光电二极管电流

即
发射电子数
入射光子数
发射电子数
P hf
iePePCP
hf hc
检测电流正 比于光功率
在子光－电空二穴Pi对极，管h因的e此应f检用测中he器，c的10量0个子U光效子率会范产e围h生P为f330RL0到%9~5个95P电%。RL
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。
• 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：
MN源自文库
i MeP
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。
MN1.9 6160
i e 0 .00 A /W 6 4 6 .4 m/W A
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。
iP6.4nA Ui R 32n0V
Photomultiplier （PMT）
阴极
入射光子 倍增电极
二次发射 电子
阳极
Photomultiplier
1．Re光spo检nsi测vity器响的应主度要性能指标
• 光检测器的输出电流与入射光功率之比称为响应度。
• 单位：安培每瓦/伏 特I 每P 瓦 P
in
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。
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。
i e0.00A 6/W 4
P hc
M 1 .9 1 5 6 0 0 .00 1 .6 5 k 2 /W 4 A
iM 1.5 2 13 0 1 6 0 1.5 2 mA U M 1.5 2 13 05 0 6m 25V
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光
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
• 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。
1.240.65m
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
• 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，
7.3 Semiconductor Photodiode 半导体光电二 • 半导体光电二极管极体积管小，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
• 雪崩型（APD）光电二极管
光探测原理----受激吸收
输入
h
光子
Ec
吸收光子后 产生电子 (输出电流)
Ev
• 假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg，耗尽区 (PN结的结区也就是中间势垒所在区域，没有 自由电子)每次吸收一个光子，将产生一个电子 空穴对，发生受激吸收。
PN结光电检测原理
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 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。
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
• 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
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。
• 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
供数百伏偏置电压的电压源。