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1、光检测器作用(zuyng)光检测器的作用是：检测出入(chr)射在其上的光功率，并把这个光功率的变化转换成为相应变化的电流。光检测器件质量的优劣在很大程度上决定了光接收机灵敏度的高低。从损耗的角度出发，光接从损耗的角度出发，光接收机灵敏度和光源器件的收机灵敏度和光源器件的发光功率发光功率(gngl)、光纤、光纤的损耗三者一起便决定了的损耗三者一起便决定了光纤通信的传输距离。光纤通信的传输距离。第1页/共25页第一页，共26页。光纤通信(un xin tn xn)对光检测器的要求响应度(量子(lingz)效率)高;响应度是指输入单位光功率信号时光响应度是指输入单位光功率信号时光(shgung)检
2、测检测器所产生的电流值。因为从光纤传输来的光信号十分器所产生的电流值。因为从光纤传输来的光信号十分微弱，仅有毫微瓦（微弱，仅有毫微瓦（nw）数量级，要想从中检测出通）数量级，要想从中检测出通信信息，光检测器必须具有很高的响应度，即必须具信信息，光检测器必须具有很高的响应度，即必须具有很高的光有很高的光/电转换效率电转换效率。 v噪声低 ;光检测器在工作时会产生一些附加噪声如暗电流光检测器在工作时会产生一些附加噪声如暗电流噪声、雪崩噪声等。这些噪声如果很大，就会附噪声、雪崩噪声等。这些噪声如果很大，就会附加在只有毫微瓦数量级的微弱光信号上，降低了加在只有毫微瓦数量级的微弱光信号上，降低了光接收机
3、的灵敏度。光接收机的灵敏度。 v工作电压低 ;与光源器件不同，光检测器是工作在反向偏置与光源器件不同，光检测器是工作在反向偏置状态。有一类光检测器件状态。有一类光检测器件APD，必须处在接近，必须处在接近反向击穿状态才能很好的工作，因此需要较高反向击穿状态才能很好的工作，因此需要较高的工作电压（的工作电压（100伏以上）。工作电压过高伏以上）。工作电压过高,会给会给使用带来不便。使用带来不便。 v体积小、重量轻、寿命长 。由于光检测器的光敏面（接收光的面积）一般都可由于光检测器的光敏面（接收光的面积）一般都可以做到大于光纤的纤芯，所以从光纤传输来的光信以做到大于光纤的纤芯，所以从光纤传输来的光
4、信号基本上可以全部被光检测器件接收，故不存在与号基本上可以全部被光检测器件接收，故不存在与光纤的耦合效率问题。光纤的耦合效率问题。 第2页/共25页第二页，共26页。不同(b tn)材料的吸收系数第3页/共25页第三页，共26页。光检测器种类(zhngli)PIN光电二极管光电二极管1APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管2第4页/共25页第四页，共26页。PIN光电二极管 结构 工作原理(yunl) 性能参数 特点及应用第5页/共25页第五页，共26页。雪崩(xubng)光电二极管APD 结构 工作原理(yunl) 性能参数 特点及应用第6页/共25页第六页，共26页。光检测器的比较(bjio)
5、（1）参数参数符号符号单位单位SiGeInGaAs波长范围波长范围 nm4001100800165011001700响应度响应度RA/W0.40.60.40.50.750.95暗电流暗电流IDnA110505000.52.0上升时间上升时间 rns0.51.00.10.50.050.5带宽带宽BGHz0.30.70.53.01.02.0偏置电压偏置电压VBV55105SiSi、GeGe、InGaAs pinInGaAs pin光电二极管的通用工作特性光电二极管的通用工作特性光电二极管的通用工作特性光电二极管的通用工作特性(txng)(txng)参参参参数数数数第7页/共25页第七页，共26页。
6、光检测器的比较(bjio)（2）参数参数符号符号单位单位SiGeInGaAs波长范围波长范围 nm4001100800165011001700雪崩增益雪崩增益M20400502001040暗电流暗电流IDnA0.11505001050M=10上升时间上升时间 rns0.120.50.80.10.5增益带宽增益带宽积积MBGHz10040021020250偏置电压偏置电压VBV15040020402030SiSi、GeGe、InGaAs InGaAs 雪崩光电二极管的通用雪崩光电二极管的通用雪崩光电二极管的通用雪崩光电二极管的通用(tngyng)(tngyng)工作特工作特工作特工作特性参数性参
7、数性参数性参数第8页/共25页第八页，共26页。光检测器的比较光检测器的比较(bjio)（3）在短距离的应用中，工作在850nm的Si器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。在长距离的链路常常(chngchng)需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。APD检测器与PIN检测器相比，具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。第9页/共25页第九页，共26页。 光检测器的作用与要求(yoqi) 两种典型的光检测器 PIN光电二极管 雪崩光电二极管APD 光接收机 第10页/共25页第十页，共26页。
