光纤通信第五版-第七章
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+
结区
-----------
Wg
7.3
24
7.3 半导体光电二极管
入射光子在结区被吸收，其释放的能量产生了自由 的电子和空穴，产生的自由电子在结的强电场中运动， 因此电路中产生电流。
7.3
25
7.3 半导体光电二极管
因此，对于玻璃光纤系统而言，硅光探测器仅能工作 在第一窗口（0.8 – 0.9um）
间限制 ，响应速度根本上是由渡越时间限制的
例：
d = 耗尽层宽度 = 50 μm
v = 载流子速度 = 5 x 104 m/s
则渡越时间为：
t
d v
50 10 6
9
5 104 10 s 1ns
7.4
47
7.4.4 响应速度
检测器的上升时间基本上等于渡越时间，带宽限制为：
f
0.35
t 3 dB r
除了渡越时间外，检测器电容和负载电阻同样限制着
ID 称作暗电流，它是没有光照时的电流（此时只有 半导体反向漏电流）。这是由于温度产生的少数电荷载 流子造成。微弱的光信号将会淹没在暗电流中 。为了提 高接收的效果，接收功率必须要大大超过暗电流的功率
典型的暗电流值 硅 InGaAs 锗
2 nA 50 nA 500 nA
7.4
百度文库
37
7.4.3 电流-电压特性
近结区的n区和p区被吸收了。在p区和n区吸收光子产生
的电荷由于电场力很小因此不能快速运动，将在二极管
内缓慢扩散，在到达结区之前复合。因此该情况在外部
电路产生的电流及其微弱且有延迟，造成脉冲展宽，降
低了接收速度，接收机的3dB带宽因此降低。
p
n
hf
E
7.3
30
7.3 半导体光电二极管
对于pn结型光电二极管，模拟3dB带宽典型值为tr = 1 μs
7.4
54
7.5 雪崩光电二极管
雪崩光电二极管(APD)是内部带有增益的PIN型光电二 极管。其应用电路与传统PIN光电二极管相同。
APD
RL
-
VB
+
7.5
55
7.5 雪崩光电二极管
供电电压大概为数百V，以在结内建立强电场， 当光子在结中被吸收，自由电子释放，然后被强电 场加速，电荷获得动能并与中性原子产生碰撞。
可满足需求。
7.5
58
7.6 总结与讨论
光电检测器： •真空二极管与广电倍增管 •PN型二极管 •PIN 型光电二极管 •雪崩光电二极管（APD）
7.6
59
44
7.4.3 电流-电压特性
2. 减小RL 以增加接收器的动态范围（接收最大功率与 最小功率的比值）如式（7.13）所示，负载电阻被
限制在： (R L ) max
V B P max
3. 减小RL 以减小响应时间（下页说明）
7.4
46
7.4.4 响应速度
渡越时间： 自由电荷穿越耗尽层（即PIN的本征层）的时
响应时间。
7.4
48
7.4.5 电流-电压转换器 （互阻抗放大器）
A：运算放大器
7.4
51
7.4.5 电流-电压转换器
-VB vd (v)
P = 10 μW 20 30
负载线
40
0
-5 -10
二极管 电流
-15 i ( A)
-20 d
7.4
52
7.4.6 封装
检测器封装类似与LED和LD，常见形式： 1. 安装在标准晶体管的头部，上方加装玻璃盖片或透镜 2. 封装可以包含光纤尾纤 3. 光电二极管可以安装于印刷电路板上 4. 加上其他元件（如运算放大器）
0.5
ρ A/W
0.5
0.7
0.9 1.1
λ( um )
7.3
28
7.3 半导体光电二极管
例：将材料更换为锗，重新计算截止波长，锗的带隙能量
为 Wg = 0.67 eV
0.67 1.24 c
1.85 m
锗探测器对所有的光纤窗口都适用
7.3
29
7.3 半导体光电二极管
响应时间
PN型光电探测器的响应较慢，因为大量的光子在靠
hc
c
或
1.24
c
(7.4)
其中 c 以 m为单位， 以eV为单位，对于检测，我们 需要：
1.24
7.2
11
7.2 光电倍增器
例：考虑铯元素，其功函数
计算截止波长
휆푐
1.24 =1.9 = 0.65μm
这个波长比玻璃光纤系统的常用光波波长要短。因此该 检测器不能用于光纤系统
7.2
12
7.2 光电倍增器
3. 响应速度: 在多大的调制频率范围内光检测器能工作。如以前讨
