光检测机与光接收机概要.ppt

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1、第5章光检测器与光接收机www.ysu.edu.cn5.1光检测器在光纤传输线路的输出端，必须有一个能够转换光信号的接收装置即光接收机。接收机的首要部件就是光探测器（光检测器）。光探测器能检测出入射在其面上的光功率，并把这个光功率的变化转换为相应的电流。由于光信号在光纤中传输时会有损耗和失真，所以对光检测器的性能要求很高。5.1光检测器光探测器主要有以下几种不同的类型：光电倍增管、热电探测器、半导体光探测器等。在半导体光探测器中，光电二极管体积小，灵活度高，响应速度快，在光纤通信系统中得到了广泛的应

2、用。常用的光电二极管有两种类型，即PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。5.1光检测器15.1.1PIN光电二极管的工作原理.25.1.2雪崩光电二极管(APD)5.1.1PIN光电二极管的工作原理1．工作原理光电二极管是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，其工作原理可用光电效应来解释，如图5.1所示。图5.1光电二极管工作原理5.1.1PIN光电二极管的工作原理反向偏压使PN结加宽，空间电荷区的载流子基本耗尽了。光入射到PN结上，如果光子能量大于半导体材料的禁带宽度，价带上电子可以吸收光子而

3、跃迁到导带产生电子-空穴对。若电子-空穴对在耗尽层内产生，在电场作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，形成光生电流。当入射光功率变化时，光生电流随之线性变化，从而把光信号转化成电流信号。5.1.1PIN光电二极管的工作原理然而，当入射光子能量小于时，无论入射光多么强，光电效应都不会发生，也就是说，发生光电效应必须满足＞。因此，任何半导体材料制作的光电二极管都有上限截止波长，其表示式为(5.1)对于材料Si，；对于材料Ge，。光电二极管除了具有上限截止波长外，当入射波长太短时，材料的吸收系数变得很大

4、，光电转换效率也会大幅度下降。5.1.1PIN光电二极管的工作原理2．光电转换效率常用量子效率和响应度来衡量光电转换效率。入射光在光电二极管的表面有反射，设入射表面的反射率为R，当入射光功率为P时，光生电流可以表示为式中，是零电场表面层厚度；是耗尽区的厚度；是吸收系数。5.1.1PIN光电二极管的工作原理量子效率定义为(5.2)R也可以用响应度来表示：R(5.3)5.1.1PIN光电二极管的工作原理要得到高的量子效率，必须采取如下措施：(1)减小入射表面的反射率；(2)尽量减小光子在表面层被吸收的可

5、能性，增加耗尽层的宽度。因此，为了得到高的量子效率，常采用PIN结构，如图5.2所示。图5.2PIN光电二极管5.1.1PIN光电二极管的工作原理I区是一层接近本征的掺杂很低的N区，在这种结构中，零电场区（区和区）非常薄，而低掺杂的I区很厚，耗尽层几乎占据了整个PN结，从而使光子在耗尽区被充分吸收。对于InGaAs材料的光电二极管，往往还采用异质结结构，耗尽区(InGaAs)夹在宽带隙的InP材料之间，而InP对于入射光几乎是透明的。5.1.1PIN光电二极管的工作原理图5.3给出了几种不同材料PI

6、N光电二极管的响应度和量子效率。图5.3几种不同材料PIN光电二极管的响应度和量子效率5.1.1PIN光电二极管的工作原理3．响应速度响应速度通常用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。影响响应速度的主要因素有(1)光电二极管等效电路的RC时间常数图5.4光电二极管的等效电路5.1.1PIN光电二极管的工作原理(2)载流子在耗尽区的渡越时间(3)耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟图5.5结电容、耗尽区宽度以及零电场区对输出脉冲的影响4．暗电流暗电流是指无光照时，光电二极管的反向电流。Si的

7、光电二极管可小于1nA，Ge的光电二极管的暗电流通常几百纳安。5.1.2雪崩光电二极管(APD)1．工作原理与光电二极管不同，雪崩光电二极管能承受高的反向偏压。在PN结内部形成一个高电场区，光生的电子或空穴经过高场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发新的电子-空穴对，这个过程称为碰撞电离。通过碰撞电离产生的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。新生的电子-空穴对在高场区内再被加速，又可能碰撞新的原子，这样多次碰撞电离的结果是载流子浓度增加，反向电流增大

8、，称为雪崩增益。5.1.2雪崩光电二极管(APD)2．APD的平均雪崩增益雪崩过程是一个复杂的随机过程，只能以APD的平均雪崩增益来表示APD增益的大小：式中，V是反向偏压；是反向击穿电压；m是APD结构和材料决定的参量。5.1.2雪崩光电二极管(APD)雪崩增益随反向偏压变化的非线性十分突出，如图5.6所示。要得到足够的增益，必须在接近击穿电压下工作，而击穿电压对温度很敏感。图5.6APD的平均雪崩增益5.1.2雪崩光电二极管(APD)3．APD的结构在850nm，