第四章光检测器

LightDetector光检测器光纤通信第七章光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器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。光接收机光信号光电变换前置放大主放大器均衡滤波判决器时钟恢复输出AGC电路性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比前端时钟提取与数据再生（CDR）线性通道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。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。7.1光检测原理7.2光电倍增管7.3半导体光电二极管7.4PIN型光电二极管7.5雪崩光电二极管7.6光接收机Chapter7LightDetectorLightDetector7.1PrinciplesofPhotodetection光探测原理ExternalPhotoelectricEffect(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InternalPhotoelectricEffect(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1．Responsivity响应度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/伏特每瓦inPPI光检测器的主要性能指标2.SpectralResponse光谱响应检测器响应度和波长之间的函数关系。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。3.RiseTime上升时间tr输入功率波形检测器输出的电流波形7.2Photomultiplier光电倍增管阴极阳极发射电子入射光子Vacuumphotodiode真空光电二极管Vacuumphotodiode单个电子从阴极逃逸需要一个最低的能量值，称为功函数(WorkFunction)，入射光子的能量必须大于此值才能产生光致电子发射。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(Cutoffwavelength)C：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。hf)(24.1eVhcC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。m65.09.124.1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。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，即入射光子数发射电子数hfP发射电子数CPhcPehfePihcehfePiLLPRhfePRU检测电流正比于光功率QuantumEfficiency量子效率在光电二极管的应用中，100个光子会产生30到95个电子－空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%~95%。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。WmAWAhcePi/4.6/0064.0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。nAPi4.6nViRU320Photomultiplier（PMT）阴极阳极二次发射电子入射光子倍增电极Photomultiplier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：NMhfePMi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。61096.1NM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。WAhcePi/0064.0WkAM/5.120064.01095.16mAiM5.1210105.1263mVUM62550105.123Photomultiplier光电倍增管产生内部增益(InternalGain)，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（ExternalGain）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。半导体光电二极管体积小，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7.3SemiconductorPhotodiode半导体光电二极管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。光探测原理----受激吸收Ec吸收光子后产生电子Ev光子h输入(输出电流)PN结光电检测原理电子能量自由电子的产生导带自由空穴的产生价带结区光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，由光电二极管作成的光检测器的核心是PN结的光电效应。当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近基本上没有载流子，称为耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hf大于半导体材料的带隙Eg时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子—空穴对。PN结光电检测原理光电转换器件原理：光吸收在半导体材料上，当入射光子能量hf超过带隙能量时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流。入射光半导体PN型光电二极管检测原理说明简单的PN结光电二极管具有两个主要的缺点。首先，它的响应速度很慢。其次，它的量子效率很低，响应度很低。•结构：P+和N型半导体材料之间插入了一层掺杂浓度很低的半导体材料（如Si），记为I，称为本征区。•工作原理：入射光从P侧进入，在耗尽区光吸收产生的电子－空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动，产生光电流。7.4PINPhotodiodePIN光电二极管7.4.1CutoffWavelength截止波长由光电效应发生的条件式可知，对任何一种材料制作的光电二极管，都有截止波长，定义为gg24.1EEhcc禁带宽度gE用电子伏特表示。对硅(Si)材料制作的光电二极管，1.1cm；对锗(Ge)和铟镓砷InGaAs材料制作的光电二极管，85.1cm。Ge0.7751610GaAs1.424876InP1.35924AlGaAs1.42~1.92879~650InGaAs0.75~1.241664~1006InGaAs0.75~1.351664~924半导体材料禁带宽度Eg/eV波长/nmSi1.171067对确定的半导体检测材料，只有波长小于截止波长的光才能被检测到，并且检测器的量子效率随着波长的变化而变化，这种特性被称做响应光谱。Si：C=1.06m，使用范围：0.5~1.0mGe：C=1.6m，使用范围：1.1~1.7mInGaAs：C=1.6m，使用范围：1.1~1.7m半导体材料的响应光谱7.4.2Materials综上所述，检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。Si―PIN光电二极管的波长响应范围为0.5～1μm，Ge―PIN和InGaAs―PIN光电二极管的波长响应范围约为1~1.7μm。7.4.3Current-VoltageCharacteristic电流—电压特性光电导区域光伏特区域光电二极管（V）光电二极管电流（uA）硅光电二极管的电流-电压特性曲线Current-VoltageCharacteristic光导电模式：在正向偏置条件下，输出电流与输入光功率成正比。（光检测器）光伏模式：在未加偏置电压时，入射光功率会产生一个正向电压。（太阳能电池）暗电流：在没有光功率的情况下，反向偏置的二极管内也有一个微小的反向电流存在。暗电流是由二极管内自由电荷载流子的热运动产生的。它影响接收机的信噪比。DarkCurrent暗电流暗电流是指光检测器上无光入射时的电流。温度越高，受温度激发的电子数量越多，暗电流越大。暗电流决定了能被检测到的最小光功率，也就是光电二极管的灵敏度。例7.6，估算一个响应度为0.5A/W，暗电流为1nA的PIN光电二极管的最小检测功率。PinWiP2由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。增加W可吸收更多的光子，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速度变慢。载流子在W区的漂移时间为drVWt式中dV是漂移速度，与反向偏置电压成正比。为了减小漂移时间，可增加施加的电压。7.4.4SpeedofResponse响应速度dC为结电容，由被绝缘的本征区隔开的P型半导体和N型半导体形成的电容。分析等效电路，其0~0.63%的上升时间即为dLCR(称为电路的时间常数)，则响应时间为：dLCRVWt19.2drSpeedofResponsePIN光电二极管的性能参数量子效率响应度ρ暗电流,表示无光照时出现的反向电流，它影响接收机的信噪比;响应速度,它表示对光信号的反应能力，常用对光脉冲响应的上升的时间表示;结电容(pF),它影响响应速度。雪崩光电二极管（APD）是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区。APD能提供内部增益工作速度高已广泛应用于光通信系统中7.5AvalanchePhotodiodes雪崩光电二极管APDAvalanchePhotodiodes•PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益•APD:利用电离碰撞,1个光子产生多对电子-空穴对,有增益•工作过程：入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)---------------------------与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流）吸收外电场加速AvalanchePhotodiodes增加了一个附加层，倍增区或增益区，以实现碰撞电离产生二次电子－空穴对。耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对的作用。平均雪崩增益通常用平均雪崩增益M来表示APD的倍增大小，M定义为PMIIM式中PI是初始的光生电流，MI是倍增后的总输出电流的平均值。M也与结上所加的反向偏压有关。增益与温度有关，温度升高使增益降低。Photomultiplier电流增益随反向偏置电压Vd的增加而增加：VBR为二极管的击穿电压,n是个大于1的经验参数。典型的APD的响应度在20A/W到80A/W之间。nBRdvvM11hfePMihfeM上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的10%到90%所需的时间。APD的响应速度（上升时间）受限于载流子的渡越时间和RC电路的时间常数。上升时间定义光检测器的噪声光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量。主要来自光电探测