光电二极管电流
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? 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。
Chapter 7 Light Detector
7.1 光检测原理 7.2 光电倍增管 7.3 半导体光电二极管 7.4 PIN型光电二极管 7.5 雪崩光电二极管 7.6 光接收机
光致电子发射。
hf ? ?
? 光子能量hf大于功函数时，电子可以吸收光子而逸出，否
则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一
种材料制作的光电二极管都有截止波长(Cutoff wavelength
)? C：
?C
?
hc
?
?
1.24
? (eV)
? 光波长大于这个值时，入射光子没有足够的能量激励检测
? 光电倍增管响应速度很快，不到 1ns。
? 缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个能提
供数百伏偏置电百度文库的电压源 。
7.3 Semiconductor Photodiode 半导体光电二极管
? 半导体光电二极管体积小，重量轻，灵敏度 高，响应速度快，在几伏的偏置电压下即可 工作。
? PN型光电二极管 ? PIN 型光电二极管
输入功率波形
检测器输出的电流波形
7.2 Photomultiplier 光电倍增管
阴极
入射光子
发射电子 阳极
Vacuum photodiode 真空光电二极管
Vacuum photodiode
? 单个电子从阴极逃逸需要一个最低的能量值，称为功函数
(Work Function )，入射光子的能量必须大于此值才能产生
1．Re光spo检nsi测vit器y 的响应主度要性能指标
? 光检测器的输出电流与入射光功率之比称为 响应度
。
?
?
I P
P in
? 单位：安培每瓦 /伏特每瓦
2. Spectral Response 光谱响应
? 检测器响应度和波长之间的函数关系。
3. Rise Time 上升时间tr
?在入射光功率呈阶跃变化的条件下，检测器的 输出电流从最大值的 10% 上升到90% 所用时间。
前端
性能指标:接收灵敏度、 误码率或信噪比
线性通道 时钟提取与数据再生 （CDR ）
对信号进行高增益放大与整形， 提高信噪比，减少误码率。
前言
? 发射机发射的光信号经光纤传输后，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。
光纤通信第七章
Light Detector 光检测器
驱动电路
光源
调制器
光纤
中继器
光电二极 管
光纤
放大器
判决器
光接收机
光接收机是光纤通信系统的重要组成部 分，其作用是将光信号转换回电信号， 恢复光载波所携带的原信号。
光信号 光电 变换
前置 放大
主放 均衡 大器 滤波
判 输出 决 器
AGC 电路
时钟恢复
Photomultiplier （PMT）
阴极
入射光子 倍增电极
二次发射 电子
阳极
Photomultiplier
? 每个倍增电极的增益 (Gain)指每个入射电子所 产生的二次发射电子数的平均值。通常在 2~6之 间。
? 假设每个倍增电极的增益为 δ，总的增益为：
? 通过外电路的电流为：
M ??N
Light Detector
7.1 Principles of Photodetection 光探测原理
? External Photoelectric Effect(外部光电效应)： 金属表面通过吸收入射光子流的能量从而释 放电子，形成光生电流——真空光电二极管 和光电倍增管
? Internal Photoelectric Effect(内部光电效应)： 半导体结型器件通过吸收入射光子产生自由 电荷载流子（电子和空穴）——pn结光电二 极管，PIN结光电二极管，雪崩光电二极管
? 雪崩型（ APD）光电二极管
? 例7.2，假定检测器在0.8um 波段的量子效率 为1% ，试计算其响应度。 ? ? i ? ? e? ? 0.0064 A/W ? 6.4mA/W
P hc
? 例7.3，根据7.2结果，计算当检测器接收的 光功率为1uW 时，一个50欧负载电阻两端的 电压。
i ? ?P ? 6.4nA U ? iR ? 320nV
? 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它
定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之
比，即
? ? 发射电子数
入射光子数
? 发射电子数 P hf
i ? ? eP ? ? e?P ? CP
hf hc
检测电流正 比于光功率
在子?光 －电空? 二穴Pi 极对?管，?h的因fe应此?用检?中测he，器c?的10量0个子U光效子?率会?范产e围hP生f为R303L到0?%9~5?9个5P%电R。L
? ? i ? ? e? ? 0.0064 A/W
P hc
? M ? 1.95 ? 106 ? 0.0064 ? 12.5kA/W
iM ? 12.5 ? 103 ? 10?6 ? 12.5mA U M ? 12.5 ? 103 ? 50 ? 625mV
Photomultiplier
? 光电倍增管产生内部增益 (Internal Gain) ，可以 在不显著降低信噪比的情况下放大信号，而放大 器的外部增益（ External Gain ）一般会引入噪声 ，降低信噪比。
i ? M? eP
hf
? 例7.4，假定一个光电倍增管有9个倍增电极 ，每个倍增电极的增益为5，计算此光电倍 增管的电流放大倍数。
M ? ? N ? 1.96 ? 106
? 例7.5，假设一个PMT 有例7.4所得的增益， 先用来检测光功率为1uW ，波长为0.8um的 光信号，阴极的效率为1% ，负载为50欧。 计算其响应度、电流和输出电压。
器，因而不能被检测到，波长小于这个值时，光子能量超 过功函数，能被检测到。
? 例7.1，铯是一种常见的光致发光材料，其 功函数为1.9eV, 计算其截止波长。
? ? 1.24 ? 0.65?m
1.9
?光波长小于这个值时，光子能量超过功函数， 才能被铯阴极检测到。
Quantum Efficiency 量子效率
? 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。
Chapter 7 Light Detector
7.1 光检测原理 7.2 光电倍增管 7.3 半导体光电二极管 7.4 PIN型光电二极管 7.5 雪崩光电二极管 7.6 光接收机
光致电子发射。
hf ? ?
