（光学专业论文）雪崩光电二极管apd的特性与单光子探测研究.pdfVIP

摘要摘要量子通信是当今世界非常热门的一门前沿信息科学技术，它是密码学和量子力学相结合的产物，它的安全性由量子力学基本原理一一测不准原理和单量子态不可克隆定理所保证，因而越来越受到人们的重视。量子通信的基本要素主要包括单光子源、量子编码与量子信息的传输、单光子探测技术。15 5 0 n m 是光通信和量子通信的第三通信窗口，所以工作在1 5 5 0 n m 波长和较高温度下，用于光子计数的商用i n g a a s i n p 雪崩光电二极管在多个领域，尤其是在量子通信领域的应用，受到了特鄹的关注。目前探测单光子的理想器件为工作在盖革模式的雪崩光电二二极管( a p d ：a v a l a n c h ep h o t o d i o d e ) 。在盖革模式中，a p d 被脉冲偏置在高于雪崩电压的工作点，一旦有光子或热生成的载流子到达触发雪崩，就在电路中产生电流。电流脉冲的上升时间标志着光予的到达时间。为了保证器件的安全1 = 作，要求a p d 能自动终止雪崩，因此，要使用适当的外电路，无源或有源抑制电路来熄灭雪崩和恢复a p d 的偏置电压。本文对红外单光子探测技术进行了研究。首先介绍了光通信中常用的各种光电探测器的工作原理及结构特点，分析了它们各自的优缺点。其次，用无源抑制方式对单光子探测中常用的探测器件一一雪崩光电二极管( a p d ) 进行了电流及倍增特性研究，提出了一种利用无源抑制方法确定a p d 的暗电流雪崩电压的新方法，并测定了各神a p d 的雪崩电压参数。同时，把e g & g 公司的c 3 0 6 4 4 e ，c 3 0 6 4 5 ea p d 和e p i t a x y 公司的e t x4 0a p db as e r i e se t x 0 0 4 0 8 0 5 2 - 0 0 5 进行了比较，通过对其特性参数的分析，确定e p i t a x y 公司的a p d 具有良好的暗电流特性和探测灵敏度，适用于单光子探测。根据特性分析结果，我们选择e t x4 0a p db as e r i e se t x 0 0 4 0 8 0 5 2 0 0 5 进行了单光子计数实验，实验数据显示了单光子计数测量。随后，我们介绍了a p d 单光子探测器及其工作方式，在此基础卜设计出一种带门模式控制的无源有源抑制集成电路，并提出了一种门控设计方案。最后，我们对原来开发的水冷制冷腔进行了改进，设计出两套风冷制冷腔，为提高探测器系统的实用性和集成度作了充分的准备。对市售的雪崩光电二极管进行特性分析，为驱动电路设计提供了基础数据，有利于更好的确定单光子探测方案。同时，新开发的单光子探测外围集成电路及风冷制冷腔为提高探测器的安全性和灵敏度，实现器件的小型化创造了条件。关键词：量子通信；单光子探测；雪崩光电二二极管；半导体制冷；尤源抑制；有源抑制华南理工大学硕十学位论文a b s t r a c tq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ni sav e r yp o p u l a ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ew o r l dn o w a d a y s i ti st h ec o m b i n a t i o no fc r y p t o g r a p h ya n dq u a n t u mm e c h a n i c s i t ss e c u r i t yi sg u a r a n t e e db yt h ep r i n c i p l eo fq u a m t u mm e c h a n i c ss ot h e r eh a sb e e nac o n s i d e r a b l ei n t e r e s ta n dw i d e s p r e a dr e s e a r c he f f o r ti ni t q u a n t u mc o m m u n i c a t i o nd e p e n d sm a i n l yo ns i n g l e p h o t o ns o u r c e ，q u a n t n mc o d i n g ，t r a n s m i s s i o no fq u a n t u mi n f o r m a t i o na n ds i n g l e p h o t o nd e t e c t i o nt e c h n o l o g y 15 5 0 n mi st h et h i r dc o m m u n i t i o nw i n d o wf o ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dq u a n t u mc o m m u n i c a t i o n ，s oi n g a a s i n pa v a l a n c h ep h o t o d i o d ew o r k i n gi n15 5 0 n ma n dr o o mt e m