光通信之光電檢測(cè)器

1、光通信之光電檢測(cè)器三大基本光器件 光源：光纖通信系統(tǒng)的心臟，作用是完成電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。 光纖：具有巨大的可用帶寬資源，承載著通信業(yè)務(wù)種類和容量的日益增長(zhǎng)的需求。 光電檢測(cè)器：光接收機(jī)的核心器件，任務(wù)是光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)換成其他通信電宿端設(shè)備可用的電信號(hào)。三者的關(guān)聯(lián) 與輸入光電檢測(cè)器的光信號(hào)強(qiáng)弱有關(guān) 受光源的功率和光纖本身的衰減限制 總之，光電檢測(cè)器完成光檢測(cè)任務(wù)與輸入光信號(hào)的質(zhì)量有關(guān)對(duì)光電檢測(cè)器的要求 高的光電轉(zhuǎn)換效率 與光源的工作波長(zhǎng)范圍有極快的響應(yīng)速度，或者有極大的帶寬 高的靈敏度 功率消耗盡可能低 便于耦合 穩(wěn)定，可靠，便宜主要內(nèi)容 光電檢測(cè)器 PN結(jié)光電二極管 PIN光電二極管

2、雪崩光電二極管APD 光電二極管的一般性能和應(yīng)用光電檢測(cè)器是光接收機(jī)的核心。光電檢測(cè)器是光接收機(jī)的核心。光電檢測(cè)器的功能：利用光電效應(yīng)，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。常見(jiàn)光電檢測(cè)器： PNPN光電二極管光電二極管 PINPIN光電二極管光電二極管 雪崩光電二極管雪崩光電二極管APDAPD1 光電檢測(cè)器工作原理：工作原理： 當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，光子能量大于或等于帶隙能量時(shí)，價(jià)帶的電子通過(guò)受激吸收躍遷至導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)。當(dāng)電路閉合時(shí)，這些自由載流子的定向流動(dòng)形成（光）電流。 施加反向偏壓可以增強(qiáng)光電流。2 PN光電二極管光照射到半導(dǎo)體的P-N結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價(jià)帶的電子吸收光

3、子的能量，從價(jià)帶越過(guò)禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價(jià)帶中出現(xiàn)光空穴，即產(chǎn)生光電子-空穴對(duì)。又稱光生載流子。光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流，如圖 (a)所示。從而在電阻R上有信號(hào)電壓輸出。這樣，就實(shí)現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入光信號(hào)變化的光電轉(zhuǎn)換作用。圖 (b)是P-N結(jié)及其附近的能帶分布圖。要注意的是能帶的高、低是以電子(負(fù)電荷)的電位能為根據(jù)的，電位越負(fù)能帶越高。 由圖可見(jiàn)：外加負(fù)偏壓產(chǎn)生的電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)方向一致，有利于耗盡層的加寬。3 PIN光電二極管由于PN結(jié)耗盡區(qū)只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在P

4、NPN結(jié)結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體（稱為I層），這種結(jié)構(gòu)便是常用的PINPIN光電二極管。 基于異質(zhì)結(jié)的PIN光電二極管工作原理 光照hvEg-耗盡區(qū)吸收大部分光-受激吸收 -光生載流子-耗盡區(qū)電場(chǎng)作用，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移-反向電壓，耗盡區(qū)加寬 -接通電路，R上有電流4 雪崩光電二極管雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)與PIN不同表現(xiàn)在增 加了一個(gè)附加層，以實(shí)現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次 電子-空穴對(duì)，在反向時(shí)夾在I層和N層間的P 層中存在高電場(chǎng)，該層稱為倍增區(qū)或增益區(qū) 雪崩區(qū)，耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子 -空穴對(duì)的作用。四層結(jié)構(gòu) 1、高摻雜的N+型半導(dǎo)體，為接觸層接觸層； 2、

5、倍增層倍增層（雪崩區(qū)）； 3、輕摻雜半導(dǎo)體I層，為漂移區(qū)漂移區(qū)（光吸收區(qū)）；4、高摻雜的P+型半導(dǎo)體，為接觸層接觸層。APD的工作原理 入射光信號(hào) - 受激吸收 形成最初電子空穴對(duì) - 反向電壓 空穴對(duì)加速運(yùn)動(dòng) -與中性原子碰撞產(chǎn)生能量 - 電子從低能級(jí)移到高能級(jí) - 形成二次電子-空穴對(duì) - 多次碰撞 -載流子數(shù)急增 - 反向電流迅速增大 - 雪崩倍增效果APD的倍增因子APD器件的放大作用，用倍增因子表示：G = 輸出光電流/一次光生電流 = I0/Ip光電檢測(cè)器的特性響應(yīng)度： R=Ip/Pin量子效率：R*hf/e響應(yīng)速度：（響應(yīng)時(shí)間）暗電流： 表面暗電流、體內(nèi)暗電流倍增因子：g=I0/Ip溫度特性:溫度升高、倍增增益下降噪聲特性：種類5 光電二極管的一般性能和應(yīng)用 PIN二極管特點(diǎn) 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。電壓低，使用方便。 量子效率高。 噪聲小。 帶寬較高。 APD二極管特點(diǎn) 靈敏度高。 高增益。 高電壓，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 噪聲大。 一、填空：1 衡量光電檢測(cè)器性能的技術(shù)指標(biāo)有（）（）（）（）（）。2 接收機(jī)中存在的噪聲源可分為（）（）（）二、簡(jiǎn)答題：1 雪崩光電二極管是利用什么原理使檢測(cè)靈敏度得到大大提高的？2 半導(dǎo)體光電二極管是利用什么原理實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的？3 比較APD、PIN光電檢測(cè)器的優(yōu)缺點(diǎn)。1 是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增