论的那样，设tr 为上升时间则带宽近似为：
P 输入
(7.2)
tr
90%
i
输出
10%
tr
7.1
6
7.1 光检测原理
其他重要特性： 尺寸，温度敏感度，增益，寿命，电路复杂度以及成本
7.1
7
真空二极管
7.2 光电倍增器
光照到阴极，电子逸出； 电子在强电场下加速向阳
第7章 光检测器
7.1
1
7.1 光检测原理
光检测器：将光信号转换为电信号的器件. 内部光电效应 半导体中由于吸收了光子而产生载流子的效应 器件: • PN型光电二极管 • PIN型光电二极管 • 雪崩型二极管(APD)
7.1
2
7.1 光检测原理
外部光电效应 当光子撞击金属表面而产生自由电荷的效应，电子从金 属表面发射 器件： • 真空光电二极管 • 光电倍增管
~300V 二次发射电子
20
7.2 光电倍增器
例：令电极数N=9， =5，试求总增益M
푀 = 59 = 1.96 ×106 ≅ 2百万
7.2
22
7.3 半导体光电二极管
hf
V-
i
B
+
反向偏置
hf
p
n
v RL
7.3
23
7.3 半导体光电二极管
反向偏置光电二极管
p
n
hf
电子能量
E hf
+++++++++
7.5
56
7.5 雪崩光电二极管
自由电子的动能导致中性原子电离并释放电子， 释放的电子导致更多的中性原子电离释放电子 ，形 成电子“雪崩”，电子雪崩增加了电路中的总电流， 因此形成电流增益
7.5
57
7.5 雪崩光电二极管
可以达到上百倍的增益 雪崩光电二极管（APD）与光电倍增管（PMT）相比属
于固态器件 1. 不幸的是APD的增益不如PMT 2. 幸运的是，作为固态器件，其可以与光纤系统结合 3. APD器件增加了接收器的灵敏度 4. 当输入功率小于1μW，使用APD，大于1μW，PIN即
极运动； 运动中电路产生电流； 到达阳极电流消失
7.2
8
7.2 光电倍增器
功函数 定义为： 金属阴极释放出电子所需要的能量 能量的单位：焦耳 为了释放电子，光子能量到大于等于功函数
因此，入射光子的频率必须满足：
hf
hc
hc
(7.3)
7.2
10
7.2 光电倍增器
能够检测的最长波长成为截止波长，公式为：
光电二极管电路
V
+
+ vd -
p
n
i
d
v RL
7.4
38
7.4.3 电流-电压特性 硅光电二极管电路分析：
回路方程为：
VB + vd + id RL = 0
7.4
41
7.4.3 电流-电压特性 输出特性曲线如下图所示：
当vd = 0，出现饱和， 此时
d L
线性区域
饱和区
输入光功率(μW)
7.4
7.4
33
PIN型光电二极管
7.4.2 材料
材料
波长范围 (μm)
峰值 响应波长 λ (μm)
峰值 响应度 ρ (A/W)
硅
0.3 – 1.1
0.8
0.5
锗
0.5 – 1.8
1.55
0.7
InGaAs
1.0 – 1.7
1.7
1.1
7.4
35
7.4.3 电流-电压特性
7.4
36
7.4.3 电流-电压特性
因此电流为： i eh P hf
响应度为：
i eh eh P hf hc
该结果对所有的光电检测器都适用
(7.6) (7.7)
7.2
15
7.2 光电倍增器
光电倍增器 (PMT)
阴极 -
~100V ~400V
阳极 + ~1000V
~200V
-
+
V ( V ~ 100V)
倍增电极 i
RL v
7.2
7.1
3
7.1 光检测原理
重要的检测器属性
输出电流
1. 响应度: = 输入光功率
i
光功率
光检测器
电流
= i
P
A/W
7.1
(7.1)
4
7.1 光检测原理
2. 谱响应: 检测器对于哪些波长的光有响应，其通常用波长的响
应曲线来表示 硅光二极管谱响应
0.5
0 0.5 0.7
7.1
5
7.1 光检测原理
f3 dB
0.35 tr
0.35 10 6
6
0.35 10
350kHz
为了解决PN结型光电二极管响应慢的问题， 产生了PIN型光电二极管
7.3
31
7.4 PIN型光电二极管
PIN 光电二极管
hf
本征层
i
p+
E
n
V
+
薄层
v RL
7.4
32
7.4 PIN型光电二极管
本征层很厚，几乎绝缘，绝大多数的光子被本征层 吸收。绝大多数的电压也落在本征层上，因此本征层内 有强电场存在。本征层中的电子不会扩散运动，因此其 响应速度比PN型二极管高的多
