光子学第七章光的检测课件

光子学第七章光的检测半导体光电二极管噪声问题光源起伏的噪声12/28/20221光通信系统光通信系统 包括四个部分：光发射机；光纤传输线路；再生中 继或光放大器；光接收机.检测器与光接收机本章重点内容光-电-光中继器经光纤传输之后，尚未到达终端则用中继器.光-电-光中继器是：光电检测器转换成电信号=>电放大器经时钟恢复、放大、整形=>送入激光二极管=>光信号=>光纤.光放大器

90年代发明了光的放大器，因此经光纤传输之后衰弱了的光信号不必经光-电-光再生中继器，直接用光纤放大器放大之后继续进入光纤再传输.全光中继电器目前研究中．12/28/20222半导体光电二极管半导体光电二极管的基本原理：

1当光照到半导体PN结上时，被吸收的光能转变成电能。

2这一转变过程是一个吸收过程，与发光二极管的自发辐射过程和激光二极管的受激辐射过程相反。半导体光电器件的两种工作状态：

1二极管上不加电压，利用PN结在受光照时产生正向电压的原理，把光电二极管用作光致发电器件，这种器件称为光电池。

2当二极管上加有反向电压时，管中的反向电流将随照强度和光波长的改变而改变。

半导体光电二极管的类型：

1PN结型光电二极管（PD）

2PIN结型光电二极管

3雪崩型光电二极管（APD）12/28/2022312/28/20225PN结型光电二极管图(a)表示在热平衡状态、无光照射时,PN结的能带图。 在PN结区(耗尽层),N区的电子向P区扩散形成内建电场,

上图表示接触电势的分布,下图表示能带图，平衡态时 费米能级是共同的。图(b)表示在光照射下,开路时，PN结区厚度变薄与费米能级分裂。费米能级之差(EFC-EFV)等于PN结的能量位垒。这个位垒约束多数载流子进入耗尽层。当PN结受到能量大于禁带宽度Eg的光照射时，其价带中的电子在吸收光能后将跃迁到导带成为自由电子，同时在价带中留下自由空穴。这些由光照产生的自由电子和自由空穴统称为光生载流子。12/28/20226PN结型光电二极管

理想二极管中电压与电流的关系为：

---饱和电流,V---外电路施加给二级管的电压当二极管被光照射,吸收光子而形成电子--空穴对,当外电路施加电压时,就形成光电流。其中为光感应而生的电流,---量子效率,P---入射光强度,A---二极管光敏面积,q---载流子电荷(对于电子q=-e,对于空穴q=e)12/28/2022712/28/20228PN结光电二极管的二种工作状态

(1).零偏置工作状态

1).开路电压状态 光电流趋向于零，在PN结二端 形成开路电压，这个电压与光照强度关系不大。

2).短路电流状态 结电压接近于零，从图(d)看出 负载线几乎与垂直轴的负支重合。因此，光电流随入 射光的强度变化成正的变化。经常利用这种工作状态 制作光度计。PN结型光电二极管12/28/202210RLViPD短路电流法制造的光功率计RL50~100当RL即成开路电压法，这个电压趋向PN结电压。PV12/28/202212PIN结型光电二极管为何要研制PIN结型光电二极管？对于光纤通信系统的光探测器往往要求响应时间小于

10-11s，而PN结型光电二极管的响应时间只能达到10-7s，

无法满足要求。为此研制了PIN结型光电二极管。

PIN结型光电二极管的结构：

PIN结型是对PN结型的修正,主要不同在于PN之间插入一个本征半导体区(intrinsicregion)将耗尽区一分为二,

中间隔着很宽的本征区。这样大大扩展了耗尽的厚度,

使PIN二极管的结电容比PN二极管小很多,则PIN的动态响应频率就要高得多。12/28/202214PIN结型光电二极管PIN管芯的构造见下图(a)PIN内部电荷分布以及能带结构见下图(b)（a）（b）12/28/202215APD型光电二极管为何要研制APD型光电二极管(avalanchephotodiode)

