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1、第4章光检测器和光接收器,光检测器的工作原理 光检测器的特性参数 光 接 收 机 光收发合一模块 光纤通信技术的回顾和展望,4.1 光检测器的工作原理光检测器的作用是将接收到的光信号转换成电流信号。其工作过程的基本机理是光的吸收，见第1章1.1节。当能量超过禁带宽度Eg的光子入射到半导体材料上时，每一个光子若被半导体材料吸收将会产生一个电子-空穴对，如果此时在半导体材料上加上电场，电子-空穴对就会在半导体材料中渡越，形成光电流。图4.1.1说明了光检测器的工作原理。图4.1.1 光检测器的工作原理左侧入射的信号光透过P区进入耗尽区，当PN结上加反向偏置电压时，耗尽区内受激吸收生成的电子-空穴对
2、分别在电场的作用下做漂移运动，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，从而在外电路形成了随光信号变化的光生电流信号。耗尽区的宽度由反向电压的大小决定。符号P表示重掺杂区。,4.1.1 PIN光检测器 PIN光检测器也称为PIN光电二极管，在此，PIN的意义是表明半导体材料的结构，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，如图4.1.2所示。,图4.1.2 PIN光电二极管 在图4.1.1中，入射光从P+区进入后，不仅在耗尽区被吸收，在耗尽区外也被吸收，它们形成了光生电流中的扩散分量，如P+区的电子先扩散到耗尽区的左边界，然后通过耗尽区才能到达N区，同样，
3、N区的空穴也是要扩散到耗尽区的右边界后才能通过耗尽区到达P+区。我们将耗尽区中光生电流称为漂移分量，它的传送时间主要取决于耗尽区宽度。显然扩散电流分量的传送要比漂移电流分量所需时间长，结果使光检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，由此产生的时延将影响光检测器的响应速度。设耗尽区宽度为w，载流子在耗尽区的漂移时间可由下式计算，即,（4.1.1）,是载流子的漂移速度；,如果耗尽区的宽度较窄，大多数光子尚未被耗尽区吸收，便已经到达了N区，而在这部分区域，电场很小，无法将电子和空穴分开，所以导致了量子效率比较低。,的典型值为100ps。,实际上，PN结耗尽区可等效成电容，它的大小与耗尽区宽度的关系如下：
4、（4.1.2） 式中， 是半导体的介电常数；A是耗尽区的截面积。Cd的典型值为12pF。可见，耗尽区宽度w越窄，结电容越大，电路的RC时间常数也越大，不利于高速数据传输。 考虑到漂移时间和结电容效应，光电二极管的带宽可以表示成 （4.1.3） 式中，RL是负载电阻。 由上述分析可知，增加耗尽区宽度是非常有必要的。 由图4.1.2可见，I区的宽度远大于P+区和N区宽度，所以在I区有更多的光子被吸收，从而增加了量子效率；同时，扩散电流却很小。PIN光检测器反向偏压可以取较小的值，因为其耗尽区厚度基本上是由I区的宽度决定的。 当然，I区的宽度也不是越宽越好，由式（4.1.1）和式（4.1.3）可知，
5、宽度w越大，载流子在耗尽区的漂移时间就越长，对带宽的限制也就越大，故需综合考虑。由于不同半导体材料对不同波长的光吸收系数不同，所以本征区的宽度选取也各不相同。例如Si PIN光吸收系数比InGaAs PIN小两个数量级，所以它的本征区宽度大约是40m，而InGaAs PIN本征区宽度大约是4m。这也决定了两种不同材料制成的光检测器带宽和使用的光波段范围不同，Si PIN用于850nm波段，InGaAs PIN则用于1310nm和1550nm波段。,与PIN光检测器比较起来，光电流在器件内部就得到了放大，从而避免了由外部电子线路放大光电流所带来的噪声。我们从统计平均的角度设一个光子产生M个载流子
