第6章 光电检测器与光接收机 19 35 60PPT课件
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光检测器和光接收器ppt课件
d
PD
d
L
4.1.2 APD光检测器 APD光检测器也称为雪崩光电二极管 （Avalanche Photodiode），其工作机理如下：入射信 号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的反向偏置电压，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，于是就产生新的电子-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 同样能在强电场作用下，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。也就是说，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。 从结构来看，APD与PIN的不同在于增加了一 个附加层P，如图4.1.3所示。在反向偏置时，夹在I层 与N+层间的PN+结中存在着强电场，一旦入射信号光 从左侧P+区进入I区后，在I区被吸收产生电子-空穴对， 其中的电子迅速漂移到PN+结区，PN+结中的强电场便 使得电子产生雪崩效应。
图4.1.3 APD光电二极管
与PIN光检测器比较起来，光电流在器件内部就得到了放大，从而避免了由外部电子 线路放大光电流所带来的噪声。我们从统计平均的角度设一个光子产生M个载流子， 它等于APD光电二极管雪崩后输出的光电流 IM与未倍增时的初始光电流IP的比值 I M （4.1.4） I 式中，M称为倍增因子。倍增因子与载流子的电离率有关，电离率是指载流子在漂移 的单位距离内平均产生的电子-空穴对数。电子电离率与空穴电离率是不相同的，分 别 用 和表示，它们与反向偏置电压、耗尽区宽度、掺杂浓度等因素有关，记为 k （4.1.5） k 式中，kA为电离系数，它是光检测器性能的一种度量。对 M的影响可由下式给出，即 1 k M （4.1.6） e k w 1 1 e 当 0 时，仅有电子参与雪崩过程，M ， 增益随w指数增长；当 且k 时，由式 （4.1.6）可得，出现雪崩击穿。通常，M值的范围在10~500之间。 APD光电二极管出现雪崩击穿是因为所加的反向偏置电压过大，考虑到M与反向偏置 电压之间的密切关系，常用经验公式描述它们的关系，即 1 M （4.1.7） 1 (V / V ) 式中，n是与温度有关的特性指数，n = 2.5～7；VBR是雪崩击穿电压，对于不同的半 导体材料，该值从70 ～200V 不等；V 为反向偏置电压，一般取其为 VBR 的 80%～90%。 APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，以免损坏器件。
PD
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L
4.1.2 APD光检测器 APD光检测器也称为雪崩光电二极管 （Avalanche Photodiode），其工作机理如下：入射信 号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的反向偏置电压，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，于是就产生新的电子-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 同样能在强电场作用下，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。也就是说，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。 从结构来看，APD与PIN的不同在于增加了一 个附加层P，如图4.1.3所示。在反向偏置时，夹在I层 与N+层间的PN+结中存在着强电场，一旦入射信号光 从左侧P+区进入I区后，在I区被吸收产生电子-空穴对， 其中的电子迅速漂移到PN+结区，PN+结中的强电场便 使得电子产生雪崩效应。
图4.1.3 APD光电二极管
