ch5-光探测器原理及其系统性能-----光电下变频器原理与性能ppt课件

第五章 光探测器原理及其系统性能 光电下变频器原理与性能 几句话 光信号经光纤传输到目的端，需要下变频至电频信号。 将光频信号下变频至电频信号的器件-光电探测器。 光电探测器属于强度检测器件 基于包络检波原理，将光波承载的电信号包络检测出来，完成下变频的 功能。 电信号的包络检波方式多种多样： 无源的有二极管检波；有源的有三极管、运放等； 还有单向检波、桥式检波、同步检波等等。 光频段的包络检波如何实现？ 几句话 联系到： 光本振：注入电流产生激光； 探测器：注入激光产生电流？ 引出可以推测： 探测器的工作原理和激光器恰好是相反的 探测器的基本原理： 吸收激光，输出电流。 主要内容 光探测器的结构与基本特性 非线性 高带宽、大饱和功率探测器 主要内容 光探测器的结构与基本特性 非线性 高带宽、大饱和功率探测器 光探测器的结构与基本特性 典型的通信用光电探测器结构有： PIN APD PIN光电探测器 PIN是P型和N型半导体中间夹着一层掺杂很轻的本征半导体(I型半导体 ) 典型的双异质结结双异质结结构。构。 PIN光电探测器 光电探测器施加反向电压，因而势垒升高 I区厚度较大，大多数光 生载流子集中在该区。 载流子在该区强电场作 用下，电子向N区漂移 ，空穴向P区漂移，流 到外电路中产生光电 流。 在I区（空间电荷区）载 流子基本耗尽，因此I又 称为耗尽区。 2013/10/4 PIN光电二极管工作原理 此动画为PIN光电二极管工作原理动画。 光电探测器的主要性能指标 响应波(频)段 光子能量低于禁带宽度Eg ，无光电效应存在截止频率（最低频率）或 截止波长（最长波长）。 hEg， c=hc/Eg =1.24/Eg 光子能量(频率)过高，材料的吸收系数很大，结果使大量的入射光子在光 电二极管的表面层就被吸收。 半导体光电二极管的响应波长：min=2eIpB，B是放大器的带宽 当暗电流Id的存在不可忽略时，均方散粒噪声电流为 =2e(Ip+Id )B 光电探测器的主要性能指标:噪声 均方热噪声电流 =4kTB/R，R是负载电阻与放大器输入电阻的并联（ =RLRi ）。 因此，光电探测器的总均方噪声电流为： =2e(Ip+Id )B + 4kTB/R 光电探测器的主要性能指标:噪声 PIN的特点 优点： 噪声小、工作电压低（仅十几伏）、工作寿命长，使用方便和价格便 宜。 缺点： 没有倍增效应。即在同样大小入射光的作用下仅产生较小的光电流，所 以用它做成的光接收机之灵敏度不高；PIN光电二极管只能用于较短距离 的光纤通信（小容量与大容量皆可）。 PIN光电探测器的使用 电阻越大，输出信号大，信噪比高。 但电阻大，输入端RC时间常数加大，3dB带宽减小。 3dB带宽=1/(2RiCt) Ct :输入端的总电容；Ri:等效到输入端的电阻。 光探测器的结构 典型的通信用光电探测器结构有： PIN APD 雪崩光电二极管APD: avalanche photodiode APD的工作原理也是基于光电效应。 PIN光电二极管的1个光子只产生一对电子-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，因此， APD不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其内部放大作用 是靠管子内部的雪崩倍增效应而完成的。 入射光一对电子-空穴对(一次光生电流) 与晶格碰撞电离，产生雪崩增益 多对电子-空穴对(二次光生电流） 吸收外电场加速 雪崩光电二极管APD: avalanche photodiode APD可看成一个二级器件： 第一级是一个PIN光电二极管，光在其中产生一次光生载流子； 第二级是一个基于雪崩增益的内置放大级，在高电场作用下，载流子近似雪崩（几十 200伏的偏置电压）。 第一级：耗尽层仍为I 层，起产生一次电子 空穴对的作用。 第二级：增加了一个附加层 ：高电场区(增益区)，以实 现碰撞电离产生二次电子 空穴对。 N+ P P+ 电场 E 高电场区耗尽区 + - 雪崩区 雪崩电离需要 的最小电场 APD的场分布动画：由于高电场区的雪崩电离，外电路形成倍增的光生电流。 雪崩光电二极管APD: avalanche photodiode APD特征参数：倍增因子 除了PIN的特性参数必须考虑外，还必须考虑: （1）倍增因子 雪崩增益的整个过程都是随机的，倍增因子G是个平均量。 平均雪崩增益倍增因子：G=IM/Ip Ip：雪崩之前的初始光生电流，IM：雪崩增益后输出的平均光 生电流。 APD的倍增因子G在40100之间。 PIN光电管因无雪崩倍增作用，所以G=1。 APD特征参数：倍增因子 G V VB(击穿电压) Rs是APD串联电阻或APD的体电 阻；n是材料的结构系数，一般 为36。 对应地，APD响应度有 APD特征参数：过剩噪声/附加噪声 PIN光电二极管的噪声主要是量子噪声和暗电流噪声，APD管还 有过剩噪声。 雪崩过程的复杂随机性对噪声电流同样也起放大作用（每个 光生载流子不会经历相同的倍增过程，具有随机性，这将导致倍 增增益的波动），使得总噪声增加，这种随机性的电流起伏将带 来附加噪声，一般称为过剩噪声/附加噪声。 