6、，它等于APD光电二极管雪崩后输出的光电流IM与未倍增时的初始光电流IP的比值 （4.1.4） 式中，M称为倍增因子。倍增因子与载流子的电离率有关，电离率是指载流子在漂移的单位距离内平均产生的电子-空穴对数。电子电离率与空穴电离率是不相同的，分别 用 和表示，它们与反向偏置电压、耗尽区宽度、掺杂浓度等因素有关，记为 （4.1.5） 式中，kA为电离系数，它是光检测器性能的一种度量。对M的影响可由下式给出，即 （4.1.6） 当时，仅有电子参与雪崩过程， ， 增益随w指数增长；当 且 时，由式（4.1.6）可得，出现雪崩击穿。通常，M值的范围在10500之间。 APD光电二极管出现雪崩击穿是因为
7、所加的反向偏置电压过大，考虑到M与反向偏置电压之间的密切关系，常用经验公式描述它们的关系，即 （4.1.7） 式中，n是与温度有关的特性指数，n = 2.57；VBR是雪崩击穿电压，对于不同的半导体材料，该值从70200V不等；V为反向偏置电压，一般取其为VBR的80%90%。APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，以免损坏器件。,4.2 光检测器的特性参数 4.2.1 光检测器性能参数 1量子效率 入射光（功率为Pin）中含有大量光子，能转换为光生电流的光子数和入射的总光子数之比称为量子效率，它的计算由下式给出，即 （4.2.1） 式中，q为电子电荷（1.61019C）；IP为产
8、生的光电流；h为普朗克常数；v为光子的频率。量子效率的范围在50%90%之间。 2响应度 光检测器的光电流与入射光功率之比称为响应度，有 （4.2.2） 响应度的单位是A/W。该特性表明光检测器将光信号转换为电信号的效率。R的典型值范围是0.51.0A/W。例如，Si光检测器在波长为900nm时，R值是0.65 A/W；Ge光检测器的R值是0.45 A/W（1300 nm时）；InGaAs在波长为1300nm和1550nm时，响应度分别是0.9 A/W和1.0 A/W。 对于给定的波长，响应度是一个常数，但是当考虑的波长范围较大时，它就不是常数了。随着入射光波长的增加，入射光子的能量越来越小，
9、如果小于禁带宽度时，响应度会在截止波长处迅速下降。 响应度与量子效率的关系为 （4.2.3） 考虑到APD光检测器的雪崩效应，它的响应度可表示为 （4.2.4） APD光检测器的响应度在0.75130之间。,3响应光谱 为了产生光生载流子，入射光子的能量必须大于光检测器材料的禁带宽度，即满足条件 （4.2.5） 常用半导体材料的禁带宽度和对应波长见表4.1。 表4.1 常用半导体材料的禁带宽度和对应波长,式（4.2.5）也可以表示成 （4.2.6） 式中，c称为截止波长。也就是说，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，并且探测器的量子效率随着波长的变化而变化，这种特性被
10、称做响应光谱。所以光检测器不具有通用性，各种材料的响应光谱不同。常用的光电半导体材料有Si，Ge，InGaAs，InGaAsP，GaAsP等，图4.2.1示出了几种材料的响应光谱。 图4.2.1 半导体材料的响应光谱,4响应时间 响应时间是用来反映光检测器对瞬变或高速调制光信号响应能力的参数。如前所述，它主要受以下三个因素的影响：耗尽区的光载流子的渡越时间；耗尽区外产生的光载流子的扩散时间； 光电二极管及与其相关的电路的RC时间常数。 响应时间可以用光检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示。当光电二极管的结电容比较小时，上升时间和下降时间较短且比较一致；当光电二极管的结电容比较大时，响应时间