结区
-----------
Wg
7.3
24
7.3 半导体光电二极管
入射光子在结区被吸收，其释放的能量产生了自由 的电子和空穴，产生的自由电子在结的强电场中运动， 因此电路中产生电流。
7.3
25
7.3 半导体光电二极管
因此，对于玻璃光纤系统而言，硅光探测器仅能工作 在第一窗口（0.8 – 0.9um）
间限制 ，响应速度根本上是由渡越时间限制的
例：
d = 耗尽层宽度 = 50 μm
v = 载流子速度 = 5 x 104 m/s
则渡越时间为：
t
d v
50 10 6
9
5 104 10 s 1ns
7.4
47
7.4.4 响应速度
检测器的上升时间基本上等于渡越时间，带宽限制为：
f
0.35
t 3 dB r
除了渡越时间外，检测器电容和负载电阻同样限制着
ID 称作暗电流，它是没有光照时的电流（此时只有 半导体反向漏电流）。这是由于温度产生的少数电荷载 流子造成。微弱的光信号将会淹没在暗电流中 。为了提 高接收的效果，接收功率必须要大大超过暗电流的功率
典型的暗电流值 硅 InGaAs 锗
2 nA 50 nA 500 nA
7.4
百度文库
37
7.4.3 电流-电压特性
近结区的n区和p区被吸收了。在p区和n区吸收光子产生
的电荷由于电场力很小因此不能快速运动，将在二极管
内缓慢扩散，在到达结区之前复合。因此该情况在外部
电路产生的电流及其微弱且有延迟，造成脉冲展宽，降
低了接收速度，接收机的3dB带宽因此降低。
p
n
hf
E
7.3
30
7.3 半导体光电二极管
对于pn结型光电二极管，模拟3dB带宽典型值为tr = 1 μs
7.4
54
7.5 雪崩光电二极管
雪崩光电二极管(APD)是内部带有增益的PIN型光电二 极管。其应用电路与传统PIN光电二极管相同。
APD
RL
-
VB
+
7.5
55
7.5 雪崩光电二极管
供电电压大概为数百V，以在结内建立强电场， 当光子在结中被吸收，自由电子释放，然后被强电 场加速，电荷获得动能并与中性原子产生碰撞。
可满足需求。
7.5
58
7.6 总结与讨论
光电检测器： •真空二极管与广电倍增管 •PN型二极管 •PIN 型光电二极管 •雪崩光电二极管（APD）
7.6
59
44
7.4.3 电流-电压特性
2. 减小RL 以增加接收器的动态范围（接收最大功率与 最小功率的比值）如式（7.13）所示，负载电阻被
限制在： (R L ) max
V B P max
3. 减小RL 以减小响应时间（下页说明）
7.4
46
7.4.4 响应速度
渡越时间： 自由电荷穿越耗尽层（即PIN的本征层）的时
响应时间。
7.4
48
7.4.5 电流-电压转换器 （互阻抗放大器）
A：运算放大器
7.4
51
7.4.5 电流-电压转换器
-VB vd (v)
P = 10 μW 20 30
负载线
40
0
-5 -10
二极管 电流
-15 i ( A)
-20 d
7.4
52
7.4.6 封装
检测器封装类似与LED和LD，常见形式： 1. 安装在标准晶体管的头部，上方加装玻璃盖片或透镜 2. 封装可以包含光纤尾纤 3. 光电二极管可以安装于印刷电路板上 4. 加上其他元件（如运算放大器）
0.5
ρ A/W
0.5
0.7
0.9 1.1
λ( um )
7.3
28
7.3 半导体光电二极管
例：将材料更换为锗，重新计算截止波长，锗的带隙能量
为 Wg = 0.67 eV
0.67 1.24 c
1.85 m
锗探测器对所有的光纤窗口都适用
7.3
29
7.3 半导体光电二极管
响应时间
PN型光电探测器的响应较慢，因为大量的光子在靠
hc
c
或
1.24
c
(7.4)
其中 c 以 m为单位， 以eV为单位，对于检测，我们 需要：
1.24
7.2
11
7.2 光电倍增器
例：考虑铯元素，其功函数
计算截止波长
휆푐
1.24 =1.9 = 0.65μm
这个波长比玻璃光纤系统的常用光波波长要短。因此该 检测器不能用于光纤系统
7.2
12
7.2 光电倍增器
3. 响应速度: 在多大的调制频率范围内光检测器能工作。如以前讨
论的那样，设tr 为上升时间则带宽近似为：
P 输入
(7.2)
tr
