层较厚，几乎占尽了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内
被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P
型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而 光生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。
加耗尽区的宽度，减少光生电流
中的扩散分量，同时强电场也会 加快光生载流子的漂移速度。2） 结构优化：如减小p区和n区的厚 度，采用PIN和APD结构等 光生载流子慢扩散使响应变慢
10
4.1.2 PIN光电二极管
光纤通信
PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加
一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。
光纤通信
7
4.1.1 光电二极管的工作原理
最基本的半导体光检测器是由反 向偏置的PN结构成的。在半导体材料 的PN结面上，由于电子和空穴的扩散
光纤通信
形成了内部的自建电场，它使电子和
空穴产生了与扩散方向相反的漂移运 动。在PN结界面附近形成了高电场的
耗尽区。在耗尽区两边，电场基本为0，
光纤通信
第四章 光检测 和光接收机
第4章 光检测器与光接收机
本章内容、重点和难点
本章内容 半导体光检测器：PIN和APD光电二极管。
光纤通信
光接收机。
光接收机的噪声与误码分析 接收机灵敏度分析
2
第4 章
光检测器与光接收机
光纤通信
学习本章目的和要求
掌握光检测器的工作原理及特性。 掌握误码、灵敏度的概念与物理意义。
3
第4章 光检测器与光接收机
光纤通信
光接收机是光纤通信系统的主要组成部分，它的性能是整个光 纤通信系统性能的综合反映。由光发送机发出的光信号在光纤线路 中传输时，不仅会受到损耗的影响而造成幅度衰减，同时光纤色散 和非线性效应等可能会引起脉冲波形展宽，由此造成的信号质量下 降，增加接收机接收信号的难度，这些都对接收机的性能提出了较 高的要求。 光接收机的主要作用是将经光纤传输后幅度被衰减，波形被展宽 的微弱光信号转变为电信号，并经放大处理，恢复为原来的信号
由上分析可见：要检测某波长的入射光，必须要选择由适当材
料做成的检测器。既要求禁带宽度决定的截止波长要大于入射光波 长，又有合适的吸收系数，以免降低光电转换效率。
15
4.1.2 PIN光电二极管
（2）响应度和量子效率
光纤通信
响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。 ① 响应度 响应度定义 （A/W） （3-10）
带隙选取时光仅在I区吸收，
如InGaAs做本征层（吸收波长 1.3~1.6um），P+-InP层的吸 收波长<0.9um。 但过大的耗尽区宽度将延长 光生载流子在耗尽区漂移的时间， 反而导致响应变慢，因此，可通 过控制耗尽区的宽度w，来改变器件的响应速度。
12
4.1.2 PIN光电二极管
光纤通信
I层较厚，几乎占尽了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内
· ·
变化后:
hf e
e e R h f hc 1 . 2 4
在入射光照射下，要吸收光能量产生光
生载流子。
8
4.1.1 光电二极管的工作原理
光纤通信
E
g
h hc E g
半导体材料的光电效应
9
4.1.1 光电二极管的工作原理
限制因素：由于光生载流子扩
光纤通信
散速度慢于漂移速度而引起的响
应变慢现象 解决方法：1）加反向偏压增
被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P
型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而 光生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。
带隙选取时光仅在I区吸收，
如InGaAs做本征层（吸收波长 1.3~1.6um），P+-InP层的吸 收波长<0.9um。 但过大的耗尽区宽度将延长 光生载流子在耗尽区漂移的时间， 反而导致响应变慢，因此，可通 过控制耗尽区的宽度w，来改变器件的响应速度。
hc 1.24 c Eg Eg
只有波长小于λc的光才能使用由这种材料做 成的器件检测。λc称为器件的截止波长。
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4.1.2 PIN光电二极管
* 吸收系数与穿透效应
光纤通信
P P ( 0 ) e x p ( d ) d
其中：a为材料吸收系数，1/a为光在半导体中的穿透深度。 a越小，可设计的本征层厚度越大，光子入射该区域被吸收的概 率越高。且α随光波长减小而变大。在光波长很短时，光在半导体 表面就被吸收殆尽，使得光电转换效率很低。这限制了PIN在较短 波长上的应用。
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4.1.2 PIN光电二极管
2．PIN光电二极管的主要特性
光纤通信
PIN管特性包括截止波长、响应度、量子效率、响应速度和暗电流 （1）截止波长与吸收系数 只有入射光子的能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg，才能产生 光电效应。因此对一种特定材料的检测器存在着一个下限频率fc和相 应的上限光波长λc。
目前常用的半导体光电检测器有两种：PIN光电二极管和APD雪
崩光电二极管。
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光纤通信
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4.1 半导体光检测器件
光纤通信