与PIN光检测器比较起来，光电流在器件内部就得到了放大，从而避免了由外部电子 线路放大光电流所带来的噪声。我们从统计平均的角度设一个光子产生M个载流子， 它等于APD光电二极管雪崩后输出的光电流 IM与未倍增时的初始光电流IP的比值 I M （4.1.4） I 式中，M称为倍增因子。倍增因子与载流子的电离率有关，电离率是指载流子在漂移 的单位距离内平均产生的电子-空穴对数。电子电离率与空穴电离率是不相同的，分 别 用 和表示，它们与反向偏置电压、耗尽区宽度、掺杂浓度等因素有关，记为 k （4.1.5） k 式中，kA为电离系数，它是光检测器性能的一种度量。对 M的影响可由下式给出，即 1 k M （4.1.6） e k w 1 1 e 当 0 时，仅有电子参与雪崩过程，M ， 增益随w指数增长；当 且k 时，由式 （4.1.6）可得，出现雪崩击穿。通常，M值的范围在10~500之间。 APD光电二极管出现雪崩击穿是因为所加的反向偏置电压过大，考虑到M与反向偏置 电压之间的密切关系，常用经验公式描述它们的关系，即 1 M （4.1.7） 1 (V / V ) 式中，n是与温度有关的特性指数，n = 2.5～7；VBR是雪崩击穿电压，对于不同的半 导体材料，该值从70 ～200V 不等；V 为反向偏置电压，一般取其为 VBR 的 80%～90%。 APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，以免损坏器件。
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。
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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
光纤通信第6章光电检测器与光接收机.ppt
率或信噪比)的条件下,光接收机所需的最
小平均光功率<P>min.灵敏度是光接收机
的重要指标，描述了其准确检测光信号
(dBm) 的能力。 Pr 10lg
P
m in 103
(W
)
APD接收灵敏度
I1 gP1 2g P
Im I1A
Q
Im
N0 N1
Q
P min
N0 N1
2gA
传输速率越大，光检测器的灵敏度越低
结论:光电检测器的灵敏度主要取决于三 个主要因素：
• 光检测器的噪声特性 • 前置放大器的噪声特性 • 传输速度
练习题
1、 InGaAs光电二极管的量子效率是70%，
它的响应度是多少？ 2、 P-I-N代表什么意思？ 3、门限判决和时钟判决示意图。 4、电路模块判断。 5、灵敏度的概念。
电压并联负反馈放大器（电 流-电压转换器）
优点：宽频带（等效输入电 阻很小）、低噪声（反馈电 阻可以取得很大）、灵敏度 高、动态范围大等综合优点， 被广泛采用。
6.3.2 光接收机的线性通道
提供高的增 益，放大到 适合于判决 电路的电平。
主放 大器
均衡 滤波
AGC电路
对主放输出的失 真数字脉冲进行 整形，使之成为 有利于判决码间 干扰最小的升余 弦波形。
光电二极管的响应度是0.85A/W，饱和输入光功率是 1.5mW，当入射光功率是1mW和2mW时，光电流分别是 多少？ 解：当输入光功率是1mW时，由I=RP，可得，
I=RP=[ 0.85A/W] ×[1.5mW]= 0.85mA
当输入光功率是2mW时，公式I=RP不适用，因此我们 无法得到光电流的值。
6.3.1 光接收机的前端(2)
光通信之光电检测器(标准版)ppt资料
●图 (b)是P-N结及其附近
的能带分布图。要注意
1 是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。 4、高掺杂的P+型半导体，为接触层。
的是能带的高、低是以
●图 (b)是P-N结及其附近的能带分布图。 温度特性:温度升高、倍增增益下降
电子(负电荷)的电位能
●施加反向偏压可以增强光电流。 响应度： R=Ip/Pin
为根据的，电位越负能
光照hv>Eg-->耗尽区吸收大部分光-->受激吸收 ，耗尽区加宽 -->接通电路，R上有电流
带越高。 -->光生载流子-->耗尽区电场作用，电子向N区漂移，空穴向P区漂移-->反向电压
这样，就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。
■光电检测器是光接收机的核心。
●由图可见：外加负偏压
光通信之光电检测 器
三大基本光器件
• 光源：光纤通信系统的心脏，作用是完成电信 号到光信号的转换。
• 光纤：具有巨大的可用带宽资源，承载着通信 业务种类和容量的日益增长的需求。
• 光电检测器：光接收机的核心器件，任务是光 纤传输的光信号转换成其他通信电宿端设备可 用的电信号。
三者的关联
• 与输入光电检测器的光信号强弱有关 • 受光源的功率和光纤本身的衰减限制
基于异质结的PIN光电二极管
电二极管。 ●光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流，如图 (a)所示。
如：小信号测量。
工作原理
光照hv>Eg-->耗尽区吸收大部分光-->受激吸收 -->光生载流子-->耗尽区电场作用，电子向N区漂移， 空穴向P区漂移-->反向电压，耗尽区加宽 -->接通电 路，R上有电流
