常用光检测器的分类及特性分析

常用光检测器的分类及特性分析

摘要：光电检测技术是光电技术的重要组成部分，是对光量及大量非光物理量进行测量的重要手段。在光纤传感及光纤通讯系统中，光电检测器是光接收机实现光--电转换的关键器件，它的灵敏度、带宽等特性参数直接影响系统的总体性能。

关键词：光电检测，灵敏度，光纤传感，光纤通讯

Classification and analysis of The application of opto-electronic

detector

Abstract: Opto-electronic detection technology is not only an important component of the photoelectricity technology,but also an important method of measuring the light flux and a large number of non-opticalphysical parameter.In the optical fiber sensor and optical fiber communication system the Opto-electronic detector is a keycomponent of optical receiver to implement optical electrical conversion,which sensitivity,bandwidth and other parameters directly affect the overall optical transmission performance of transfer systems.

Keywords:opto-electronic detection; sensitivity; optical fiber sensor; optical fiber communication 0 引言

随着光纤通讯信息量的增大，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。本文主要介绍光电检测器原理、性能和分类。

1 光探测原理

光检测过程的基本机理是受激光吸收】【1。假如入射光子的能量超过禁带能量g E ，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收，如图1所示。结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴通过对电场的作用，分别离开耗尽区，电子向N 区漂移，空穴向P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N 区进入正电极。从而在外电路形成光生电流。当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。光生电流与产生的电子空穴对和这些载流子运动的速度有关。也就是说直接与入射光功率成正比】【2，即

in p RP I = （1）

式中R 是光电检测响应度（用A/W 表示）。由此式可以得到

in p

P I R = （2）

响应度R 可用量子效率表示，其定义是产生的电子数与入射光子数之比，即

R q h h P q I in r ννη==

// （3） 式中19106.1-⨯=q 焦耳，是电子电荷；141063.6-⨯=h 焦耳`秒，是普朗克常量；ν是入射光频率。由此式可以得到响应度】【2

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.1ηλνη≈=h q R （4） 式中λ=c/υ是入射光波长，用μm 表示，c=3×108m/s 是真空中的光速。上式表示光电检测器响应度随波长而增加，这是因为光子能量hν减小时可以产生与减少的能量相等的电流。R 和λ的这种线性关系不能一直保持下去，因为光子能量太小时将不能产生电子。当光子能量变得比禁带能量g E 小时，无论入射光多强，光电效应也不会发生，此时量子效率下降到零，也就是说，光电效应必须满足条件

g E h >ν或者g E hc /<λ （5）

图1 PN 结光电检测原理说明

2 光电检测器的设计要求

为了满足应用的需求光电检测器设计时应满足】【2：①能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换；②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；③具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；④有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；⑤具有较小的体积、较长的工作寿命等。

3 数字光通讯中常用的三种光检测器

由于受激吸收仅仅发生在PN 结附近，远离PN 结的地方没有电场存在，因此就决定了PN 光电二极管(PN Photodiode ，PNPD)或PN 光电检测器的光电变换效率非常低下及响应速度很慢。

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。其中，PIN 光电二极管响应频率高，可高达10GHZ ，响应速度快，供电电压低，工作十分稳定。雪崩二极管灵敏

度高，响应快，但雪崩二极管需要上百伏的工作电压，而且性能和入射光功率有关，当入射光功率大时，增益引起的噪声大，带来电流失真】】【【43。

另外，70年代末还出现了MSM （金属-半导体-金属）光检测器。

3.1 PIN 光电二极管

PIN 光电二极管(PINPD)的结构如图2所示。

图2 PIN 光电二极管的结构和实物图

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。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，约有5~50μm 可吸收绝大多数光子，这样可以提高其响应速度和转换效率。如图3（a ）所示，这也是PIN 二极管与PN 二极管的主要区别。PIN 二极管实物如图3（b ）所示。

图3 PIN 光电二极管的能带图和结构示意图

如图4所示，PIN 光电二极管的能带简图，能量大于或等于带隙能量g E 的光子将激励价带上的电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，可以产生自由电子-空穴对（称为光生载流子）。耗尽区的高电场使得电子-空穴对立即分开并在反向偏置的结区中向两端流动，然后在边界处被吸收，从而在外电路中形成电流，完成光检测的过程。