p e r a t u r e ，u s e df o rp h o t o nc o u n t i n gi sg i v e ns p e c i a la t t e n t i o n ，e s p e c i a l l yi nt h ea p p l i c a t i o ni nq u a m t u mc o m m u n i c a t i o nf i e l d s a tp r e s e n tt h ei d e a ld e t e c t o rf o rs i n g l ep h o t o nd e t e c t i o ni sa v a l a n c h ep h o t o d i o d e ( a p d ) w o r k i n gi ng e i g e rm o d e ，w h i c ha p di sr e v e r s e b i a st oav o l t a g eju s tb e l o wt h eb r e a k d o w nv o l t a g ea n da ne l e c t r i cp u l s ei ss u p e r i m p o s e do nt h ed cb i a st oc a u s et h ev o l t a g ea b o v eb r e a k d o w n o n c et h ep h o t o no rt h e r m a lc a r r i e ra r r i v e sa v a l a n c h eb r e a k d o w nw i l lb et r i g g e r e da n dt h ec u r r e n tw i l lf l o wi nt h ec i r c u i t t h er i s e t i m eo ft h ec u r r e n tp u l s ei n d i c a t e st h ea r r i v a lo ft h ep h o t o n t h ea v a l a n c h eb r e a k d o w ns h o u l db es e l f - q u e n c h e dt op r o t e c tt h ea p d ，s oa p p r o p r i a t ec i r c u i t ，s u c ha sp a s s i v eq u e n c ha n da c t i v eq u e n c hc i r c u i ti su s e dt oq u e n c ha v a l a n c h ea n dr e s e tt h eb i a sv o l t a g eo f a p d t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ei n f r a r e ds i n g l ep h o t o nd e t e c t i o n f i r s t ，i ti n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fv a r i e dp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r su s e di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，a n a l y z e st h e i rm e r i t sa n dd e f e c t s s e c o n d l y ，i ts t u d i e st h ec u r r e n ta n dm u l t i p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa p dw i t hp a s s i v eq u e n c h i n gm e t h o d ，p u t sf o r w a r dan e wm e t h o dt og e tt h eb r e a k d o w nv o l t a g ea n du s e si tt od e t e r m i n eb r e a k d o w nv o l t a g ep a r a m e t e r so fs e v e r a la p d s a tt h es r i l l et i m e ，i tc o m p a r e sc 3 0 6 4 4 e ，c 3 0 6 4 5 ea p do fe g & ga n de t x4 0a p db as e r i e se t x 0 0 4 0 8 0 5 2 0 0 5o fe p i t a x y c o n c l u d e st h a te p i t a x ya p di sm o s tf i tt od e t e c ts i n g l ep h o t o n a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c