90%
i
输出
10%
tr
7.1
6
7.1 光检测原理
其他重要特性： 尺寸，温度敏感度，增益，寿命，电路复杂度以及成本
7.1
7
真空二极管
7.2 光电倍增器
光照到阴极，电子逸出； 电子在强电场下加速向阳
第7章 光检测器
7.1
1
7.1 光检测原理
光检测器：将光信号转换为电信号的器件. 内部光电效应 半导体中由于吸收了光子而产生载流子的效应 器件: • PN型光电二极管 • PIN型光电二极管 • 雪崩型二极管(APD)
7.1
2
7.1 光检测原理
外部光电效应 当光子撞击金属表面而产生自由电荷的效应，电子从金 属表面发射 器件： • 真空光电二极管 • 光电倍增管
~300V 二次发射电子
20
7.2 光电倍增器
例：令电极数N=9， =5，试求总增益M
푀 = 59 = 1.96 ×106 ≅ 2百万
7.2
22
7.3 半导体光电二极管
hf
V-
i
B
+
反向偏置
hf
p
n
v RL
7.3
23
7.3 半导体光电二极管
反向偏置光电二极管
p
n
hf
电子能量
E hf
+++++++++
7.5
56
7.5 雪崩光电二极管
自由电子的动能导致中性原子电离并释放电子， 释放的电子导致更多的中性原子电离释放电子 ，形 成电子“雪崩”，电子雪崩增加了电路中的总电流， 因此形成电流增益
7.5
57
7.5 雪崩光电二极管
可以达到上百倍的增益 雪崩光电二极管（APD）与光电倍增管（PMT）相比属
于固态器件 1. 不幸的是APD的增益不如PMT 2. 幸运的是，作为固态器件，其可以与光纤系统结合 3. APD器件增加了接收器的灵敏度 4. 当输入功率小于1μW，使用APD，大于1μW，PIN即
极运动； 运动中电路产生电流； 到达阳极电流消失
7.2
8
7.2 光电倍增器
功函数 定义为： 金属阴极释放出电子所需要的能量 能量的单位：焦耳 为了释放电子，光子能量到大于等于功函数
因此，入射光子的频率必须满足：
hf
hc
hc
(7.3)
7.2
10
7.2 光电倍增器
能够检测的最长波长成为截止波长，公式为：
光电二极管电路
V
+
+ vd -
p
n
i
d
v RL
7.4
38
7.4.3 电流-电压特性 硅光电二极管电路分析：
回路方程为：
VB + vd + id RL = 0
7.4
41
7.4.3 电流-电压特性 输出特性曲线如下图所示：
当vd = 0，出现饱和， 此时
d L
线性区域
饱和区
输入光功率(μW)
7.4
7.4
33
PIN型光电二极管
7.4.2 材料
材料
波长范围 (μm)
峰值 响应波长 λ (μm)
峰值 响应度 ρ (A/W)
硅
0.3 – 1.1
0.8
0.5
锗
0.5 – 1.8
1.55
0.7
InGaAs
1.0 – 1.7
1.7
1.1
7.4
35
7.4.3 电流-电压特性
7.4
36
7.4.3 电流-电压特性
因此电流为： i eh P hf
响应度为：
i eh eh P hf hc
该结果对所有的光电检测器都适用
(7.6) (7.7)
7.2
15
7.2 光电倍增器
光电倍增器 (PMT)
阴极 -
~100V ~400V
阳极 + ~1000V
~200V
-
+
V ( V ~ 100V)
倍增电极 i
RL v
7.2
7.1
3
7.1 光检测原理
重要的检测器属性
输出电流
1. 响应度: = 输入光功率
i
光功率
光检测器
电流
= i
P
A/W
7.1
(7.1)
4
7.1 光检测原理
2. 谱响应: 检测器对于哪些波长的光有响应，其通常用波长的响
应曲线来表示 硅光二极管谱响应
0.5
0 0.5 0.7
7.1
5
7.1 光检测原理
f3 dB
0.35 tr
0.35 10 6
6
0.35 10
350kHz
为了解决PN结型光电二极管响应慢的问题， 产生了PIN型光电二极管
7.3
31
7.4 PIN型光电二极管
PIN 光电二极管
hf
本征层
i
p+
E
n
V
+
薄层
v RL
7.4
32
7.4 PIN型光电二极管
本征层很厚，几乎绝缘，绝大多数的光子被本征层 吸收。绝大多数的电压也落在本征层上，因此本征层内 有强电场存在。本征层中的电子不会扩散运动，因此其 响应速度比PN型二极管高的多