普通光电二极管产生的电流很微弱，必须进行放大和处理。但用前置电子放大器进行放大时，又会引入放大器的噪声。为了克服这种缺点，采用具有内部光增益的光电二极管来增大输出电流，于是发明了雪崩型光电二极管。APD型光电二极管的管芯构造如下图所示：

12/28/202216APD型光电二极管APD型光电二极管的工作原理：

当在光电二极管上加高的反向电压，使其耗尽区内的电场强度大于105V/cm时，电子经过高场区的漂移之后形成高能电子,它在导带n耗尽区碰撞形成二次电子,同时在价带形成空穴---二级的电子—空穴对。 这些新的电子—空穴对又由于碰撞游离而产生更多新的电子—空穴对，形成雪崩现象，从而使流过二极管的光电流成十倍地增加。当外加反向电压接近击穿电压时,雪崩增益可达100左右。12/28/202217APD型光电二极管APD管的特性曲线：(右图)12/28/202218半导体光电管的性能光电二极管的主要参数 和性能包括：伏安特性、暗电流、 光电流、光谱响应特性量子效率、光电灵敏度、 噪声特性。伏安特性光电二极管的伏安特性如右图所示：12/28/202220光电二极管的伏安特性由图可见，无光照时，光电二极管同一般晶体二极管一样。受光照射时，光电二极管的伏安特性曲线将沿电流轴向下平移，平移的幅度与光照强度的变化成正比。光电二极管作为光探测器时，应工作在第三象限。 在反向偏置(-Vb)下,可从偏置点画出负载线RL,负载 线与光照下各伏安特性曲线的交点表示在此条件下输出的电流和电压值。反向电流随入射光照度增强而增大。在入射光照度一定的条件下，光电二极管相当于一个恒流源。这是光电二极管最一般的用法。12/28/202221暗电流

1.暗电流=反向饱和电流+复合电流+表面漏电流+热电流。

2.暗电流越小越好。管子性能稳定、噪声低、检测灵敏度低。

3.PN与PIN光电二极管反向偏置电压小于50V，暗电流小于10nA；

4.雪崩型光电二极管偏置电压小于100V，暗电流小于10nA。半导体光电管的性能12/28/202223半导体光电管的性能光电流光电流基本上随光功率的增强而线性地增大。光电二极管的光电流与光功率的斜率越大越好，即响应度R越大越好，R的单位为光电流的估计用响应度乘光功率即12/28/202224

右图为硅的光谱响应曲线 1.硅光电二极管的长波限为1.1μm； 2.短波限为0.4μm；峰值波长为0.9μm。在长波长(1.3/1.55μm)窗口， 硅光电二极管的光电灵敏度便急剧下降，因此采用Ge及GaAs、InP等三五族化合物半导体材料。半导体光电管的性能12/28/202226量子效率：单位时间内，光电管产生的电子—空穴对数与入射的光子数之比。光电响应度R：在给定波长的入射光照射下，输入单位光功率时光电二极管所输出的光电流的值。光电响应度可用下式估算：