s ，w ec h o o s ee p i t a x ya p dt od ot h es i n g l ep h o t o nc o u n t i n ge x p e r i m e n t ，t h er e s u l ts h o w ss i n g l ep h o t o nc o u n t i n gm e a s u r e m e n t t h e nw ei n t r o d u c es i n g l ep h o t o nd e t e c t o ra n di t sw o r k i n gm o d e ，a n dd e s i g na ni n t e g r a t e dp a s s i v e a c t i v eq u e n c h i n gc i r c u i tw i t hg a t ec o n t r 0 1 a tl a s t ，w ei m p r o v et h ew a t e r c o o l e da i r p r o o fc a v i t ya n dd e s i g nt w os e t so fw i n d - c o o l e da i r p r o o fc a v i t y t h e s ec o n t r i b u t et ot h el ia b s t r a c tp r a c t i c a b i l i t ya n di n t e g r a t e de x t e n to ft h ed e t e c t o rs y s t e m t h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fa p dh a so f f e r e dt h eb a s i cd a t af o rt h ed e s i g no fd r i v ec i r c u i t ，i tw i l lb eh e l p f u lt od e r t e m i n et h es c h e m eo fs i n g l ep h o t o nd e t e c t i o n m o r e o v e r ，t h en e w l yd e s i g n e di n t e g r a t e dd e t e c tc i r c u i ta n dt h ew i n d c o o l e da i r p r o o fc a v i t yc o n t r i b u t et oi m p r o v et h es e c u r i t ya n ds e n s i t i v i t yo ft h ed e t e c t o tk e yw o r d s ：q u a n t u mc o m m u n i c a t i o n ；s i n g l e p h o t o nd e t e c t i o n ：a v a l a n c h ep h o t o d i o d e ；t h e r m o e l e c t r i c i t yc o o l i n g ；p a s s i v eq u e n c h i n g , a c t i v eq u e n c h i n g1 i i华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：吕华日期：2 0 0 5 年6 月9 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。( 请在以上相应方框内打“4 ”)作者签名：导师签名：吕华矽鲂互日期：2 0 0 5 年6 月9 日日期：2 0 0 5 年6 月9 日第一章绪论1 1 研究背景第一章绪论随着信息科学和网络技术的迅速发展，人们对信息的需求越来越高，而现有信息系统的功能已接近于极限值。由于目前很多加密技术都是从复杂的数学入手，而数学的加密方法可能被数学方法攻破，加上计算技术的发展和破译能力的提高，破译能力提高的速度甚至超过了计算速度的提高。目前广泛用于保护数据的公约密码方法，公开密钥用于加密，秘密密钥用于解密，信息安全取决于所谓单向数学函数的存在。但这种方法的安全性并不能从数学上得到证明。事实上，美国政府认可的d e s 密码用了不长的时间就被破译了，取代d e s 的a e s 已经推出，但面临着同样的安全问题。因此，信息科学的进一步发展势必要借助于新的原理和方法，由于量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有的经典信息系统的极限，于是一门将量子力学应用于信息科学的新兴学科一一量子信息学便应运而生。该学科是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的态叠加原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学。