8、小结小结(xioji) 光电检测过程的基本机制是光吸收。 探测器 响应的波长取决于它们的成分。 雪崩光电二极管是具有( jyu)内置放大器的高速探测器。第11页/共25页第十一页，共26页。PIN的结构( jigu)第12页/共25页第十二页，共26页。PIN光电二极管的特性(txng) 响应(xingyng)度R；响应(xingyng)时间；结电容；暗电流。第13页/共25页第十三页，共26页。响应度响应度R（量子（量子(lingz)效率）效率） 入射光功率Pin中含有大量(dling)光子，能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比称为量子效率 。Ip=RPinR=Ip/Pin =/1.24
9、 (A/W)第14页/共25页第十四页，共26页。 PIN光电二极管的响应时间主要是由光生载流子在耗尽层的渡越时间和包括PIN光电二极管的结电容Cd在内的检测电路的RC常数所决定( judng)的。耗尽层的宽度必须取量适中。其值大固然能提高光电二极管的量子效率，但会使光生载流子的渡越时间增长，影响其频率特性，使之难以在高码速率时使用。 PIN光电二极管的响应时间一般在1ns左右。响应响应(xingyng)时间时间第15页/共25页第十五页，共26页。结电容Cd也是PIN光电二极管的重要(zhngyo)参数。一方面它影响PIN光电二极管的响应时间，另一方面它对光接收机的灵敏度有重要(zhngyo
10、)影响。结电容越小越好，一般为几个pf。结电容结电容Cd第16页/共25页第十六页，共26页。暗电流是PIN光电二极管附加噪声的主要来源。它由两部分组成，一是由构成PIN光电二极管材料的能带结构决定的体电流，二是制造工艺过程所产生的泄露电流。 PIN光电二极管的暗电流一般在几个毫微安以下(yxi)。由于PIN光电二极管没有倍增效应，加上暗电流较小，本身产生的附加噪声很低，所以对光接收机灵敏度产生的影响并不显著。暗电流暗电流第17页/共25页第十七页，共26页。第18页/共25页第十八页，共26页。PIN的特点(tdin)及应用J优点：附加噪声小、工作电压低、工作寿命长、使用方便和价格便宜。J缺
11、点(qudin)：没有倍增效应，因而用它作的接收机灵敏度不高。J应用：较短距离的光纤通信。（小容量与大容量皆可）第19页/共25页第十九页，共26页。APD的结构( jigu)第20页/共25页第二十页，共26页。 G=IM/IP 式中：式中：IM是有雪崩时光是有雪崩时光(shgung)电流的平均值；电流的平均值；IP是无雪崩时光是无雪崩时光(shgung)电流的电流的平均值。平均值。 从定义可见，倍增因子是从定义可见，倍增因子是APD的电流增益系数。由于雪崩倍增过程是一个随机过程，因而的电流增益系数。由于雪崩倍增过程是一个随机过程，因而倍增因子是在一个平均之上随机起伏的量，式中定义应理解为统
12、计平均倍增因子。倍增因子是在一个平均之上随机起伏的量，式中定义应理解为统计平均倍增因子。雪崩(xubng)倍增因子G APD的特性(txng)参数v噪声因子噪声因子 作为一种光检测器件，作为一种光检测器件，APDAPD也具有一些和也具有一些和PINPIN相类似相类似的通用特性参数，如响应度、响应时间、结电容和的通用特性参数，如响应度、响应时间、结电容和暗电流等，其物理意义完全相同。暗电流等，其物理意义完全相同。 在高电场区在高电场区发生的碰撞电离效应是一个随机过程，而我们发生的碰撞电离效应是一个随机过程，而我们只能用其平均效应即平均增益只能用其平均效应即平均增益G来描述来描述APD光二极管的倍
13、增性光二极管的倍增性能。倍增效应的起伏性就使能。倍增效应的起伏性就使APD光电二极管产生了一种特光电二极管产生了一种特殊的噪声殊的噪声 雪崩噪声。在实际使用中经常使用如下近似公雪崩噪声。在实际使用中经常使用如下近似公式：式： F(G)G 其中：其中： 叫做叫做APD的噪声指数因子，其大小随的噪声指数因子，其大小随APD的组的组成材料而异，也与其结构形式、工艺水平有一定关系。成材料而异，也与其结构形式、工艺水平有一定关系。 第21页/共25页第二十一页，共26页。APD特性(txng)第22页/共25页第二十二页，共26页。APD雪崩光电二极管的特点(tdin)及应用J优点：具有放大效应，由它制
14、成的光接收机具有很高灵敏度，可大大增加系统的传输距离。J缺点：产生了雪崩(xubng)噪声。J应用：大容量、长距离的光纤通信。第23页/共25页第二十三页，共26页。思 考 题量子效率的定义及提高量子效率的措施是什么？ 1PIN光电二极管=90%，=1.3m，计算该器件在1.3m的响应度以及当入射光功率为-37dBm时的光电流。2第24页/共25页第二十四页，共26页。谢谢大家(dji)观赏！第25页/共25页第二十五页，共26页。内容(nirng)总结光检测器作用。光检测器在工作时会产生一些附加噪声如暗电流噪声、雪崩噪声等。有一类光检测器件APD，必须处在接近反向击穿状态才能很好的工作，因此需要较高的工作电压（100伏以上）。体积小、重量轻、寿命长。Si、Ge、InGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数。一方面它影响PIN光电二极管的响应时间，另一方面它对光(du gung)接收机的灵敏度有重要影响。优点：附加噪声小、工作电压低、工作寿命长、使用方便和价格便宜。思 考 题第二十六页，共26页。