光纤通信技术教学配套课件彭利标fiber6光电检测与光接收机
2、集成光电检测器： 改善性能----OEIC
三、PIN、APD的比较
光电二极管可以是 PIN也可以是APD， 要根据应用场合而 定。
1、PIN光电二极管
优点：光电转换线性 度、工作电压低（几 伏至几十伏）、响应 速度快。
缺点：无电流增益。
2、APD光电二极管
优点：具有载流子 倍增效应、探测灵 敏度特别高。
解： 1、 = .e/hυ
= λ /1.24
=0.8×0.85/1.24 =0.55mA/mW
2、 Ip = Pin =1mW×0.55mA/mW =0.55mA
4、响应时间
定义： 光检测器对 光信号变化响应 速度快慢
用光检测器受阶跃 光脉冲照射时， 输出脉冲前沿的 10% 点 到 90% 点 之 间的时间间隔(即 上升时间τ )来衡 量。
RIN = PNL2/（P2△f） （1/Hz）
解/Hz， P=10μW =10-5 W，△f=1GHz=109 Hz，LD的平均噪声功率的 平方是
PNL2 =P2△f RIN=(10-5 )2×109×10-15=10-16 所以平均噪声功率PNL=(10-16)1/2=0.01μW，灵敏度
二、光接收组件的特性
1.光接收器件的噪声特性
光接收器件的噪声直
接影响光接收机的信噪 比(S/N)和通信质量。 其噪声主要来自光电检 测器的噪声和前置放大 器的噪声。
2.光接收组件的灵敏度
灵敏度是指在保证一 定通信质量条件下，所 能接收的最小信号功 率，灵敏度的数值越 小，表示接收机的灵敏 度品质越高。
组件，大的集成单元 称之为模块。
等。
二、分类
1、 光发射模块 光发射模块是指包括LD及LD驱动电路、保证
三、PIN、APD的比较
光电二极管可以是 PIN也可以是APD， 要根据应用场合而 定。
1、PIN光电二极管
优点：光电转换线性 度、工作电压低（几 伏至几十伏）、响应 速度快。
缺点：无电流增益。
2、APD光电二极管
优点：具有载流子 倍增效应、探测灵 敏度特别高。
解： 1、 = .e/hυ
= λ /1.24
=0.8×0.85/1.24 =0.55mA/mW
2、 Ip = Pin =1mW×0.55mA/mW =0.55mA
4、响应时间
定义： 光检测器对 光信号变化响应 速度快慢
用光检测器受阶跃 光脉冲照射时， 输出脉冲前沿的 10% 点 到 90% 点 之 间的时间间隔(即 上升时间τ )来衡 量。
RIN = PNL2/（P2△f） （1/Hz）
解/Hz， P=10μW =10-5 W，△f=1GHz=109 Hz，LD的平均噪声功率的 平方是
PNL2 =P2△f RIN=(10-5 )2×109×10-15=10-16 所以平均噪声功率PNL=(10-16)1/2=0.01μW，灵敏度
二、光接收组件的特性
1.光接收器件的噪声特性
光接收器件的噪声直
接影响光接收机的信噪 比(S/N)和通信质量。 其噪声主要来自光电检 测器的噪声和前置放大 器的噪声。
2.光接收组件的灵敏度
灵敏度是指在保证一 定通信质量条件下，所 能接收的最小信号功 率，灵敏度的数值越 小，表示接收机的灵敏 度品质越高。
组件，大的集成单元 称之为模块。
等。
二、分类
1、 光发射模块 光发射模块是指包括LD及LD驱动电路、保证
光纤通信原理 第六章 光电检测器与光接收机
3. APD
当光照射到APD的光敏面上时，由于 受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴 对。
6.2 光电检测器的特性指标
6.2.1 光电检测器的工作特性
1.
在一定波长的光照射下，光电检测器 的平均输出电流与入射的平均光功率之比 称为响应度(或响应率)。响应度可以表示 如下：
式中：Ip为光生电流的平均值(单位： A)；P为平均入射光功率值(单位：W)。
2.
响应度是器件在外部电路中呈现的宏 观灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈 现的微观灵敏特性。量子效率定义为通过 结区的载流子数与入射的光子数之比，常 用符号η表示：
式中：e是电子电荷，其值约为 1.6×10-19G；ν为光频。η与ρ关系可以表示 为：
式中：h是普朗克常数，c是光在真空 中的速度,λ是光电检测器的工作波长。代 入相应数值后，可以得到：
当码流中“0”、“1”等概时，系统 的误码率就等于“1”码发生差错概率的一 半，即
式中：n表示一个码元的平均光子数。
6.5.3
根据式(6-23)，可以得到如下公式：
在这里不考虑暗电流和光源直流光影响 (Iop0=0)，并且有Iop1可以表示为：
式中：M为APD的倍增因子(对PINPD， M=1)；P1为“1”码时的光功率；A为放大 器的放大倍数。
(2) BJT
BJT前置放大器的输入等效噪声可以 表示为：
3.