量子保密通信是量子信息学的一个重要分支，它具有以下特点：1 ) 量子通信的信息传递可以不通过通信双方之间的空间，从而使通信丝毫不受通过通信双方之间的空间环境的影响，即它是完全抗干扰的；2 ) 量子通信的线路时延可以为零，即与通信双方的距离无关，从而它是最快的通信方式；3 ) 可以使第三方无法进行干扰和窃听，信息载体完全可以只保存于信息的双方处，因此它是保密性最强的通信方式；4 ) 不存在任何电磁辐射污染，它是完全环保型的。量子保密通信涉及了一个古老的关于传送密钥的问题，即如何在异地产生同步随机序列的问题。身处异地的双方首先需要有密钥，才能对数据加密和解密。而问题是如何传送密钥才能使密钥不致落入窃听者手中。在目前的量子保密通信中，量子码是由单光子的偏振或相位调制改变的量子态来表示的0 或1 的随机序列。这种密钥的形成过程为：a l i c e 发送方随机地用偏振或相位调制改变光子的状态，而收信方b o b 也随机地选择光子的偏振方向或相位来测量光子。量子力学确定一个量子态需要且仅需要两次测量，这种测量顺序是不可逆的。这样，根据协议，他们得到的结果是唯一的。若窃听者e v e 企图知道这一过程，他必然使量子态发生某种改变而使b o b 得到错误的结果而增加误码率。而密码是在确信无窃听，即误码率很低以后才确定的。这样一种密码形成过程确保了量子密码术是绝对安华南理：f 大学硕士学位论文全的密码技术。可见，安全的光通信可借助于物理加密的方法实现。量子密钥分配( q k d 或( ) u a n t u m k e yd i s t r i b u t i o n ) 是量子力学原理在确保信息安全、网络可靠性方面的应用。量予密码术使用单光子传递信息，量子码是用光予的量子态来表示的。任何测量或复制会使量子态发生不可逆的变化，这就使任何窃听的企图都会被立即发现。这是一种物理密钥交换技术。密钥交换是加密的基础。量子保密通信要解决的一个关键的问题是单光子探测的问题。如何把单光子信号检测出来，成为了国内外研究量子通信的主要课题之一。本文的主要任务就是研究工作于光纤通信长波段( 15 5 0 n m ) 的探测器a p d 的特性，确定各项工作参数，为设计出实用的单光子探测器做准备，同时，初步设计了单光子探测时进行雪崩抑制的外围电路和制冷系统。1 2 国内外研究现状和发展趋势量子密码术最早由美国科学家威斯纳于1 9 7 0 年提出m ，他设想利用单量子态来制造不可伪造的“电子钞票”。但这个设想的实现需要长时间保存单量子念，不太现实。直到1 9 8 4 年i b m 公司的b e n n e t t 和来自加拿大的g i l l e sb r a s s a r d 提出了第一个量子密码术方案，称为b b 8 4 协议，把单量子态用于传输信息，量子保密通信才找到了具体的实现方法【2 】。1 9 9 2 年，b e n n e t t 又提出一种更简单，但效率减半的方案，即b 9 2 协议。量子密码术并不用于传输密文，面是用于建立、传输密码本。根据量子力学的不确定性原理以及量子不可克隆定理，任何窃听者的存在都会被发现，从而保证了密码本的绝对安全，也就保证了加密信息的绝对安全。目前量子密码通信多使用光子的相位特性进行编码，这种编码方式与最初利用光子的偏振特性进行编码的方式相比。其好处在于对光的偏振态要求不那么苛亥8 。而光的偏振性会在长距离的光纤传输中退化，造成误码率的增加。近几年，量子密码术得到了迅速的发展，很快证明了量子密钥分配可以在几十公里的范围内实现，并且提出了很多种协议和密码传送方式。目前世界上研究量子保密通信取得代表性成就的有英国、瑞士和美国。英国b t 实验室主要研究用于银行的保密通信业务，他们用相位调制取代偏振调制，在正在进行常规光通信的传输线上完成量子通信，传输距离已经达到5 5 公里【4 l 。瑞士日内瓦大学在f i 内瓦湖底铺设的2 3 公里长民用光通信光缆中成功地进行了实用性实验，误码率为3 4 。同时，他们利用法拉第镜消除了光纤中的双折射等影响因素，大大提高了系统的稳定性和使用的方便性，被称为“即插即用”的量子密码方案【5 】。在美国，l o sa l a m o s 国家实验室的4 8 公里量子密钥系统已经成功地运行进入第三年了，他们采用类似英国的实验装置，以b 9 2 方案成功地在4 8 公里的地下光缆中传送量子密钥 6j ，同时，2第一章绪论i , o sa l a m o s 还在7 7 0 n m 波长上进行了量子密码的自由空间通信，他们致力于克服来自星空的巨大噪声背景和大气产生的光束晃动、散射等因素的影响，实现了与卫星之间的量子保密通信，其传输距离在白天可达1 公里，夜间可达1 8 公早f 7 】。另一方面，瑞典和日本合作，于1 9 9 9 年在光纤中成功地进行了4 0 公罩的量子密码通信实验 s l 。英国h e r i o t w a t t 大学和康宁研究中心也于2 0 0 1 年完成了量子码传输8 0 公里的实验，量子误码率为9 1 9 1 。国内开展量子保密通信研究比较早，始于1 9 8 5 年，理论研究方面处于世界前沿，在量子六态协议、量子码编码传输方式和量子克隆概率性质方面都有很多新的思想，但是在实验条件方面和实验技术方面相对较弱。科学院北京物理所是国内最早开展量子保密通信的单位，于1 9 9 5 年以b b 8 4 方案在国内首次做了演示性实验 1 0 l 。