? 光子能量hf大于功函数时，电子可以吸收光子而逸出，否
则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一
种材料制作的光电二极管都有截止波长(Cutoff wavelength
)? C：
?C
?
hc
?
?
1.24
? (eV)
? 光波长大于这个值时，入射光子没有足够的能量激励检测
? 光电倍增管响应速度很快，不到 1ns。
? 缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个能提
供数百伏偏置电百度文库的电压源 。
7.3 Semiconductor Photodiode 半导体光电二极管
? 半导体光电二极管体积小，重量轻，灵敏度 高，响应速度快，在几伏的偏置电压下即可 工作。
? PN型光电二极管 ? PIN 型光电二极管
输入功率波形
检测器输出的电流波形
7.2 Photomultiplier 光电倍增管
阴极
入射光子
发射电子 阳极
Vacuum photodiode 真空光电二极管
Vacuum photodiode
? 单个电子从阴极逃逸需要一个最低的能量值，称为功函数
(Work Function )，入射光子的能量必须大于此值才能产生
1．Re光spo检nsi测vit器y 的响应主度要性能指标
? 光检测器的输出电流与入射光功率之比称为 响应度
。
?
?
I P
P in
? 单位：安培每瓦 /伏特每瓦
2. Spectral Response 光谱响应
? 检测器响应度和波长之间的函数关系。
3. Rise Time 上升时间tr
?在入射光功率呈阶跃变化的条件下，检测器的 输出电流从最大值的 10% 上升到90% 所用时间。
前端
性能指标:接收灵敏度、 误码率或信噪比
线性通道 时钟提取与数据再生 （CDR ）
对信号进行高增益放大与整形， 提高信噪比，减少误码率。
前言
? 发射机发射的光信号经光纤传输后，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。
光纤通信第七章
Light Detector 光检测器
驱动电路
光源
调制器
光纤
中继器
光电二极 管
光纤
放大器
判决器
光接收机
光接收机是光纤通信系统的重要组成部 分，其作用是将光信号转换回电信号， 恢复光载波所携带的原信号。
光信号 光电 变换
前置 放大
主放 均衡 大器 滤波
判 输出 决 器
AGC 电路
时钟恢复
Photomultiplier （PMT）
阴极
入射光子 倍增电极
二次发射 电子
阳极
Photomultiplier
? 每个倍增电极的增益 (Gain)指每个入射电子所 产生的二次发射电子数的平均值。通常在 2~6之 间。
? 假设每个倍增电极的增益为 δ，总的增益为：
? 通过外电路的电流为：
M ??N
Light Detector
7.1 Principles of Photodetection 光探测原理
? External Photoelectric Effect(外部光电效应)： 金属表面通过吸收入射光子流的能量从而释 放电子，形成光生电流——真空光电二极管 和光电倍增管
? Internal Photoelectric Effect(内部光电效应)： 半导体结型器件通过吸收入射光子产生自由 电荷载流子（电子和空穴）——pn结光电二 极管，PIN结光电二极管，雪崩光电二极管
? 雪崩型（ APD）光电二极管
? 例7.2，假定检测器在0.8um 波段的量子效率 为1% ，试计算其响应度。 ? ? i ? ? e? ? 0.0064 A/W ? 6.4mA/W
P hc
? 例7.3，根据7.2结果，计算当检测器接收的 光功率为1uW 时，一个50欧负载电阻两端的 电压。
i ? ?P ? 6.4nA U ? iR ? 320nV
? 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它
定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之
比，即
? ? 发射电子数
入射光子数
? 发射电子数 P hf
i ? ? eP ? ? e?P ? CP
hf hc
检测电流正 比于光功率
在子?光 －电空? 二穴Pi 极对?管，?h的因fe应此?用检?中测he，器c?的10量0个子U光效子?率会?范产e围hP生f为R303L到0?%9~5?9个5P%电R。L
? ? i ? ? e? ? 0.0064 A/W
P hc
? M ? 1.95 ? 106 ? 0.0064 ? 12.5kA/W
iM ? 12.5 ? 103 ? 10?6 ? 12.5mA U M ? 12.5 ? 103 ? 50 ? 625mV
Photomultiplier
? 光电倍增管产生内部增益 (Internal Gain) ，可以 在不显著降低信噪比的情况下放大信号，而放大 器的外部增益（ External Gain ）一般会引入噪声 ，降低信噪比。
i ? M? eP
hf
? 例7.4，假定一个光电倍增管有9个倍增电极 ，每个倍增电极的增益为5，计算此光电倍 增管的电流放大倍数。
M ? ? N ? 1.96 ? 106
? 例7.5，假设一个PMT 有例7.4所得的增益， 先用来检测光功率为1uW ，波长为0.8um的 光信号，阴极的效率为1% ，负载为50欧。 计算其响应度、电流和输出电压。
器，因而不能被检测到，波长小于这个值时，光子能量超 过功函数，能被检测到。
? 例7.1，铯是一种常见的光致发光材料，其 功函数为1.9eV, 计算其截止波长。
? ? 1.24 ? 0.65?m
1.9
?光波长小于这个值时，光子能量超过功函数， 才能被铯阴极检测到。
Quantum Efficiency 量子效率