光接收机的输入等效总噪声可以表示 为：
ntot=nPD+nA
在 PINPD 光 接 收 机 中 ， nPD 要 远 远 小 于nA。
6.4.2
1. PINPD
根据信噪比定义，PINPD光接收机判 决点上的信噪比为：
2. APD
第六章 光电检测器与光接收机
当光照射到APD的光敏面上时，由于 受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴 对。
6.2 光电检测器的特性指标
6.2.1 光电检测器的工作特性
1.
在一定波长的光照射下，光电检测器 的平均输出电流与入射的平均光功率之比 称为响应度(或响应率)。响应度可以表示 如下：
式中：Ip为光生电流的平均值(单位： A)；P为平均入射光功率值(单位：W)。
2.
响应度是器件在外部电路中呈现的宏 观灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈 现的微观灵敏特性。量子效率定义为通过 结区的载流子数与入射的光子数之比，常 用符号η表示：
式中：e是电子电荷，其值约为 1.6×10-19G；ν为光频。η与ρ关系可以表示 为：
式中：h是普朗克常数，c是光在真空 中的速度,λ是光电检测器的工作波长。代 入相应数值后，可以得到：
当码流中“0”、“1”等概时，系统 的误码率就等于“1”码发生差错概率的一 半，即
式中：n表示一个码元的平均光子数。
6.5.3
根据式(6-23)，可以得到如下公式：
在这里不考虑暗电流和光源直流光影响 (Iop0=0)，并且有Iop1可以表示为：
式中：M为APD的倍增因子(对PINPD， M=1)；P1为“1”码时的光功率；A为放大 器的放大倍数。
(2) BJT
BJT前置放大器的输入等效噪声可以 表示为：
3.
光接收机的输入等效总噪声可以表示 为：
ntot=nPD+nA
在 PINPD 光 接 收 机 中 ， nPD 要 远 远 小 于nA。
6.4.2
1. PINPD
根据信噪比定义，PINPD光接收机判 决点上的信噪比为：
2. APD
第六章 光电检测器与光接收机
第六章光检测器ppt课件
类似于pin，APD的性能也由响应度来表征：
APD hqvMpiM n
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
例
一种硅APD在波长900 nm时的量子效率为65%，假定0.5 mW的光功率产生的倍增电流为10 mA，试求倍增因子M。初 级光电流为：
例
有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉冲时段内 共入射了波长为1300nm的光子6×106 个，平均产生了 5.4× 106 个电子空隙对，则其量子效率可以等于：
56.4110606 90%
在实际的应用中，检测器的量子效率一般在30%-95%之间。 一般增加量子效率的办法是增加耗尽区的厚度，使大部分的 入射光子可以被吸收。但是，耗尽区越宽，pin的响应速度就 越慢。因此二者构成一对折衷。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
光电检测器的要求
- 能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换 - 足够高的响应度，对一定的入射功率能输出足够大的光电流 - 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响 - 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真 - 具有较小的体积、较长的工作寿命等
因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
pin的量子效率
如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：
P w P in (1 e sw )
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
光纤通信原理 第六章 光电检测器与光接收机.ppt
6.3 光 接 收 机
6.3.1
1.
常用的非相干检测方式就是直接功率 检测方式。直接功率检测方式是通过光电 二极管直接将接收的光信号恢复成基本调 制信号的过程。
2.
就像普通的无线电收音机一样，首先 接收光信号要与一个光本地振荡器在光混 频器混频之后，再被光电检测器变换成一 定要求的电信号，如图6.5所示。
图6.5 相干检测原理
6.3.2 光接收机的构成与指标
1.
在实用的直接功率检测光接收机中， 光电检测器直接从接收光信号中将基本调 制信号恢复出来。
2.
对于不同的光纤通信系统，有着不同 的光接收机质量指标。
(1)
所谓光接收机灵敏度，就是指在一定 误码率或信噪比(有时还要加上信号波形失 真量)条件下光接收机需要接收的最小平均 光功率(有时也称为平均最小输入光功率)。
(2) BJT
BJT前置放大器的输入等效噪声可以 表示为：
3.