华东师范大学也用b 9 2 方案在距离较短的自由空间罩进行了实验m i 。1 9 9 6年中国科大( 北京) 研究生院信息安全国家重点实验室与北京物理所共同承担了中国科学院院长基金项目，于2 0 0 1 年采用相位调制b b 8 4 协议，完成了8 5 0 n m ，1 1 公里的量子密钥分发实验，有效数据传送速率3 b i t s ，误码率9 左右m 。虽然北京半导体所和上海技术物理所在研究雪崩光电二极管方面已有多年历史，但日前使用的雪崩光电二极管还是来自进口。随着国内经济发展，科研经费投入的增加，通过光纤传送的量子密码实验在几个单位都已经完成，但工作波长多在8 5 0 n m ，目前迫切需要开发可实用的，使用热电制冷的红外探测器，实现在光通信1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 波段的量子保密通信。1 3 本文的主要研究内容本项目研究量子码探测器控制驱动器，具体研究红外单光子探测器的控制驱动器。目标是研制用于市售的雪崩光电二极管的控制驱动器，以实现对红外单光予的探测。量子码是用单光子的量子态来表示的，所以实现单光子探测是量子密码术的基础和关键的技术。目前实现单光子探测从两方面入手，一是研究高灵敏度的红外探测元件。本项目从另一方面，即从探测器的控制驱动器入手，实现种门阈控制技术，使雪崩光电二极管工作于雪崩电压之上，开发其最高灵敏度。而且，只有在光子到达时工作电压才高于雪崩电压，从而使雪崩能自动终止。再采用阈值鉴别技术，用市售的铟镓砷雪崩光电二极管实现单光子探测。作为前期工作，我们首先对市售的雪崩光电二极管进行特性研究，确定其雪崩电压及倍增因子等参数，选择性能最优的a p d 作为单光子探测器件。同时，对单光子探测必需的外围抑制电路和制冷结构进行设计。主要研究内容如下：1 简单介绍光电探测器，对各种探测器特别是雪崩光电二极管的工作原理及其结构进行介绍。3华南理丁大学硕士学位论文2 研究雪崩光电二极管的工作特性，开发用无源抑制测试a p d 特性的方法。通过实验确定a p d 的电流和倍增特性，并用无源抑制的全新方法准确测定了a p d的雪崩电压。3 ，对同一一厂家不同型号的a p d ( e g & g 的c 3 0 6 4 4 e 和c 3 0 6 4 5 e ) 及不同厂家f e g & g 和e p i t a x y ) 的a p d 进行了比较，得出e p i t a x y 系列a p d 具有最优的噪声性能和探测特性。4 用e p i t a x ya p d 进行单光子计数实验，利用强衰减方案实现准单光子源，实验数据显示了单光子计数测量。5 简单介绍单光子探测器及其工作方式，在此基础上设计出一套带门控的无源有源混合抑制的a p d 外围控制电路，并开发出p c b 集成电路印刷板。6 介绍半导体制冷原理，开发单光子探测器常用的半导体制冷腔体结构。改进原有的水冷制冷结构，设计出两套风冷型制冷腔，通过改进散热器和腔体结构并利用热管提高散热效率，风冷系统已经能达到较好的效果。4第，：章光电探测器2 1 光电探测器简介第二章光电探测器光电探测器是光通信系统中的一个重要的基本单元。它的作用是把传送到接收端的光信号转换成电信号，然后进行进一步的放大和处理。通常把光电探测器分为两类；一类是根据外光电效应工作的，如我们熟悉的光电倍增管；一类是按内光电效应工作的，如半导体光电器件或固体光电器件。外光电效应和内光电效应统称为光电效应。光电效应的产生取决于入射光的波长或频率，而与入射光强无关。光波的波长越短，频率越高，则每个光子的能量就越大，于是就越容易产生光电效应。电真空器件中的光电管或光电倍增管是利用外光电效应工作的，即入射光子打在阴极材料上，将其内部电子轰击出来形成光电流，它随入射光强改变，从而可检测出光信号。而半导体光电器件( 包括光敏电阻，光电池，光电二极管，光电三极管，雪崩光电二极管等) 利用的却是内光电效应。内光电效应和外光电效应的区别就在于入射光子并不直接在光电材料中轰击出光电子，而只是将光电材料内部的电子从较低的能态激发到较高的能态，于是在低能态留下一个空位一空穴。而在高能态上产生一个能自由移动的电子，从而产生所谓光生电子空穴对。对这种情况，光生电子空穴对虽然仍在材料内部，但它改变了半导体光电材料的导电性能。如果设法检测出这种性能的改变，就可探测出光信号的变化。对于光通信系统来说，基于内光电效应的半导体光电探测器现在被广泛采用，对于其性能有严格的要求：第一，要求它对工作波长有较高的响应或灵敏度。也就是说，它应与光源的发射谱线相匹配。目前广泛使用的a 1 g a a s 激光器和发光二极管的发光区域在8 0 0 n m 9 0 0 n m 范围内，因此要求光电探测器在这一工作波长范围内有较高的灵敏度。但是，从光纤传输损耗小和色散小的角度看，更感兴趣的是1 1 0 0 n m 1 6 0 0 n m 这一光谱范围。光源目前已在朝这光谱范围发展，光电探测器也势必要朝该光谱区域方向发展。第二，探测器的带宽要宽，或者说其响应速度要快，以满足光通信系统传输的信息速率越来越高的要求。光通信的优点之一就是信息容量大，传输速率高。目前光通信系统的传输速率一般为几百兆比特，单模光纤通信的传输速率更已达几干兆比特。这就要求光电探测器要有足够快的响应速度，才能将信号提取出来。