光纤通信光电检测器[详细]

1、1,3.1 光电检测器,光接收机的构成 光电二极管（PD） 雪崩光电二极管,2,1. 数字光接收机的组成,3,2、光电二极管（PD）,1） PD的工作原理,原理: 光电效应 -受激吸收过程 入射光子的能量大于禁带宽度, 光子被吸收, 产生电子空穴对. 电子空穴对在电场的作用下定向运动,形成光电流.,h Eg 或 hc / Eg,PIN能带图,耗尽区,4,定义： 为光电二极管的上截止波长。 Si材料的PD：1.06 m Ge 或InGaAs材料：1.61.7 m 当入射波长太短时，光电转换效率会下降。 Si材料的PD：0.51.0 m Ge 或InGaAs材料：1.11.6 m,2） PD的工作

2、特性,a) 波长响应范围,吸收的光功率： P(x) = P(0) 1 e-()x,5,(b) 光电转换效率,量子效率: 定义为单位时间内产生的光生电子空穴对数与单位时间入射的总光子数之比。 响应度: 定义为光生电流与入射光功率之比。,Ip = (e0/h) p0 (1 R) exp (-w1) 1- exp (-w),= ( A / W ), = = (1 R) exp (-w1) 1- exp (-w),6,光子吸收示意图,Ip =(e0/hv)p0(1-R)exp(-w1)1-exp(- w),w1,w,(表面层),(耗尽层),7,提高量子效率需要采取以下措施：,减小入射表面的反射率 增加

3、耗尽区宽度, 减小零电场区的厚度（采用PIN结构）,在PN结光电二极管基础上加以改进，在PN结中间加上接近本征半导体的I层(轻掺杂的N区)，形成PIN结构（见图3.1.3）。P和N层都很薄，因此光电二极管吸收光的区域基本上在耗尽区。,8,不同材料光电二极管的响应度曲线,9,(c) 响应速度 响应速度通常用响应时间表示。 响应时间为光电二极管对矩形光脉 冲的上升或下降时间。影响响应速度的主要因素有： (a) 光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数 (b) 载流子在耗尽区里的渡越时间 (c) 耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟 反向偏压的作用: 对光电二极管上施加反向偏压是十分有利的

4、。原因是耗尽区宽度增加，结电容减小，载流子的漂移速度也快，所以不仅提高了量子效率，而且加快了响应速度。,10,11,12,不同的脉冲响应情况,13,(d) 暗电流 无光照时光电二极管的反向漏电流，称为暗电流。 暗电流的无规则随机涨落产生噪声。,14,3）光电二极管的结构 PIN的结构 异质结构,15,长波长PIN管异质结构示意图,原理描述： PIN结构 异质结构 InP是宽带隙材料，c=0.96m,对长波长的光不吸收; InGaAs是窄带隙材料，c=1.7m,16,3、 雪崩光电二极管 (APD，Avalanche Photodiode),1) 工作原理 光电效应 雪崩倍增效应。,17,电离系

5、数：e , h 电离系数比： k= h / e,18,19,2） APD的工作特性,（a) APD的平均雪崩增益和雪崩击穿电压 平均雪崩增益定义为: G = Im / Ip 式中Ip为一次光电流，Im为倍增后输出电流的平均值。由于倍增过程是随机产生的，因此雪崩倍增效具有统计的特征，故倍增效应应取统计平均值。 G与反向电压有关：V越大，G值越高。存在击穿电压. 考虑纯电子电流注入高场区的情况,20,21,雪崩击穿,22,工程上,用暗电流增加到一定值来定义击穿电压,23,(b) APD的过剩噪声 雪崩倍增过程引入更大的随机性。用过剩噪声系数和过剩噪声指数表示。,APD的过剩噪声系数F(G),APD

6、的过剩噪声指数x,24,APD的结构设计: 对k远小于1的APD, 应尽量使电子电流注入高场区; 对k远大于1的APD, 应尽量使空穴电流注入高场区; 避免使用k=1的材料制作APD。,理论分析得到电子电流和空穴电流注入高场区时,25,26,3） APD的结构,(1) Si-APD结构 保护环型 拉通型。,保护环型（GAPD）,27,拉通型（Reach-through APD，RAPD）,28,长波长APD结构 SAM-APD (Separated Absorption and Multiplexing APD),入射光透明地经过高场区，在吸收区被充分吸收，形成吸收区和倍增区分离的结构。 形成纯空穴电流注入高场区，减小过剩噪声，加大增益。,29,SAG