光接收机的输入等效总噪声可以表示 为：
ntot=nPD+nA
在 PINPD 光 接 收 机 中 ， nPD 要 远 远 小 于nA。
6.4.2
1. PINPD
根据信噪比定义，PINPD光接收机判 决点上的信噪比为：
2. APD
6.
光电检测器的噪声包括量子噪声、暗 电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声。
(1) PINPD
PINPD的总均方噪声电流可以表述如 下：
〈i2〉=2e(Ip+Id)B
式中：e为电子电荷量；Ip为光生电流；Id 为PINPD的暗电流，B为噪声带宽。
(2) APD
APD 的 量 子 噪 声 和 暗 电 流 噪 声 ( 要 考 虑倍增作用)与PINPD机理类似，计算方法 也基本相同。
《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
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第六章 光电检测器与光接收机
6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的特性指标 6.3 光 接 收 机 6.4 光接收机的噪声 6.5 光接收机的灵敏度
2020/8/18
1
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
面的结构示意图，
图(b)是将纵向剖面 顺时针转90的示意
6.1 光电检测器
光电检测器是利用半导体材料光电效应实现光电转换，
将接收到的光信号转换成电流信号，基本机理是光的吸收。
当能量超过禁带宽度Eg的光子入射到半导体材料上，若 光子被半导体材料吸收将会产生一个电子-空穴对，若此时在
半导体材料上加上电场，电子-空穴对就会在半导体材料中渡
越，形成光电流，如下图所示。但当入射光子能量h 小于禁
2I02n0G/8/a18As PIN则用于1310nm和1550nm波段。
9
6.1.2 APD雪崩光电二极管
雪崩光电二极管APD(Avalanche Photo Diode) 不但 具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大 作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成。APD就是利用 雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。
2020/8/18
PIN 光电二极管
6
2. PIN光电二极管的工作原理
当光照射到PIN光电二极管的光敏面上时，会在整
个耗尽区(高场区)及耗尽区附近产生受激吸收现象，从
而产生电子空穴对并形成光生电流。
上图中，入射光从P+区进入后不仅在耗尽区被吸收，
在耗尽区外也被吸收(这部分形成光生电流中的扩散分
量)。P+区电子先扩散到耗尽区的左边界，然后通过耗
(b) 半导体材料的光电效应
4
对光检测器的基本要求：
✓ 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；
✓ 波长响应要和光纤的 3 个低损耗窗口兼容;
✓ 具有足够快的响应速度和足够宽的工作带宽，能适用
于高速或宽带系统；
✓ 具有尽可能低的附加噪声，以降低器件本身对信号的
尽区宽度的关系如下：
Cd = A/w
式中： 为半导体介电常数；A为耗尽区的截面积。Cd
的典型值为1～2pF。可见，耗尽区宽度w越窄结电容越
大，电路的RC时间常数也越大，不利于高速数据传输.
2020/8/18
8
考虑到漂移时间和结电容效应，PIN的带宽可表示为：
BPD 2(w/vd) 1RL(A/w)
1. 雪崩光电二极管的结构
目前常用的APD结构包括 保护环型GAPD和拉通型RAPD ，保护环型在制作时淀积一层 环形N 型材料，以防止在高反 压时使P-N结边缘产生雪崩击穿 ，结构和电场分布如右图所示。
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光子
GAPD 结构及电场分布 10
RAPD结构及
电场分布如右图所
示，图(a)为纵向剖
影响和能够接收极微弱光信号;
✓ 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中不失真;
✓ 工作性能稳定，可靠性高、工作寿命较长;
✓ 功耗和体积较小等。
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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6.1.1 PIN光电二极管
1. PIN光电二极管结构
PIN 光 检 测 器 也 称 为 PIN 光 电 二 极 管 PINPD ( PIN Photodiode)，PIN的意义是表明半导体材料的结构，它 是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间插入了一层轻 掺杂的N型半导体材料(如Si)，称为I(Intrinsic)层。由于 受激辐射仅仅发生在PN结附近，远离PN结的地方没有 电场存在，因此就决定了PNPD或PIN光电检测器的光电 变换效率较低及 响应速度较慢。 其结构如右图所 示：
3