第三，要求光电探测器引入的附加噪声小。光信号经过长距离传输后到达接5华南理： 大学硕士学位论文收端，由于各种损耗，已经变得十分微弱，噪声已相对地比较大。因此噪声会对信号会产生重要的影响。接收端的任务，实际上就是从噪声中提取信号。我们希望由光电探测器引入的附加噪声越小越好，因为在光电转换过程中由探测器所引入的任何附加噪声，都必将会被探测器后面的放大线路进一步放大而不可能被消除，它严重地败坏了系统的性能。因此，作为接收系统最前端的光电探测器的噪声问题，就成为十分关键的问题。而要探测器的附加噪声小，就要求光电探测器的暗电流要小，泄漏电流小，以及并联电导小。另外，如果探测器本身具有内部增益( 如雪崩光电二极管a p d ) ，则要求这种增益的机理应当是尽可能无噪声的。第四，当周围环境改变时，要求探测器的性能特性比较稳定，不随环境条件的改变而变化。也就是说，要求探测器对外界环境不敏感。一般来说，光电探测器的性能，如灵敏度，噪声，内增益等，都是随着周围温度的变化而改变的。为了使探测器能稳定正常地工作，在许多应用中都加有温度补偿措施，如果探测器对外界环境不敏感，这种补偿措施则可以得到简化。除了上述要求外，对光电探测器还有其他一些要求：如对模拟光通信系统来说，希望探测器的线性要好，否则在解调信号时会b 1 起失真。对光纤通信系统来说，由于探测器前面和光纤相接，后面和放大器等电子线路相连，因此希望探测器光敏面的大小能和光纤相匹配，便于光纤和探测器之间的耦合；探测器的结构尺寸要小，便于封装；和后面电子线路的联结要方便。为了使用方便，还要求探测器的供电电源尽可能简单，电源电压尽可能低，电流尽可能小等。光电倍增管是一种重要的常用的光电探测器件，它在许多方面都能满足上述要求，在大气光通信系统和一些测量系统中，有人就采用光电倍增管作为探测器。但是，由于光电倍增管的体积比较大，所需的电源电压又比较高，所以它不适合作为光纤通信系统中的光电探测器。半导体光电探测器或固体光电探测器在性能咀及结构的紧凑性方面都比光电倍增管好，因此在光纤通信系统中被广泛地采用。比如，目前广泛使用的硅光电二极管，包括s i p i n 和s i a p d ，在8 5 0 n m 波长其灵敏度比较高，响应速度快，可达几百兆甚至更高，暗电流小，并联电导几乎可忽略，具有内增益的s i a p d 所引起的过剩噪声较小以及器件的长期稳定性方面都很吸引人。此外，硅光电二极管在结构尺寸上也可以做得很小，方便与光纤耦台以及同后面的电子线路接口，即使是硅雪崩光电二极管f s i a p d ) 所需要的供电电压也比较低。但硅光电探测器的响应波长局限在1 1 0 0 n m 以内，而从光纤损耗和色散角度来看，最适合传输信息的波长在1 3 0 0 n m 附近，因此，在长波长领域( 1 3 0 0 n m 1 6 0 0 n m ) ，常用的光电探测器为锗( g e ) 光电探测器和铟镓砷磷( i n g a a s p ) 光电探测器。下面着重介绍半导体光电探测器。6第一一章光电探测器2 2 光电探测器的工作原理半导体光电探测器覆盖了可见光波段、红外波段、远红外波段，有光电_ _ ：= = 极管、p i n 光电二极管、雪崩光电二极管和m s n ( 金属一半导体一金属) 光电探测器等不同的结构。半导体材料能够制成探测器的依据是：它能够吸收光能并把光变为电。半导体材料对光的吸收可分为以下五种机理：本征吸收、激子吸收、晶格振动吸收、杂质吸收和自由载流子吸收。无论是直接带隙半导体还是间接带隙半导体，都能制成光电探测器。光子能量较大( h y e 。) 时，将发生本征吸收，而能量大于能带同杂质能级之差( h y e c e 。或一e ，) 时，可观察到杂质吸收、自由载流予吸收。本征吸收、杂质吸收等是半导体吸收光的主要机制，从而构成光电探测器工作的基础。功率为巴的光入射到半导体材料内，传输一段距离后，由于上述吸收过程使得光功率下降，它遵从以下指数规律只( x ) = g o e 一，式中，只( x ) 为光传输段距离后在体内x 位置处的光功率。可见入射到半导体材料内的光功率会随着传输距离的增大而指数衰减，其指数项中的系数口为吸收系数。对于每种材料来说，在其本征吸收波长五。处，有一陡峭的吸收边：e 。= h y = ( 2 - 1 )l g五。：丝：1 2 4 ( 2 - 2 ) o2 6e g#当入射波长比兄。短时，会发生强烈的吸收，而波长比五。长时，材料不吸收其光子，即材料是透明的。换句话说，只要入射光的光子能量e 大于半导体材料的禁带宽度e ，就会发生光学吸收。因此，无论是直接带隙半导体材料( g a a s 、i n g a a s 等) 还是间接带隙半导体材料( s i 、g e 、s i g e 等) ，都能用来制备半导体光电探测器。2 2 1 光电二极管最早出现的光电二极管实质上是一个反向偏置的p n 结二极管。如图2 1 所示。在入射光的作用下，吸收区价带中的电子吸收入射光的能量并跃迁到导带中，产生电子一空穴对，形成自由载流予。p n 结在外加反向偏置电压的作用下有一耗尽层，具有一定的电场。自由载流子电子和空穴在电场的作用下会在耗尽层中漂移，分别向两端运动，而在扩散区中它们则作扩散运动，最终分别到达光电二极管的两个电极，这样在外回路上形成光电流，在负载上产生一定的压降，从而探测出光信号。