第05章光电检测器与光接收机

PIN (Positive Intrinsic Negative) PIN光电二极管(PINPD)的结构如图
图5.1 PIN光电二极管的结构
5.1.2 雪崩光电二极管
雪崩光电二极管应用光生载流子在其 耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应而获得 光生电流的雪崩倍增。
1. 雪崩光电二极管的结构
常用的APD结构包括拉通型APD和保 护环型APD，如图5.2所示。由于要实现电 流放大作用需要很高的电场，因此只能在 图中所示的高场区发生雪崩倍增效应。
3. 目前国产PIN光电二极管的水平（续） （3）InGaAs-PIN （用于1.3mm或1.5mm光纤通信系统） 响应光谱范围： 1.3mm或1.5mm 响应度R： 0.5-0.7(mA/mW) 量子效率h： 60% 响应时间： tr<1 nS （tr脉冲前沿） 工作电压： -5V 暗电流： Id ~ 3 nA
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
3. APD性能指标典型值(续) （2）Ge-APD(锗雪崩光电二极管) 响应光谱范围：0.8-1.65mm 量子效率h： 60-80% 倍增因子M： 10-30 暗电流： Id=0.3 ~2mA (电压在-0.9VB) 响应时间： tr<0.5 nS （tr脉冲前沿） 雪崩电压VB ： -30 ~ -40V（ Id~10mA ）
式中：e是电子电荷，其值约为
1.6×10-19C，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：
从式(6-4)中可以看出：在工作波长一 定时，η与ρ具有定量的关系。
3. 响应速度
光电二极管的响应速度是指它的光电 转换速度。
图5.2
APD的结构
APD结构示意图
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
对比： PIN光电二极管是一种无信号增益的器件，一 个光子最多只能产生一对电子-空穴对； APD光电二极管可以像光电倍增管那样在 APD内部得到放大，一个光子可以产生多对电子空穴对，从而使APD可以具有高的响应度。
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
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的噪声 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的噪声
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。 (3) 最佳倍增因子 虽然APD的倍增作用对信号有放大作 用，但是由于倍增噪声的存在也使得总噪 声增加。
3. APD性能指标典型值 目前用于光纤通信的APD光电二极管性能指标 （1）Si-APD(硅雪崩光电二极管) 响应光谱范围：0.6-1.1mm 量子效率h： 70-80% （因结构而异） 倍增因子M： 40-80 暗电流： Id~0.1 nA (在-0.9VB) 响应时间： tr<0.5 nS （tr脉冲前沿） 雪崩电压VB ： -80 ~ -130V（ Id~10mA ）
§5-1-1 PIN光电二极管
2. PIN光电二极管结构与工作原理 PIN是在普通的光电二极管(PD--Photo Diode) 的P区和N区之间增加本征区(I区)，由于I 区具有 较高的电阻，因此外加反向偏压基本上降落在I 区。 当光子入射到达I区时，由于光子被吸收而产 生电子--空穴对（光生载流子），在高电场作用下， 电子--空穴分别高速向相反方向运动（电子向N区， 空穴向P区），从而在外加负载上形成光电流。
2. APD的主要性能参数（以Si-APD为例） （1）雪崩电压VB （2）倍增因子M *（3）增益-带宽乘积 （4）响应度（灵敏度） （5）暗电流 （6）量子效率
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
（1）雪崩电压VB 雪崩电压VB：当雪崩 光电二极管产生自持雪崩 时的电压称为雪崩电压。 电压与电流的关系如 图所示。 其中电流开始剧增时 对应的电压为VB ， VB值 因材料、器件结构不同而 不同。
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
雪崩倍增因子M与反向偏压有如下关系：
M 1 / 1 (V / VB )
由图可知，APD 工作电压应略小于VB， 以便不损伤器件，同时 使器件处于最佳的工作 状态。

