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1、 7.1 1 第 7章 光 检测器 7.1 2 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 3 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 7.1 光检测原理 7.1 4 重要的检测器属性 1. 响应度 : 输入光功率输出电流P i 光功率 光检测器 电流 /i AWP (7.1) 7.1 光检测原理 7.1 5 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
2、响应曲线来表示 7.1 光检测原理 0.5 0.7 0.9 1.1 0.5 (m) ( / )AW硅光二极管谱响应 0 7.1 6 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： rdB tf35.03 (7.2) P i 10% 90% tr 输入 输出 7.1 光检测原理 7.1 7 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 光检测原理 7.2 8 7.2 光电倍增器 真空二极管 光照到阴极，电子逸出； 电子在强电场下加速向阳极运动； 运动 中电路产生电流； 到达阳极电流消失 7.2 10 功函
3、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 7.2 光电倍增器 因此，入射光子的频率必须满足： hc(7.3) hf hc 7.2 11 能够检测的最长波长成为截止波长，公式为： 24.1(7.4) 其中 c 以 m为单位， 以 eV为单位，对于检测，我们需要： hcc 或 24.1c7.2 光电倍增器 7.2 12 例：考虑铯元素，其功函数 = 1.9 eV。 计算截止波长 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 光电倍增器 = 1.241.9 = 0.65m 7.2 13 计算： 真空二
4、极管的响应度 。 令 h为量子效率，定义为： 入射光子数发射电子数h7.2 光电倍增器 秒光子) 光子/能量 ()每秒/能量 ( hfP 每秒钟产生的电子hfPhihf Pe 秒电子电子库伦h输入光功率输出电流 7.2 15 因此电流为： (7.6) (7.7) 该结果对所有的光电检测器都适用 hcehfePi hh hfPei h响应度为： 7.2 光电倍增器 7.2 16 (7.8) 对于光电二极管电路，输出电压为： 或 Pi 一般情况下，我们有： 7.2 光电倍增器 = = = hfPei h计算： 二极管的输出电压 v： 结论： 1. 检测电流与光功率成正比 ， 光功率与信息的电流成正
5、 比 ， 因此 接收器的电流与输入信息电流成正比 2. 对于接收器而言 ， 检测器的作用就像电流源 7.2 18 例：当 = 0.8 m， h = 1%时，（ 1） 计算 响应 度；（ 2） 当输入功率为 1 W，负载电容 RL = 50 时，计算输出电压 解 ：（ 1） 由 (7.7)式： 6 . 4 /m A W 1 9 63 4 8( 1 . 6 1 0 ) ( 0 . 0 1 ) ( 0 . 8 1 0 ) 0 . 0 0 6 4 /( 6 . 6 2 6 1 0 ) ( 3 1 0 )e AWhch 7.2 光电倍增器 （ 2） 3 6 9(6 . 4 1 0 ) ( 1 0 ) 6
6、 . 4 1 0 6 . 4i P A n A 9(6 . 4 1 0 ) ( 5 0 ) 3 2 0Lv i R n V 7.2 19 93(6 . 4 1 0 ) ( 5 0 1 0 ) 3 2 0 0 . 3 2v V m V 改变 RL 到 50K 然后重新计算输出电压 7.2 光电倍增器 即使负载电阻 RL 上升到 50K ，输出的电压才仅有 0.32mV一般电路中能将电路噪声降低到 3mV，已经是 非常好了，因此输出的信号必定会淹没在浩瀚的噪声中。 解决方法：光电倍增管。 7.2 20 阴极 阳极 倍增电极 i 光电倍增器 (PMT) ( V 100V) RL 1000V 100V
7、 200V 300V 400V 二次发射电子 V - + v + - 7.2 光电倍增器 7.2 21 快速移动的电子撞击金属倍增电极，导致其释放出额外的电子（二次发射电子），每个倍增电极的典型增益值为 2到 6。 令： = 每电极的增益 N = 电极的数量 则总增益为： 电流为： 7.2 光电倍增器 (7.10) = (7.9) = 7.2 22 例： 7.2 光电倍增器 令电极数 N=9， =5，试求总增益 M = 59 = 1.96106 2百万 7.3 23 7.3 半导体光电二极管 i hf RL v 反向偏置 p n hf VB + - 7.3 24 p n hf + + + +