左侧入射的信号光 透过重掺杂的P+区进入 耗尽区，当PN结上加反 向偏置电压时，耗尽区 内受激吸收生成的电子空穴对分别在电场的作 用下做漂移运动，电子 向N区漂移，空穴向P+ 区漂移，从而在外电路 形成了随光信号变化的 光生电流信号。耗尽区 的宽度由反向电压的大 小决定。
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(a)
尽区才能到达N区。同样，N区的空穴也是要扩散到耗
尽区的右边界后才能通过耗尽区到达P+区。将耗尽区中
光生电流称为漂移分量，它的传送时间主要取决于耗尽
区宽度。显然扩散电流分量的传送要比漂移电流分量所
需时间长，结果使光检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加
长，由此产生的时延将影响光检测器的响应速度。
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带宽的限制也就越大，故需综合考虑。由于不同半导体材料
对不同波长的光吸收系数不同，所以本征区的宽度选取也各
不相同。例如Si PIN光吸收系数比InGaAs PIN小两个数量级，
所以它的本征区宽度大约是40m，而InGaAs PIN本征区宽
度大约是4m。这也决定了两种不同材料制成的光检测器带
宽 和 使 用 的 光 波 段 范 围 不 同 ， Si PIN 用 于 850nm 波 段 ，
7
设耗尽区宽度为w ，载流子在耗尽区的漂移时间可
由下式计算：
ttr = w /vd
式中： vd是载流子的漂移速度； ttr的典型值为100ps。 如果耗尽区的宽度较窄，大多数光子尚未被耗尽区
吸收，便已经到达了N区，而在这部分区域电场很小， 无法将电子和空穴分开，导致量子效率降低。
PN结耗尽区实际上可等效成电容，它的大小与耗
带宽度Eg时，不论入射光有多强光电效应也不会发生，即产 生光电效应必须满足以下条件：
h ≥Eg
即光频 ＜c= Eg/h 的入 。即只有波长＜c 的入射光才能使这
种材料产生光生载流子，故c为产生光电效应的入射光的最
2大020波/8/1长8 ，又称为截止波长，相应的c 称为截止频率。
式中：RL是负载电阻。 由上述分析可知，增加耗尽区宽度是必要的。由前图可
见，I区的宽度远大于P+区和N区宽度，所以在I区有更多的
光子被吸收，从而增加了量子效率；同时，扩散电流却很小。
PIN光检测器反向偏压可以取较小的值，因为其耗尽区厚度
基本由I区的宽度决定。但I区的宽度也不是越宽越好，由上
式知，宽度w越大，载流子在耗尽区的漂移时间就越长，对
6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的特性指标 6.3 光 接 收 机 6.4 光接收机的噪声 6.5 光接收机的灵敏度
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第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
面的结构示意图，
图(b)是将纵向剖面 顺时针转90的示意
6.1 光电检测器
光电检测器是利用半导体材料光电效应实现光电转换，
将接收到的光信号转换成电流信号，基本机理是光的吸收。
当能量超过禁带宽度Eg的光子入射到半导体材料上，若 光子被半导体材料吸收将会产生一个电子-空穴对，若此时在
半导体材料上加上电场，电子-空穴对就会在半导体材料中渡
越，形成光电流，如下图所示。但当入射光子能量h 小于禁
2I02n0G/8/a18As PIN则用于1310nm和1550nm波段。
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6.1.2 APD雪崩光电二极管
雪崩光电二极管APD(Avalanche Photo Diode) 不但 具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大 作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成。APD就是利用 雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。
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PIN 光电二极管
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2. PIN光电二极管的工作原理
当光照射到PIN光电二极管的光敏面上时，会在整
个耗尽区(高场区)及耗尽区附近产生受激吸收现象，从
而产生电子空穴对并形成光生电流。
上图中，入射光从P+区进入后不仅在耗尽区被吸收，
在耗尽区外也被吸收(这部分形成光生电流中的扩散分
量)。P+区电子先扩散到耗尽区的左边界，然后通过耗
(b) 半导体材料的光电效应
4
对光检测器的基本要求：
✓ 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；
✓ 波长响应要和光纤的 3 个低损耗窗口兼容;
✓ 具有足够快的响应速度和足够宽的工作带宽，能适用
于高速或宽带系统；
✓ 具有尽可能低的附加噪声，以降低器件本身对信号的
尽区宽度的关系如下：
Cd = A/w
式中： 为半导体介电常数；A为耗尽区的截面积。Cd
的典型值为1～2pF。可见，耗尽区宽度w越窄结电容越
大，电路的RC时间常数也越大，不利于高速数据传输.