n

n3~ 6
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
*（3）增益-带宽乘积 APD的带宽定义：转换效率与直流光信 号相比下降3dB时的频率为响应带宽B。 雪崩光电二极管的带宽与增益因子M之 积为一常数。 对于Si-APD，该常数为MB=450GHz。
2.APD的倍增因子是否越大越好，为什么？
答：不是。因为APD在放大光信号的同时，也在 放大噪声信号，而噪声信号将严重影响信号 传输质量。在实际应用中，应根据需要选择 最佳倍增因子，一般低于APD的最大放大倍 数，处于倍增因子的最小值与最大值中间。
5.3 光 接 收 机
光接收机是光纤通信系统的最重要也 是最复杂的组成部分。 接收机对接收到的光信号进行处理以 便复原发送的信息比特。其判决的可靠性 与接收到的功率有关，其机理比较复杂， 涉及到存在于实际光接收机中的各类噪声。
5.2 光电检测器的特性指标
5.2.1 光电检测器的工作特性
1. 响应度
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. 量子效率
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：
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
（2）倍增因子M M是雪崩倍增时测得的信号电流与其无倍增时 的信号电流之比。 根据M的物理意义则有如下关系：
其中，IAP、 IAd分别为最佳偏压下雪崩时光电流和暗 电流; IP、Id分别为反向电压10伏时测得的光照时电流 和暗电流 (无倍增时) 。
I AP I Ad M IP Id
注意事项 根据器件的性能和实际经验，检测器使用中 应注意以下几点： （1）光电检测器是反向加压的，与光源的使 用正好相反。 （2）工作电压应选择最佳偏压以便得到最大 的信噪比。 （3）更换检测器时，应选择性能参数一致或 接近的器件，以减少调试的工作量 （4）防止高温偏置、热循环以及管子漏气受 湿度的影响。 （5）防止静电击穿
3. 目前国产PIN光电二极管的水平（续） （2）Ge-PIN （用于1.3mm光纤通信系统） 响应光谱范围： 1.3mm 响应度R： 0.5-0.7(mA/mW) 量子效率h： 70% 响应时间： tr<1 nS （tr脉冲前沿） 工作电压： -5V~ -10V 暗电流： Id ~ 0.2 mA
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§5-1-1 PIN光电二极管
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
3. APD性能指标典型值(续) （3）InGaAs-APD(铟镓砷雪崩光电二极管) 响应光谱范围：0.8-1.7mm 量子效率h： 50-70% 倍增因子M： 20-40 暗电流： Id=10nA (电压在-10VB) 响应时间： tr<0.3 nS （tr脉冲前沿）
习题
1.在PIN中，I 层半导体材料的主要作用是 什么？
答：在PIN中，在P型材料与N型材料之间加一层 轻掺杂的N型材料，称为I层（本征层），由 于是轻掺杂，故电子浓度很低，经扩散作用 后可形成一个很宽的耗尽层。PIN采用反向 偏置电压应用，I层阻值较大，电压主要集中 在I层上。当光照射在PIN光电二极管的光敏 面上时，会在整个耗尽区（I区）及耗尽区附 近产生受激辐射现象，从而产生电子－空穴 对。在外加电场作用下，这种光生载流子运 动到电极，当外部电路闭合时，就会在外部 电路中有电流流过，从而完成光电的变换过 程。
第五章 光电检测器与光接收机
5.1 光电检测器
5.2 光电检测器的特性指标 5.3 光 接 收 机 5.4 光接收机的噪声 5.5 光接收机的灵敏度
5.1 光电检测器
5.1.1 PIN光电二极管
PIN (Positive Intrinsic Negative) 工作原理 在PN结中间掺入一层浓度很低的N型 半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到 减小扩散运动的影响，提高响应速度的目 的。
5.2.2 光电检测器的典型指标
及简易检测
1. 光电检测器的典型指标
表5.1中列出了富士通公司生产的两种
光电检测器的典型指标。
2. 光电器件的简易检测
与光源器件一样，在没有测试条件的 情况下，使用人员也可以借助于指针式万 用表对光电检测器件进行简易的测试。这 种测试方法主要是检查光电检测器件PN结 的好坏：PN结好不能保证器件具有好的特 性，而PN不好的器件其质量绝对不会好。 常用光电检测器件的参考数据如表5.2所示。
功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光
信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的 电信号
组成部分：耦合器，光电检测器，解调器 组成框图： 电子电路
光输入 耦合器 光电检测器 解调器 电信号输出
PIN光电二极管工作原理
由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征 半导体，故称I层，因此这种结构称为PIN 光电二极管。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 光产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。
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
（4）响应度（灵敏度） 检测器的光电流与入射光功率之比称为响应 度，以R表示。 R=(Ip-Id)/Pin 注意： Ip是倍增前的光电流。 （5）暗电流 （6）量子效率 I /q
h
Pin / h
P
(%)
注意： Ip是倍增前的光电流。
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
PIN光电二极管工作原理
通过插入I层，增大耗尽区宽度达 到了减小扩散分量的目的，但是过大 的耗尽区宽度将延长光生载流子在耗 尽区内的漂移时间，反而导致响应变 慢，因此耗尽区宽度要合理选择。通 过控制耗尽区的宽度可以改变PIN光 电二极管的响应速度。
§5-1-1 PIN光电二极管
1. PN结的特性 在PN结上加反向偏压（P接－，N接＋）， 并在入射光的照射下，可以产生与入射光强度成 正比的光生电流。 因此，反向偏压下的PN结就是一种最基本 的PN光电二极管。 通过对这种光电二极管的改进，可以获得性 能更为优异的能在实际光通信系统中使用的 PIN 光电二极管和APD雪崩光电二极管。
§5-1-1 PIN光电二极管
3. 目前国产PIN光电二极管的水平 （1）Si-PIN 响应光谱范围：0.8-0.9mm 响应度R： 0.6-0.8(mA/mW) 量子效率h： 80% 响应时间： tr<1 ns （tr脉冲前沿） 工作电压： -15V 暗电流： Id<1 nA
§5-1-1 PIN光电二极管
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
APD(Avalanche Photo Diode) 1.APD结构及工作原理 APD是具有内部增益的光电二极管，它在 PIN的结构上增加了倍增层P层，构成P+/I/P/N+结 构。 在本征区I（吸收层）吸收光子产生载流子 （电子-空穴对）进入倍增层，在高电场的作用下 （与晶格原子）发生碰撞电离，产生新的载流子， 此种作用在倍增区内循环持续发生，以致造成载 流子的雪崩倍增，从而在外部负载中产生更大的 光电流。
4. 暗电流
暗电流主要由体内暗电流和表面暗电 流组成。
5. APD的倍增因子
APD的电流增益，即平均倍增因子M 可表示为：
式中：Ip 为APD倍增后的光生电流；Ip0 是 未倍增时的原始光生电流。若无倍增时和 倍增时的总电流分别为I1和I2，则应扣除当 时的暗电流Id1和Id2后才能求出M。
6. 光电检测器的噪声