通信用光器件-光检测器

光检测器光通信用的光检测器光电二极管的工作原理PIN光电二极管雪崩光电二极管(APD)光电二极管一般性能和应用光通信用的光电检测器光电检测器的作用是通过光电效应，将接收的光信号转换为电信号光接收机的核心部件，其性能的好坏直接影响着接收机的性能指标光纤通信系统对光电检测器的要求：光电转换效率高，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流响应速度快频带宽，信号失真尽量小噪声低，器件本身对信号的影响小体积小、寿命长、高可靠性、工作电压低等光电检测器核心：光电二极管主要类型PIN光电二极管雪崩光电二极管（APD)光检测器光通信用的光检测器光电二极管的工作原理PIN光电二极管雪崩光电二极管(APD)光电二极管一般性能和应用光电检测器原理原理：光吸收在半导体材料上，当入射光子能量h超过带隙能量时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子—空穴对在外加电压建立的电场作用下，电子和空穴就可能在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流当入射光变化时，光生电流随之发生变化，从而把光信号转换成电信号入射光半导体注意，简单的在均匀体材料上施加外部电压不能构成光电检测器件：光生载流子形成的光电流与半导体材料中多数载流子形成的电流比可以忽略；光生载流子易在扩散过程中发生辐射或非辐射复合而消失光电二极管的工作原理光电二极管具有将光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。电子和空穴的扩散运动PN结界面内部电场漂移运动能带倾斜如果光子的能量大于或等于带隙(hf≥Eg)当入射光作用在PN结时发生受激吸收在耗尽层形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动PN能带P区PN结空间电荷区N区内部电场扩散漂移hvPN光电二极管的缺点无法提高响应度P区N区内生成的载流子有很大一部分在扩散过程中因复合而湮灭响应速度低，带宽小光生电流由漂移电流分量和扩散电流分量共同构成，载流子扩散运动比漂移运动慢得多，扩散分量的存在会降低响应速度器件的稳定度也比较差——实际上不适合做光纤通信的检测器改进结构：PIN光电二极管APD光电二极管光检测器光通信用的光检测器光电二极管的工作原理PIN光电二极管雪崩光电二极管(APD)光电二极管一般性能和应用PIN光电二极管的产生由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区(P区和N区)吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。PN能带入射光子PIN光电二极管的结构特点•结构特点•P型半导体和N型半导体之间增加本征半导体层（I层：Intrinsic）•I层吸收系数很小，厚度大，入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子—空穴对，光电转换效率得到提高•I层两侧的P层、N层很薄，扩散电流很小，提高了器件的响应速度12PIN光电二极管•结构特点：•I层低掺杂，具有高阻特性，电场强度大•耗尽层厚度由本征层决定：加适当的反向偏压时可以使耗尽区扩展至整个I层•反向偏压小，一般为5V•缺点：•本征层宽，载流子的漂移时间长，降低了响应速度•本征层的厚度必须优化选择•Si基PIN，40微米;•InGaAs基PIN，4微米uhuhuhRqVCEVE电子扩散空穴扩散漂移空间反向偏压下的能带图uhuhuhRqVCEVE电子扩散空穴扩散漂移空间反向偏压下的能带图PIN光电二极管的结构N区和P区：InP，对　920nm的光透明；I区:InGaAs；对1300‾1600nm强烈吸收PIN光电二极管的工作特性1.光电转换效率2.光谱响应3.响应时间4.灵敏度和噪声1.光电转换效率光电转换效率用量子效率η或响应度ρ表示。量子效率η:入射光功率Pin中含有大量光子，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.hPqIinp








产生的电子－空穴对的个数入射的光子数•在光电二极管的应用中，100个光子会产生30到95个电子－空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%~95%。•为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越中心结区的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。2.响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值2.光谱响应)(24.1)(eVEEhcmggC光子能量h大于半导体材料的禁带宽度Eg时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，否则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一种材料制作的光电二极管都有上截止波长C所以对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低频率或最大波长，而对波长大于这个极限波长的光波就不能被探测到。材料的光谱响应Si：C=1.06m，使用范围：0.5‾1.0mGe：C=1.6m，使用范围：1.1‾1.6mInGaAs：C=1.6m，使用范围：1.1‾1.6m3.响应速度光电二极管对高速调制光信号的响应速度用脉冲响应时间τ表示对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上升时间τr和脉冲下降时间τf。当光电二极管具有单一时间常数τ0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此得到脉冲响应时间τ=τr=τf=2.2τ03.