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考虑到漂移时间和结电容效应，PIN的带宽可表示为：
BPD 2(w/vd) 1RL(A/w)
1. 雪崩光电二极管的结构
目前常用的APD结构包括 保护环型GAPD和拉通型RAPD ，保护环型在制作时淀积一层 环形N 型材料，以防止在高反 压时使P-N结边缘产生雪崩击穿 ，结构和电场分布如右图所示。
2020/8/18
光子
GAPD 结构及电场分布 10
RAPD结构及
电场分布如右图所
示，图(a)为纵向剖
影响和能够接收极微弱光信号;
✓ 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中不失真;
✓ 工作性能稳定，可靠性高、工作寿命较长;
✓ 功耗和体积较小等。
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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6.1.1 PIN光电二极管
1. PIN光电二极管结构
PIN 光 检 测 器 也 称 为 PIN 光 电 二 极 管 PINPD ( PIN Photodiode)，PIN的意义是表明半导体材料的结构，它 是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间插入了一层轻 掺杂的N型半导体材料(如Si)，称为I(Intrinsic)层。由于 受激辐射仅仅发生在PN结附近，远离PN结的地方没有 电场存在，因此就决定了PNPD或PIN光电检测器的光电 变换效率较低及 响应速度较慢。 其结构如右图所 示：
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左侧入射的信号光 透过重掺杂的P+区进入 耗尽区，当PN结上加反 向偏置电压时，耗尽区 内受激吸收生成的电子空穴对分别在电场的作 用下做漂移运动，电子 向N区漂移，空穴向P+ 区漂移，从而在外电路 形成了随光信号变化的 光生电流信号。耗尽区 的宽度由反向电压的大 小决定。
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(a)
尽区才能到达N区。同样，N区的空穴也是要扩散到耗
尽区的右边界后才能通过耗尽区到达P+区。将耗尽区中
光生电流称为漂移分量，它的传送时间主要取决于耗尽
区宽度。显然扩散电流分量的传送要比漂移电流分量所
需时间长，结果使光检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加
长，由此产生的时延将影响光检测器的响应速度。
2020/8/18
带宽的限制也就越大，故需综合考虑。由于不同半导体材料
对不同波长的光吸收系数不同，所以本征区的宽度选取也各
不相同。例如Si PIN光吸收系数比InGaAs PIN小两个数量级，
所以它的本征区宽度大约是40m，而InGaAs PIN本征区宽
度大约是4m。这也决定了两种不同材料制成的光检测器带
宽 和 使 用 的 光 波 段 范 围 不 同 ， Si PIN 用 于 850nm 波 段 ，
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设耗尽区宽度为w ，载流子在耗尽区的漂移时间可
由下式计算：
ttr = w /vd
式中： vd是载流子的漂移速度； ttr的典型值为100ps。 如果耗尽区的宽度较窄，大多数光子尚未被耗尽区
吸收，便已经到达了N区，而在这部分区域电场很小， 无法将电子和空穴分开，导致量子效率降低。
PN结耗尽区实际上可等效成电容，它的大小与耗
带宽度Eg时，不论入射光有多强光电效应也不会发生，即产 生光电效应必须满足以下条件：
h ≥Eg
即光频 ＜c= Eg/h 的入 。即只有波长＜c 的入射光才能使这
种材料产生光生载流子，故c为产生光电效应的入射光的最
2大020波/8/1长8 ，又称为截止波长，相应的c 称为截止频率。
式中：RL是负载电阻。 由上述分析可知，增加耗尽区宽度是必要的。由前图可
见，I区的宽度远大于P+区和N区宽度，所以在I区有更多的
光子被吸收，从而增加了量子效率；同时，扩散电流却很小。
PIN光检测器反向偏压可以取较小的值，因为其耗尽区厚度
基本由I区的宽度决定。但I区的宽度也不是越宽越好，由上
式知，宽度w越大，载流子在耗尽区的漂移时间就越长，对