光电检测器的作用是将光纤输出的微弱光信号转变为电信号， 它是影响接收机性能的重要器件。对光检测器的基本要求是： ① 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射 光功率，能够输出尽可能大的光电流 ② 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； ③ 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； ④ 不需要过高的偏压或偏流，具有高可靠性和长寿命； ⑤ 检测器几何尺寸小，便于与光纤耦合以及与其它电路组装。
R
Ip Pin
其中，Ip为光电检测器的平均输出电流，Pin为入射到光电二极管
上的平均光功率。
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4.1.2 PIN光电二极管
间内产生的光电子数与入射光子数之比，即
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② 量子效率 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时
I I 光电转换产生的有效电 子 空穴对数目 pe p 入射光子数目 P inhf P in
掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，其原理如 图所示。
PIN光电二极管
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4.1.2 PIN光电二极管
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I层较厚，几乎占尽了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内
被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P
型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而 光生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。
加耗尽区的宽度，减少光生电流
中的扩散分量，同时强电场也会 加快光生载流子的漂移速度。2） 结构优化：如减小p区和n区的厚 度，采用PIN和APD结构等 光生载流子慢扩散使响应变慢
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4.1.2 PIN光电二极管
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PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加
一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。
光纤通信
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4.1.1 光电二极管的工作原理
最基本的半导体光检测器是由反 向偏置的PN结构成的。在半导体材料 的PN结面上，由于电子和空穴的扩散
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形成了内部的自建电场，它使电子和
空穴产生了与扩散方向相反的漂移运 动。在PN结界面附近形成了高电场的
耗尽区。在耗尽区两边，电场基本为0，
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第四章 光检测 和光接收机
第4章 光检测器与光接收机
本章内容、重点和难点
本章内容 半导体光检测器：PIN和APD光电二极管。
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光接收机。
光接收机的噪声与误码分析 接收机灵敏度分析
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第4 章
光检测器与光接收机
光纤通信
学习本章目的和要求
掌握光检测器的工作原理及特性。 掌握误码、灵敏度的概念与物理意义。
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第4章 光检测器与光接收机
光纤通信
光接收机是光纤通信系统的主要组成部分，它的性能是整个光 纤通信系统性能的综合反映。由光发送机发出的光信号在光纤线路 中传输时，不仅会受到损耗的影响而造成幅度衰减，同时光纤色散 和非线性效应等可能会引起脉冲波形展宽，由此造成的信号质量下 降，增加接收机接收信号的难度，这些都对接收机的性能提出了较 高的要求。 光接收机的主要作用是将经光纤传输后幅度被衰减，波形被展宽 的微弱光信号转变为电信号，并经放大处理，恢复为原来的信号
由上分析可见：要检测某波长的入射光，必须要选择由适当材
料做成的检测器。既要求禁带宽度决定的截止波长要大于入射光波 长，又有合适的吸收系数，以免降低光电转换效率。
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4.1.2 PIN光电二极管
（2）响应度和量子效率
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响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。 ① 响应度 响应度定义 （A/W） （3-10）
带隙选取时光仅在I区吸收，
如InGaAs做本征层（吸收波长 1.3~1.6um），P+-InP层的吸 收波长<0.9um。 但过大的耗尽区宽度将延长 光生载流子在耗尽区漂移的时间， 反而导致响应变慢，因此，可通 过控制耗尽区的宽度w，来改变器件的响应速度。
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4.1.2 PIN光电二极管
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I层较厚，几乎占尽了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内
· ·
变化后:
hf e
e e R h f hc 1 . 2 4