响应速度光电探测器的脉冲响应影响响应速度的主要因素影响响应速度的主要因素有：1.检测器及其有关电路的RC时间常数2.耗尽区内的载流子在电场作用下的漂移通过所需时间(即渡越时间)3.耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟PIN光电二极管的工作特性——响应速度影响因素一：检测器及其有关电路的RC时间常数光电检测器电路及等效电路CPN为检测器的结电容；Rb为偏置电阻；Ra、Ca分别为放大器的输入电阻和输入电容；Rs为检测器的串联电阻，通常为几欧(可以忽略)RC时间常数越大，电路的响应时间越长要提高响应速度，就要尽可能降低结电容光电二极管WACPN耗尽区宽度结面积介电常数PIN光电二极管的工作特性——响应速度影响因素二：载流子漂移通过耗尽区的渡越时间ddrvWt漂移速度vd与电场强度有关电场强度较低时，漂移速度正比于电场强度当电场强度达到某一值后，漂移速度不再变化光生载流子的漂移速度影响因素三：耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟耗尽区外产生的载流子扩散到耗尽区才能被电路吸收扩散速度比漂移速度慢得多，载流子扩散带来的附加时延会使输出电信号脉冲拖尾加长对于异质结PIN来说，此项影响可忽略PIN光电二极管的工作特性——响应速度r2/1BW总的上升时间为：drRCr光电二极管的带宽为：PIN光电二极管的工作特性——响应速度提高响应速度的综合考虑耗尽区宽光吸收效率高，但载流子的渡越时间长耗尽区窄渡越时间短，但光吸收效率低，结电容大，RC时间常数大4.灵敏度和噪声灵敏度：光电二极管所能检测到的最小光功率（体现光电二极管对微弱信号的检测能力）光电二极管暗电流形成的背景噪声是影响灵敏度的主要因素之一PIN光电二极管的主要噪声来源：暗电流暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流。PIN光电二极管的噪声特性暗电流噪声（主要噪声源）：在常温下，没有外来入射光，处于反偏压下的半导体光电检测器也会在外围电路中产生一定的电流，成为光电检测器的暗电流。来源：少数载流子的热激发。暗电流会随着偏置电压和器件温度的增加而增大量子噪声漏电流噪声负载电阻的热噪声PIN与PN光电二极管的比较•响应度•PINPN•响应时间•PN：0.01ns•PIN：0.1-10nsPN光电二极管PIN光电二极管光检测器光通信用的光检测器光电二极管的工作原理PIN光电二极管雪崩光电二极管(APD)光电二极管一般性能和应用雪崩光电二极管APDPIN:1个光子最多产生一对电子-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,有增益入射光——1对电子-空穴对(一次光生电流)——————与晶格碰撞电离——多对电子-空穴对(二次光生电流）吸收外电场加速APD光电二极管雪崩光电二极管（APD）：AvalanchePhotodiodeAPD的结构与PIN的异同增加了一个附加层，以实现碰撞电离产生二次电子—空穴对在反向时夹在I层和N层间的P层中存在高电场，该层称为倍增区或增益区（雪崩区)耗尽层仍为I层，起产生一次电子—空穴对的作用附加层存在高电场，称为雪崩区•适当偏压下，耗尽区可以覆盖整个P区+I区，直至I区与P+区的边缘•当外加的反向偏压(约100V—150V)比PIN情况下高得多时，在高阻的PN结附近，电场强度可高达105v/m,电压几乎都降到PN结上耗尽区iAPD的工作特性光电二极管响应度与波长的关系SiAPD主要用于波长800nm左右的中速光纤网络，价格最低，InGaAsAPD主要适用于高速网络雪崩光电二极管的工作特性雪崩光电二极管特有的特性雪崩倍增特性——倍增因子倍增噪声温度特性倍增因子定义倍增因子g为APD输出光电流Io和一次光生电流Ip的比值g值随反向偏压、波长和温度而变化。现在APD的g值已达到几十甚至上百opIgI倍增因子g与反向偏压和温度的关系雪崩光电二极管的工作特性倍增噪声雪崩倍增效应不仅对信号电流有放大作用，而且对噪声电流也有放大作用雪崩效应产生的载流子是随机的，会引入新的噪声成分温度特性当温度变化时，原子的热运动状态发生变化，从而引起电子、空穴电离系数的变化，使得APD的增益也随温度而变化。随着温度的升高，倍增增益下降。为保持稳定的增益，需要在温度变化的情况下进行温度补偿。光检测器光通信用的光检测器光电二极管的工作原理PIN光电二极管雪崩光电二极管(APD)光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。-5~-15-5~-15工作电压/V1~20.5~1结电容Cj/pF0.2~12~10响应时间2~50.1~1暗电流Id/nA0.6(1.3)0.4(0.85)响应度1.0~1.60.4~1.0波长响应InGaAs-PINSi-PINμm/)W/(A1ns/μmμmPIN光电二极管一般特性ns/0.5~0.70.3~0.4附加噪声指数x20~3030~100倍增因子g40~6050~100工作电压/V0.51~2结电容Cj/pF0.1~0.30.2~0.5响应时间10~200.1~1暗电流Id/nA0.5~0.70.5响应度1~1.650.4~1.0波长响应InGaAs-APDSi-APD)W/(A1μm/雪崩光电二极管（APD）一般性能APD与PIN的特性比较APDPIN42APD与PIN的特性比较带宽PIN≈APD响应度PINAPD灵敏度PINAPD偏置电压PINAPDAPD能耗大，不易实现接收单元的小型化数字信号在光纤通信系统中的传输调制器44光调制器光调制的作用:将电信号加载在光载波上光调制的实现方式:直接调制仅适用于半导体光源,价格低廉调制速度最高可达2.5Gb/s外调制既适用于半导体光源又适用于其他光源高速率通信系统中广泛使用DCRFDCMODRF45直接调制直接调制通过改变激光器的驱动电流而改变其出光功率缺点：有啁啾，输入功率高，消光比小消光比：电信号为1和0时输出光功率比值的对数,单位为dB啁啾：激光器辐射波长随驱动电流的变化而变化的现象46外调制外调制电光调制器电吸收调制器电光调制器电光效应：电压施加于某些电光晶体(如LiNbO3)，