光电检测器

第四章通信用光器件4.1光器件简介4.2光电检测器4.3无源光器件4.1光器件简介•在光纤通信系统中，光器件可分为有源光器件和无源光器件两类，其中有源光器件包括前章介绍的光源器件，还有本章要介绍的光电检测器等器件。•光电检测器，是将入射光转化为电流或电压的器件，光纤通信系统中常用的光电检测器有：PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。返回1)PN结的形成扩散形成：离子区耗尽区空间电荷区阻挡层内建电场(结电场)浓度差异E4.2光电检测器1.半导体PN结的光电效应返回4.2.1PN结的光电效应1)PN结的形成扩散==漂移平衡PN结4.2光电检测器返回4.2.1PN结的光电效应1)PN结的形成（多子）扩散（少子）漂移浓度差异内建电场4.2光电检测器返回4.2.1PN结的光电效应2）PN结的光电效应NPPN结光如果PN结接收到相当能量的光照射，进入耗尽层的光子就会产生电子--空穴对，在内电场的加速下，空穴向P区漂移，电子则向N区漂移。很显然，光照的结果打破了原有结区的平衡状态。这种光生载流子的运动，在一定条件下，就会产生光电流。这就是半导体PN结的光电效应。4.2光电检测器返回4.2.1PN结的光电效应返回4.2光电检测器思考题：产生光电效应的条件是?4.2.1PN结的光电效应1）结构：2.光电二极管的结构和特性4.2光电检测器返回4.2.2光电二极管的结构返回4.2光电检测器2）光电二极管的特性参数①响应度及量子效率量子效率是指单位时间内输出电子数与输入光子数之比，即输入的光子数输出的电子数输入的光子数空穴对数生成光电流的电子PINR响应度被定义为单位光功率所产生的电流，即PINR平均光功率电流PINR思考题：响应度与量子效率的关系?4.2.2光电二极管的特性②暗电流•指在无光照条件下，光电检测器的输出电流。暗电流引起光接收机的噪声增大，因此希望暗电流越小越好。•暗电流分为体内暗电流和表面暗电流（表面漏电流）。•PIN光电二极管的暗电流主要以表面暗电流为主；APD光电二极管的体内暗电流会受到倍增作用，所以以体内暗电流为主。4.2光电检测器返回4.2.2光电二极管的特性③噪声特性•光电二极管噪声包括信号电流和暗电流产生的散粒噪声和有负载电阻和后继放大器输入阻抗产生的热噪声。光电二极管噪声来源主要是散粒噪声。通常噪声用均方噪声电流描述。•均方散粒噪声电流•均方热噪声电流•总均方噪声电流22()thpdpdIeIIBIIB式中，为光生电流，为暗电流，为噪声带宽24TKTBIRKTR式中为波尔兹曼常数；为绝对温度；为负载的阻抗RKTBBIIeIdpt4)(224.2光电检测器返回4.2.2光电二极管的特性④响应时间•描述光电二极管光电转换速度，光电转换所用的总的时间有：•从光入射光敏面到发生受激吸收的时间•在耗尽区内发生载流子漂移的时间•在耗尽区外发生载流子扩散的时间•光电二极管及负载的时间常数RC4.2光电检测器思考题：如何提高光电二极管的响应速度？返回4.2.2光电二极管的特性4.2光电检测器3.PIN光电二极管1）PIN光电二极管的结构返回4.2.3PIN光电二极管PIN光电二极管的结构4.2.3PIN光电二极管4.2光电检测器返回4.2光电检测器4.2.3PIN光电二极管2）PIN光电二极管的工作原理返回3）PIN光电二极管实例返回4.2光电检测器4.2.3PIN光电二极管4.2光电检测器4）PIN光电二极管存在的问题•仅能将光信号转化成电信号，但不能对电信号产生增益；•转换后的电流信号，很微弱，这种微弱信号，经放大器放大后，淹没在放大器自身产生的噪声中，以致难以辨认。返回4.2.3PIN光电二极管思考题：如何提高光电二极管的灵敏度？4.2光电检测器4.APD光电二极管1）APD光电二极管的工作原理返回4.2.4APD光电二极管高反压(100～200V)强电场载流子加速碰撞新载流子雪崩倍增－－光电流的放大APD内增益：102～1034.2光电检测器4.2.4APD光电二极管APD光电二极管的工作原理返回返回2）APD光电二极管的电场场强分布4.2光电检测器4.2.4APD光电二极管返回4.2光电检测器3）APD光电二极管的主要特性参数①APD的倍增系数。APD的倍增系数定义为式中，MI为倍增后的总输出电流的平均值；pI为初始光电流（没有倍增时的光电流）。②APD的响应度APDR定义为③APD的量子效率与PIN的量子效率定义相同。GMPIGI0.APDRRG4.2.4APD光电二极管④APD的噪声主要是由于对初始电流的散粒噪声有倍增作用，因此称为倍增噪声。APD的噪声主要是倍增噪声。思考题：G是否越大越好？4）雪崩光电二极管实例4.2光电检测器4.2.4APD光电二极管返回