第四章

光檢測器與光放大器【知識要點(diǎn)】通信用光有源器件主要包括光源、光檢測器、光放大器和光波長轉(zhuǎn)換器等。光源是光發(fā)射機(jī)的主要器件，主要功能是實(shí)現(xiàn)信號的電—光轉(zhuǎn)換；光檢測器位于光接收機(jī)內(nèi)，主要功能是實(shí)現(xiàn)信號的光—電轉(zhuǎn)換；光放大器主要是對光信號直接進(jìn)行放大，無需通過光—電—光轉(zhuǎn)換過程，解決長距離傳輸時光功率不足的問題。本章重點(diǎn)介紹光檢測器和光放大器的類型、應(yīng)用時如何選擇等。4.1光電檢測器的工作機(jī)理與類型

4.1.1光敏二極管

4.1.2PIN光敏二極管

4.1.3雪崩光敏二極管

4.1.4光電二極管一般性能和應(yīng)用

4.1.1光敏二極管

如圖4.1所示，光敏二極管（PD）由半導(dǎo)體PN結(jié)組成，結(jié)上加反向偏壓。當(dāng)有光照射時，若光子能量（hf）大于或等于半導(dǎo)體禁帶寬度（Eg），則占據(jù)低能級（價帶）的電子吸收光子能量而躍遷到較高能級（導(dǎo)帶），在耗盡區(qū)里產(chǎn)生許多電子空穴對，稱為光生載流子。PN圖4.1PD工作原理耗盡區(qū)吸收區(qū)這些光生載流子受到結(jié)區(qū)內(nèi)電場（自建場）的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，于是P區(qū)就有過剩的空穴積累，N區(qū)則有過剩的電子積累，也就是在PN結(jié)兩邊產(chǎn)生了一個發(fā)光電動勢，即光生伏特效應(yīng)。如果把外電路接通，就會有光生電流Is流過負(fù)載。入射到PN結(jié)的光越強(qiáng)，光生電動勢越大。如果將被調(diào)光信號照射到該連接了外電路的光敏二極管的PN結(jié)上，它就會將被調(diào)制的光信號還原成帶有原信息的電信號。這種光敏二極管由于響應(yīng)速度低，不適用于光纖通信系統(tǒng)4.1.2PIN光敏二極管

PIN光敏二極管是在光敏二極管的基礎(chǔ)上制成的。用半導(dǎo)體本征材料（如：Si或InGaAs）作本體，分別在兩側(cè)摻雜而形成P區(qū)和N區(qū)，本征材料夾在中間，稱為I區(qū)。工作原理在反向偏置電壓下，形成較寬的耗盡區(qū)，當(dāng)被光照射時，在P區(qū)和N區(qū)產(chǎn)生空穴和電子，載流子在耗盡層區(qū)內(nèi)進(jìn)行高效率，高速度的漂移和擴(kuò)散所形成光生電流。特性PIINN光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率或響應(yīng)度R①量子效率（微觀）定義：一次光生電子—空穴對和入射光子數(shù)的比值

==

②響應(yīng)度R定義：一次光生電流和入射光功率的比值R==式中hf為光子能量，e為電子電荷。4.1.3雪崩光敏二極管在很強(qiáng)方向電場(反向電壓數(shù)十伏或數(shù)百伏)作用下，電子以極快的速度通過PN結(jié)。在行進(jìn)途中碰撞半導(dǎo)體晶格上的原子離化而產(chǎn)生的電子、空穴，即所謂二次電子和空穴，而且這種現(xiàn)象不斷連鎖反應(yīng)，使結(jié)區(qū)內(nèi)電流急劇倍增放大，產(chǎn)生“雪崩”現(xiàn)象。

負(fù)載入射光PNNI

E電場耗盡區(qū)圖4.3APD工作原理負(fù)載

入射光PNNNI

E電場耗盡區(qū)圖4.3APD工作原理③光敏二極管對高速調(diào)制光信號的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時間或截止頻率表示。PIN光敏二極管脈沖響應(yīng)時間或截止頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時間和包括光敏二極管在內(nèi)的檢測電路RC常數(shù)所確定。

=式中為光敏二極管的串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻的總和；為結(jié)電容和管殼分布電容的總和。

=式中為材料介電常數(shù)；A為結(jié)面積；w為耗盡層寬度。④噪聲噪聲直接影響光接收機(jī)的接收靈敏度。噪聲包括由信號電流暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲和有負(fù)載電阻與后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。暗電流是沒有光入射時流過光檢測器的電流，它是由PN結(jié)的熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對形成的。暗電流的均方值為<>=2eIdB加上信號電流的散粒噪聲，總的均方散粒噪聲為<>=2e(Ip+Id)B均方熱噪聲為<>=總均方噪聲電流為<>=2e(Ip+Id)B+雪崩光敏二極管（APD）使用時，需要數(shù)十以至數(shù)百伏的高反向電壓。雪崩電壓對環(huán)境溫度變化比較敏感，使用有點(diǎn)不方便。但由于有內(nèi)部電流放大作用，可以提高接收機(jī)靈敏度，因此廣泛用于中、長距離的光纖通信系統(tǒng)。在光纖通信的短波場區(qū)（0.8~0.9um）雪崩光敏二極管用Si作本體，稱Si—APD。在長波場區(qū)（1.0~1.65um）用Ge或用InGaAs作本體，分別稱為Ge—APD和InGaAs／InP—APDAPD特性參數(shù)響應(yīng)度、光譜響應(yīng)、響應(yīng)時間和頻率特性、噪聲（定義與PIN同）倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流Ip的比值g隨反向偏壓、波長和溫度變化U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻。過剩噪聲因子在APD中，每個光生載流子不會經(jīng)歷相同的倍增過程具有隨機(jī)性，這將導(dǎo)致倍增增益的波動，這種波動是額外的倍增噪聲的主要根源。通常用過剩噪聲因子F來表征這種倍增噪聲。

x:附加噪聲指數(shù)均方噪聲電流:4.1.4光電二極管一般性能和應(yīng)用性能（表4.3、表4.4）應(yīng)用在短距離的應(yīng)用中，工作在850nm的Si器件對于大多數(shù)鏈路是個相對比較廉價的解決方案。在長距離的鏈路常常需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。APD檢測器與PIN檢測器相比，具有載流子倍增效應(yīng)，其探測靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償電路。要視具體應(yīng)用場合而選定。InGaAs-APD（響應(yīng)速度快）適于超高速光纖通信系統(tǒng)-5~-15-5~-15工作電壓/V1~20.5~1結(jié)電容Cj/pF0.2~12~10響應(yīng)時間2~50.1~1暗電流Id/nA0.6(1.3)0.4(0.85)響應(yīng)度1.0~1.60.4~1.0波長響應(yīng)InGaAs-PINSi-PIN表4.3PIN光電二極管一般特性0.5~0.70.3~0.4附加噪聲指數(shù)x20~3030~100倍增因子g40~6050~100工作電壓/V<0