过剩噪声可以用过剩噪声系数F(G)来描述。 APD特征参数：过剩噪声/附加噪声 是均方值，表示的是功率，所以噪声功率 =F(G)G2。 G有一个最佳值，此时信噪比最高。在工程上，为简化计算，常用过剩噪 声指数x表示过剩噪声系数 符号“”表示平均值 g是每个载流子产生倍增的随机 倍增数，因此=G； 对于Si光电二极管：x=0.30.5； Ge光电二极管：x=0.81.0； InGaAs的APD：x=0.50.7。 主要内容 光探测器的结构与基本特性 非线性 高带宽、大饱和功率探测器 探测器中的非线性 在大功率入射的情况下，探测器的响应度R出现非线性效应：R受 入射光功率的影响。 总的说来，探测器的非线性没有激光器、调制器的非线性效应大 ，因此探测器的非线性效应一般都被忽略。 但是当激光器、调制器的非线性得到补偿后，为了进一步减少系 统的非线性，就必须考虑探测器的非线性效应了。 特别是大饱和功率探测器的出现，它们的非线性效应不能忽视。 探测器的非线性特点： 物理原因多； 非线性的补偿需要有针对性。 探测器中的非线性 载流子传送产生的相关效应 对于模拟光纤链路，大功率的激光有利于链路RF效率的提高和SFDR的改 善。这时探测器的线性度就必须考虑。 大功率激光照射下，高速探测器出现饱和效应。 饱和的原因： 吸收饱和； 本征区空间电荷产生电场屏蔽效应。 在外部电路和几何效应影响下，会进一步恶化。 探测器中的非线性 严重的吸收饱和来源于：带填充 效应。 电子和空穴对作为电子和空穴对作为费米子费米子，填充在，填充在 每一个量子态上，必须遵循每一个量子态上，必须遵循泡利不泡利不 相容原理相容原理。因此半导体带中的。因此半导体带中的每个每个 态态只能被只能被两两个自旋方向相反的载流个自旋方向相反的载流 子占据。子占据。 根据能量最小原理，根据能量最小原理，准平衡下准平衡下的载的载 流子首先从带的流子首先从带的底部底部占据的可能的占据的可能的 态，因此能量最低的态最先占据。态，因此能量最低的态最先占据。 这样靠近带底部的态被电子占据，这样靠近带底部的态被电子占据， 价带顶部的态被空穴占据。价带顶部的态被空穴占据。 对于InGaAs材料，这对应着电子浓 度超过21017cm-3，空穴浓度超过 1018cm-3。 探测器中的非线性 探测器中的非线性 电场屏蔽效应电场屏蔽效应 假设半导体中有限个电子被从价带激励到导带，这些被激励的载流子之假设半导体中有限个电子被从价带激励到导带，这些被激励的载流子之 间存在屏蔽作用：间存在屏蔽作用： 屏蔽屏蔽处在同一带内载流子的处在同一带内载流子的库仑作用库仑作用 屏蔽屏蔽不同带间电子空穴的不同带间电子空穴的相互作用相互作用 屏蔽的理解：一个电荷的库仑势因存在其他电荷的存在而减少。这是光屏蔽的理解：一个电荷的库仑势因存在其他电荷的存在而减少。这是光 学非线性的一个来源。学非线性的一个来源。 由于载流子密度取决于入射光强，因此材料的响应是光学非线性的。由于载流子密度取决于入射光强，因此材料的响应是光学非线性的。 探测器中的非线性 空间电荷屏 蔽效应所对 应的载流子 浓度要比带 填充所需要 的载流子浓 度低几个量 级。 非屏蔽的库仑势 屏蔽势 探测器中的非线性 电路效应： 外部电路的屏蔽效应主要来源于探测器结区外面的串接电阻。 例如50负载，10mA的光电流可以导致本征区0.5V电压的下降。 这种下降随着光电流的增加而增加。 探测器中的非线性 外加电场的屏蔽效应 对于光电二极管，为了加速光生载流子的渡越，本征区的电场相当高。 当光生载流子流量很高时，电子空穴的分离所产生的电场将屏蔽外加 电场。 本征区内部电场的重新分布（伴随着空间相关的空穴和电子速度分布）将导致探测 器的非线性。 结果产生谐波畸变；当光强继续升高，会影响到基频信号。 为避免这种效应，可以给探测器施加较高的反向偏压。 探测器中的非线性 非均匀的屏蔽效应： PIN非线性的一个来源 当光生空穴和电子对达到一定浓度，能够部分地屏蔽偏置电场，导致同 一截面上产生的载流子速度严重的不一致： 探测器处在一种饱和状态，非线性畸变严重。 探测器中的非线性 RF频率5GHz，平均光电流1mA下，非线性和反向偏压的关系：实验结果 探测器中的非线性 RF频率5GHz，反向偏压5V，非线性畸变和平均光电流的关系：理论和实验 探测器中的非线性 三种探测器的最大饱和电流与3dB截止频率之间的关系 探测器中的非线性 几何效应： 探测器中的非线性 主要内容 光探测器的结构与基本特性 非线性 高带宽、大饱和功率探测器 宽带、高饱和功率光电探测器（1） 部分耗尽吸收区光电探测器(PDA-PD) 传统的PIN中，光生电子-空穴对产生在I区，电子和空穴各自向相反的方向移 动到达电极，在外电路中产生光电流。电子的速度远大于空穴的速度，速度 不匹配导致了耗尽层中电荷的不平衡，这将引起空间电荷效应。 在PDA-PD中，为了达到电荷平衡，在I区两侧加入P型掺杂和N型掺杂的吸收 区：P型吸收区向I区中注入电子，N型吸收区向I区注入空穴。I区两侧吸收区 厚度的不同可以控制注入的电子流比空穴流强。 这种探测器在48GHz带宽下，可以获得24mA的饱和输出电流；在300MHz情 况下，饱和电流可高达430mA