8、+ + + + + - - - - - - - - - - - + - hf Wg 结区 反向偏置光电二极管 电子能量 E 7.3 半导体光电二极管 7.3 25 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 半导体光电二极管 7.3 26 真空二极管中的结论依然适用： 检测条件由功函数变为了带隙能量： hfePi hfePi gWhf hWf g7.3 半导体光电二极管 7.3 27 在截止波长有： gc W24.1其中 Wg 单位为 eV， c 单位为 m 只有波长 c的光能被检测到 (7.11) gcc Wchh
9、f gc Whc或者： 7.3 半导体光电二极管 例：计算硅的截止波长 ， 硅的带隙能量为 Wg = 1.1 eV mc 1.11.1 24.1 7.3 28 0.5 0.7 0.9 1.1 0.5 ( m ) /AW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 0.9m） 7.3 半导体光电二极管 7.3 29 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 mc 85.167.0 24.1 锗探测器对所有的光纤窗口都适用 7.3 半导体光电二极管 7.3 30 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近结区的 n区和
10、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 。 7.3 半导体光电二极管 p n hf E 7.3 31 对于 pn结型光电二极管，模拟 3dB带宽典型值为 tr = 1 s 63 60 . 3 5 0 . 3 5 0 . 3 5 1 0 3 5 010dB rf k H zt 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 半导体光电二极管 7.4 32 7.4 PIN型光
11、电二极管 hf p n + - E i 本 征层 PIN 光电二极管 薄层 V + - RL v 7.4 33 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 7.4 PIN型光电二极管 7.4 34 7.4.1 截止波长 对于检测器，工作条件是光子能量必须必带隙能量要高 gWhf hWf g在截止波长上，有 gc W24.1(7.11) hWc gcgc Whc或 7.4 35 7.4.2 材料 材料 波长范围 (m) 峰值 响应波长 (m) 硅 0.3 1.1
12、 0.8 0.5 锗 0.5 1.8 1.55 0.7 InGaAs 1.0 1.7 1.7 1.1 峰值 响应度 (A/W) PIN型光电二极管 7.4 36 硅光电二极管 7.4.3 电流 -电压特性 7.4 37 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 7.4.3 电流 -电压特性 典型的暗电流值 硅 2 nA InGaAs 50 nA 锗 500 nA 7.4 38 vd + - id 光电二极管电路 n V + - RL v p
13、7.4.3 电流 -电压特性 7.4 39 例：根据的 vd id曲线，计算响应度 解： 当 P = 20 W， id = -10 A 所以 10 0 .5 /20di AWP 7.4.3 电流 -电压特性 7.4 40 nWnWnA nAiP 4/5.0 2 可以检测的最小光功率为 4 nW 例：在前面例子中，令 ID = 2 nA，那么最小可检测的光功率是多少？ 解：我们需要 i = 2 nA 作为最小检测电流 P7.4.3 电流 -电压特性 7.4 41 硅 光电二极管电路 分析： 7.4.3 电流 -电压特性 回路方程为： VB + vd + id RL = 0 7.4 43 如果 AR VivLBdd 201020,06 工作点应该在负载曲线和特性曲线的交叉点上，在本例中，光功率的范围是 0到 40W，光照超过 40 W 则接收器饱和，响应呈现非线性并且响应时间增加 VVvi Bdd 20,0 7.4.3 电流 -电压特性 设 VB = 20 V， RL = 1M 7.4 44 输出特性曲线如下图所示： 饱和区 线性区域