这就是光电二级管能够探测光学信号的工作原理。在这里，反向7华南理工大学硕士学位论文偏压的作用是加强内电场和加宽耗尽层。入射光金属层l 一：斗ln + s i 0 2耗尽层图2 1 光电二极管的结构原理图和电场分布图f i g 2 一ls t r u c t u r ea n df i e l dd i s t r i b u t i o no fp h o t o d i o d e然面，由于扩散区中载流子的扩散运动速度较慢，大大影响了光信号的响应速度，因而简单的p n 结结构的光电二极管不能适应高频的应用。为了提高响应速度，方法之一是加大反向偏压，使耗尽层宽度加宽，使耗尽区和吸收区尽量一致。然而，增大反向偏压是很有限的，最好的方法是减少图2 1 中n 区的掺杂浓度，使该区几乎达到本征半导体的情况，这就是下面讲到的p i n 光电探测器。2 2 2p i n 光电二极管探测器如上所述，为了使普通光电二极管在量子效率和响应速度上都趋于理想的程度，需要加宽耗尽层，为了实现这个目的，在p + 和n + 区之间加入一一低掺杂的i区，如图2 2 所示，由于不掺杂或掺杂浓度很低，材料接近本征，外加反向偏置电压时，整个i 区都为耗尽层。在耗尽层中的电场作用下，光生载流子电子和空穴会很快地扫过耗尽层，并分别到达p + 区和n + 区，从而在外电路上形成光电流，其响应速度得到大大的提高mj 。如果入射到半导体表面的光功率为昂，入射面的反射率为r ，那么表面处的透射率为l r ，入射进半导体的实际功率为= p o ( 1 一r ，) 。如果耗尽层的宽度为w ，则入射光传输到达w 处时的光功率变为瑞e 一，被半导体材料吸收了的功率为：p ( w ) = 只o ( 1 一e - ”)( 2 3 )因此，入射光进入半导体材料传输一段距离w 之后，吸收所产生的光电流，为：1 p ：p 掣：_ e 最( 1 - e - 一) ( 1 一r ，)( 2 4 )以r仃y式中，p 为电子电荷，h v 为光子能量。从上式看出，光电二极管的光电流，。与入8负我电阻第二章光电探测器射光功率r 成正比，光电流，。会随着入射光功率最的变化而变化。所以，我们可以通过测量光电流，。的变化和大小来探测光信号r 的强弱。lp + jih + 图2 2p i n 光电二极管的结构原理图和电场分布图f i g 2 - 2s t r u c t u r ea n df i e l dd i s t r i b u t i o no fp i n限制p i n 光探测器响应速度的主要因素有：载流子横跨耗尽层的漂移时间；载流子从非耗尽层区扩散所需时间；对p i n 本身的电容和其它寄生电容的充、放电时间；具有异质结构的p i n 在异质结界面处存在的电荷积累。其中载流子的渡越时间的影响是主要的，它取决于本征区的宽度缈和载流子的漂移速度v 。如果本征区太宽，光生载流子在该区的渡越时间t ，= w v 较长而影响响应速度；如果本征区太窄，又会使光的吸收区超出本征区，而本征区以外的区域不能产生有用的光电流。载流子的漂移速度受到本征区内电场强度的控制。对硅来说，当电场强度e 5 1 0 5 v c m ) 下而不发生隧道击穿。鉴于这种a p d 的吸收区( i 型i n g a a s ) 和增益区( n 型l n p ) 采用了不同的材料，因此称为分别吸收和倍增雪崩光电二极管( s a ma p d ) ，对于i n p 材料，a 1 。此外，为了获得高的量子效率，尽可能减小入射光子在半导体表面的反射是很重要的。在半导体表面涂覆上一层合适的抗反射膜，可以大大增加空气与半导体界面的透过率。实际的光电二极管中，常用响应度r 来表征单位入射光功率所产生的光电流，它等于入射光所产生的光电流除以入射光的光功率：r o = i p 异= e 叩h v = e r 2 加( 3 3 )其中h 为普朗克常数，y 是光子频率。当波长 以微米为单位时，h v ：1 2 4 2 f e v l 。因此，响应度的一个方便的表达式是：r o = 祝1 2 4( 3 - 4 )对于雪崩光电二极管而言，由于雪崩倍增效应的作用，获得了m 倍的放大，因此雪崩光电二极管的响应度为：r u = m ! = m r o( 3 - 5 )量子效率叩和响应度r 是光电探测器的两个重要特性，对材料不同的光电二极管，其响应度也不同。如s i 在短波段响应度较高，而长波段理想的探测器材料1 4第三章雪崩光电二极管特性研究则为i n g a a s ，因此，要根据不同的探测波段选择响应的探测器材料。当波长一定时，响应度r 为一固定值，表明量子效率叩与入射光功率无关，因而光电流的大小与入射光功率大小成正比，入射光功率变化，探测到的光电流也相应地变化，从而可以通过测定光电流来探测光信号的变化。3 1 2 暗电流光电二极管中，没有光照时，在半导体内部，由于热电子发射等原因也会产生自由载流子电子和空穴，它们在电场的作用下也会产生电流，这种无光照时在电路上流动的电流称之为暗电流。暗电流作为噪声，对光探测是不利的，应尽量减小。一般而言，光电二极管的暗电流由本体暗电流和表面漏电流两部分组成。前者是由光电二极管p n 结中热生成的电子和空穴日1 起的。后者则同表面缺陷，清洁度，偏置电压大小，表面面积等参数有关。