响应(时间)带宽

●光接收机的光电检测器的频响决定于接收机的宽B，必须选取结电容足够小的光电器件。

●目前响应时间最快的PIN器件己达ps

量级,最高响应频率可达50GHz。半导体光电管的性能12/28/202227

噪声特性

●表征噪声水平的主要参数

1).信噪比（S/N），2).噪声当量功率（NEP）。

●噪声当量功率：光照射到器件上，并使器件的信噪比S/N=1时的入射光功率。

●PN型和PIN型光电二极管的主要噪声源是暗电流所引起的散粒噪声。

●雪崩型光电二极管的主要噪声源是雪崩光电流所引起的散粒噪声。雪崩器件的噪声是比较大。

●一般硅雪崩二极管的NEP值约为10-13；

PIN结型二极管为10-11；PN结型二极管为10-9

半导体光电管的性能12/28/202228当光注入PD二极管时，设注入的光子数为n,按平均计算，

--光电二极管的量子效率，A---光电二极管的光敏面积

--“检波功率”即实际转换为电流的功率小结：单位时间产生的平均电子—空穴对数等于单位时间内检测到的有效光子的平均数。量子(Shot)噪声

12/28/202230量子噪声若用PD作N次探测,在理想的条件(PD不产生暗电流)下，进行N次测量,每次测到的光电子—空穴对数为

即使光功率为已知，也不可能准确地预测出光功率入射在检测器上时，能产生多少电子—空穴对，这种现象所产生的噪声称为------量子噪声。下面用具体的例子来说明量子噪声如何限制光接收机的性能。12/28/202231假设一数字通信系统，光接收机由PD管和前置(电)放大器构成,传送二进制的1码与0码。1码时传输的光能量为Ed（焦耳），0码时即无信号能量为0。,假定发射机的消光比为无限大，接收机中PD的暗电流为0，都是理想状态的，在0码时，PD不产生电子—空穴对。当注入光脉冲为1码信号时，前置放大器输出“传号”,在无光脉冲时(0码)，前置放大器应无输出—“空号”。这样,唯一产生误码的可能性是在接收机中有光脉冲能量为Ed的1码,但是不产生电子—空穴对,即电子—空穴对数ne=0。出现这种情况的几率可以用下式表示：量子噪声

12/28/202232最小可探测光子数

式中--注入的“检波功率”,--时间间隔T内检波的光能量误码率 取几率PE=10-9,则对应的Ed=21

。即如果包含在光信号中的平均光子数为21，则仅仅在10-9的时间内，可能不产生电子—空穴对而造成误码。量子噪声

12/28/202233光检测到的最小的平均功率：每个光脉冲信号中平均检测的能量乘以光脉冲的码率B’并除以2。对PE=10-9，最小可检测的功率为：

若光信号λ=1550nm，光子能量hc/=1.2810-19(W/Hz),B’=10Gbits/s，则有：Pmin=1.3510-8W或-48.7dBm。这就是检测10Gbits/s的光数字信号时，在误码率小于10-9的条件下，检测到数字光脉冲信号的量子极限。实际的光接收机的灵敏度比量子极限大约高10dB。量子噪声

12/28/202234粒子数相位测不准关系测不准关系式：由测不准关系式得出如下结论：

光的粒子数与光波的相位不能同时测准。当粒子数的不确定性太小时，就会导至光的相位探测的偏差太大(或误码率、噪声等太大)。在光检测中,噪声对测量的限制是具有其量子本源的，无法超越。12/28/202235光电二极管的信噪比计算入射于光电二极管的光场可以表示为：(m为调制度)----调制信号的园频率，ω----光载波的园频率,光信号产生的光电流正比于e2(t)即：取m=0得光载波产生的平均光电流(直流)：12/28/202236则输出电流(基波)信号：取m=1，光信号电流分量的平均值可表示为光电二极管的信噪比计算12/28/202237光电二极管的信噪比计算噪声电流有下列几项：1.量子散粒(Shot)噪声●量子(散粒)噪声的均方电流值可表示为：

取的直流项，并取m=1代入得：

●若光电二极管接收光信号P时,还混入背景光，其光功率为Pb，则它也将产生量子噪声，于是有：

12/28/202238光电二极管的信噪比计算2.暗电流噪声

光电二极管存在暗电流，故有：3.负载电阻RL的热噪声：

B---电路带宽

---RL的环境温度与前置放大器的等效噪声温度之和若环境温度为290K，则有前置放大器的噪声系数用F(dB)或F’表示,等效噪声温度TA与噪声系数F’的关系为

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光电二极管的测量光信号在放大器输出端的信号噪声比表示为：

●若输入的信号光强度和背景光不太强，则在上述三项 噪声中，量子（散粒）噪声是最小的。

●选用合适的光电二极管，其暗电流Id可做到小于nA

的量级，此时最主要的噪声多为热噪声。于是信噪比 简化为：光电二极管的信噪比计算12/28/202240例：设计一个PN结型光电二极管接收机。该系统的要求：（1）数据码率：1.25Gbits/s；光波长λ=1550nm（2）接收端的误码率小于10-9，背景光辐射Pb可略去不计。（3）PN结光电二极管：响应度R=0.7(A/W)，量子效率=0.6,Cd=2pf,Id≈0。（4）接在PN光电二极管之后的前置放大器的噪