11、会受到负载电阻与结电容所构成的RC时间常数的限制，上升时间和下降时间都较长。 一般光检测器的产品技术指标中给出的是上升时间，对于PIN管而言，通常上升时间tr 1ns；对于APD管而言，该值小于0.5 ns。 光检测器的带宽与上升时间成反比，它们的关系可表示为 （4.2.7） 5暗电流 暗电流是指光检测器上无光入射时的电流。虽然没有入射光，但是在一定温度下，外部的热能可以在耗尽区内产生一些自由电荷，这些电荷在反向偏置电压的作用下流动，形成了暗电流。显然，温度越高，受温度激发的电子数量越多，暗电流越大。对于PIN管，设温度为T1时的暗电流为Id(T1)，当温度上升到T2时则有 （4.2.8） 式
12、中，C是经验常数，Si光电二极管的C值为8。 暗电流最终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。 根据所选用半导体材料的不同，暗电流的变化范围在0.1500 nA之间。,4.2.2 光检测器的噪声 光检测器的噪声是限制光纤通信系统接收机灵敏度的关键因素，其噪声源有以下几种。 1散粒噪声 式（4.2.2）说明，如果入射光功率是一恒定值，光生电流就是一个常量。而实际上，光生电流是一个随机变量，它围绕着某一平均统计值而起伏，这种起伏称做散粒噪声的电流起伏is(t)。考虑散粒噪声电流的影响后，光电二极管中的光生电流表示为 （4.2.9） 式中，IP为平均电流。散粒噪声可以用均方散粒噪声
13、电流表示，即 （4.2.10） 式中，B是带宽，它与我们的考察点有关，如果考察点在光电二极管的输出端，则B为光电二极管的带宽；如果考察点在光检测器后的判决电路端，则B为接收机的带宽。需要说明的是，式（4.2.9）已经考虑了暗电流的影响。 对于雪崩光电二极管，散粒噪声受到了雪崩效应的影响，其计算公式为 （4.2.11） 式中，FA称为过剩噪声指数，它由下面的公式计算，即 （4.2.12） 式中，kA是电离系数，它与选用的半导体材料有关，对于Si，kA为0.03；对于Ge，kA为0.8；对于InGaAs，kA为0.5。 式（4.2.12）表明，为了得到较小的过剩噪声指数，就需要有较小的电离系数，这
14、就是为什么用Si材料制作的APD性能要优于其他材料制作的APD的原因。 当电离过程仅仅是由电子引起的时候， h = 0，kA = 0，此时FA的极限值为2。 散粒噪声属于白噪声，为了降低它的影响，通常在判决电路之前使用低通滤波器，使得信道的带宽变窄。,2热噪声 温度变化导致的瞬间电子数目围绕其平均值的起伏称为热噪声。热噪声由均方热噪声电流表示，即 （4.2.13） 式中，kB为玻耳兹曼常数（1.381023J/K）；T为热力学温度；RL为负载电阻。式（4.2.13）适用于PIN和APD光检测器。 31/f噪声 除了散粒噪声和热噪声以外，光电二极管还存在1/f噪声，顾名思义，该噪声与频率成反比，
15、一般而言，它的影响只在低频范围内，当信号的调制频率大于100MHz时，就可以忽略它对光电二极管输出信号的作用了。 综上所述，光电二极管总的噪声电流均方值可以表示为 （4.2.14） 在实际使用中，噪声也可以用单位带宽的电流均方根表示，对于散粒噪声，有 （4.2.15）,图4.2.2 PIN光电二极管（深圳飞通光电股份有限公司提供）,4.2.3 光检测器产品介绍 1PIN产品及参数 PIN光电二极管具有较好的光电转换线性度、响应速度快、不需要高的工作电压等优点，得到了广泛的应用。图4.2.2为PIN管的外形图。表4.2为其性能指标。,表4.2 长波长PIN管性能指标（深圳飞通光电股份有限公司提供）,表4.2中的饱和光功率决定了光电流作为光功率的线性关系的最大功率值。当入射光功率比较大时，光生电流不再与输入功率成正比，而是呈饱和趋势，式（4.2.2）不再成立。光敏面直径则决定了光电二极管的激活区，当光从光纤耦合到光电二极管必须考虑该参数的作用，应选择合适的透镜系统，使得光电二极管的感光区达到最大光覆盖。制造商在很多产品中已经解决了光纤到光电二极管的耦合问题，如图4.2.2所示的带有尾纤的产品。电容的数值依赖于所加的反向偏