雪崩光电二极管中，因热释放出来的载流予同样受到p n 结处高电场的加速，因而也有倍增作用。值得注意的是，雪崩倍增是一种体效应，故表面漏电流同倍增无关。通过采用保护环结构，使表面漏电流通过保护环分流，可以有效地减小表面暗电流。i n g a a s i n g a a s p i n ps a m g a p d 的暗电流分为四部分组成：扩散电流，产生复合电流j 。，表面漏电流j ，和隧道电流，。即：1 ，叫( 丁d n n p o + 竽) ( e - q e k w - 1 )l hl d。卅学+ 学)( 3 6 )i 。= a j q m n j 2 r，。= 一j 1 爿j 譬。s 。埘。仁母警卅篙，ld = l f + ig 七is 七i ( 3 7 )f 3 8 )( 3 9 )( 3 1 0 )上式中，q 为电子电荷，a ，为光敏面积，v 为外加偏压，e 。为i n p 禁带宽度，m +为电子有效质量，d 、d ，、上。、l ，分别为电子和空穴的扩散系数和扩散长度，聆咿p , o 分别为i n p 的p + 区及n 区的少子浓度，n 。为i n p 材料的本征浓度，r 为少1 5华南理工大学硕十学位论文于寿命，。为耗尽区宽度，品为表面复合速度，丁为绝对温度，h 为普朗克常数。卜式中，r 、l 与外加偏压无关，与电压关系呈无关。t 、随外加偏压增大而增大。当a p d 的反向偏压接近雪崩电压的时候，隧道电流将比较大，甚至远远超过其它三种暗电流成分之和 t6 1 。3 1 3 雪崩倍增因子ma p d 的倍增因子m 定义为，m = j pf 3 1 1 1o其中易是a p d 的输出平均信号电流，i o 是平均一次信号电流。在a p d 中由于不可避免地伴随着噪声，倍增因子是在一个平均值上发生着随机起伏的量，上式的定义应理解为统计平均倍增因子。我们可以通过以下的速率方程来求得a p d 的倍增系数。每e 邓np 埘一警一”风这里i 。和i 口分别为电子电流和空穴电流，口和为电子和空穴的碰撞离化系数，它表示一个初始的载流子沿电场作用的方向移动单位距离所产生的二次电予一空穴对数。在a p d 的增益区内，总电流i = l a x ) + i k ( z ) 应该保持不变，则式( 3 1 1 ) 变为上f i - l e = ( 口+ ) f 。一( 3 1 3 )一般情况下，若增益区内的电场均匀，则口和与x 无关，如果再假设口 口，考虑到雪崩过程是在厚度为d 的增益区上x = 0 处开始，可以利用边界条件丘埘) ：0和l 。( d ) = i ，则由( 3 - 1 2 ) 式可以得到倍增因子的表示式m ：塑：1 8 旺f 。( o ) e x p - ( a 一) d 】_ f l a可见，a p d 的倍增因子与碰撞电离系数的比值f l a 有很大关系参加碰撞电离倍增过程时，= 0 ，这时m = e x p ( a d )因此a p d 的倍增因子随d 按指数增加。( 1 一( 口一) d ) 代替e x p 一( 口一) d 】，得至0 ：m ：l1 一c t d1 6( 3 1 4 1当只有电予f 3 - 15 1如果t 2 “，可以在式( 3 - 1 3 ) 中用r 3 1 6 1第三章雪崩光电一极管特性研究在耐= 1 时此公式失效，称为雪崩失效条件。尽管在口和相近的情况下u 以以很窄的增益区厚度获得较高的增益因子，但是在口和较接近的情况下a p d 的响应带宽将大大减小，并且噪声很高，所以实际应用中采用口 或 口的情况，即使只有一种载流子发生雪崩过程，从而制成性能较好的a p d 。3 1 。4 过剩噪声对一个性能良好的光接收机而言，要求有尽可能高的接收灵敏度或尽可能低的最小可探测功率( 即达到误码率为1 0 。9 时所需的最小入射光功率) 。对于p i n光探测器，影响其探测灵敏度的主要噪声源是来自于跟随其后的放大器的热噪声。而在具有内部增益的a p d 中，光接收机不再受外部放大器热噪声的限制，所以光生载流子的雪崩倍增作用成为了提高灵敏度的一个有效途径。图3 1 示出了p i n和a p d 探测灵敏度与调制速率关系的比较，因总的噪声随着调制速率( 带宽) 的增加而增加，所以灵敏度随调制带宽增加而减小。由于雪崩过程具有随机特性，光生载流子倍增过程中因增益的随机起伏产生了一种超过原来只有散粒噪声得到放大的噪声水平，这称为过剩噪声m 】。数据事( 撕m 自)图3 - 1p i n 与a p d 的探测灵敏度比较f i g 3 - lc o m p a r i s o no fd e t e c ts e n s i t i v i t yo fp i na n da p d过剩噪声与空穴和电子的离化率之比k = d ( 或电子和空穴的离化率之比k = 口卢) 密切相关。若注入雪崩区的初始光电流为而，则经过倍增后的电流中散粒噪声谱密度为。熹 = 2 e i o = 2 e l o m ：f ( m o )( 3 - 1 7 )叫其中f 表示噪声频率， 表示倍增后的均方电流， 是内部增益的均方值，e 为电子电荷，m 。= 表示平均增益。f ( m 。) = i m ：称为过剩噪声1 7华南理工大学硕士学何论文吲子，它表示相对无倍增情况由雪崩倍增所引起的噪声性能的退化程度，是表征a p d 噪声特性的一个重要参数。它取决于p n 结的形状和器件的特