四 . 光探测器

1. 四. 光探测器

2. 外界参量 信号 调制 光探 测器 光 源 信号 处理 光纤 光纤 • 光探测器是一种光电信息转换器件。在光纤系统中，光探测器的作用是将光纤传来的光信号功率变换为电信号电流。

3. 基本概念 • 在光电器件中,自发发射、受激辐射和受激吸收过程总是同时出现的。但对于各个特定的器件,只有一种机理起主要作用。这三种作用机理对应的器件分别是：发光二极管、半导体激光器和光电二极管。

4. 本讲提要 • 光电二极管、光电池、光电三极管、光电倍增管、CCD阵列、谐振腔增强型光探测器等(RCE-Resonant Cavity Enhanced) 光探测器的特性。

5. 基本概念 • 光探测器是一种光电信息转换器件。在光纤系统中，光探测器的作用是将光纤传来的光信号功率变换为电信号电流。 • 光探测器实现光电信息转换基于光电效应。所谓光电效应，是物质在光作用下释放出电子的物理现象。 • 对半导体器件，PN结受光照吸收光能后产生载流子，出现PN结的光电效应。利用这些物理现象制成了许多光探测器。在光纤传感系统中使用的有半导体光电二极管、光电池、光电三级管、光电倍增管和电荷耦合阵列。

6. （一）半导体光电二极管 基本工作原理 • 当光照到半导体PN结上时，被吸收的光能转变成电能。这一转变过程是一个吸收过程，与前述发光二极管的自然辐射过程和激光二极管辐射过程相反。通常，吸收过程和受激辐射过程是同时存在并互相竞争的。在光电二极管中，吸收过程占绝对优势；而在发光器件中，则辐射过程占绝对优势。

7. 吸收过程占优势的器件有两种工作情况： • 当二极管上加有反向电压时，管中的反向电流将随光照强度和光波长的改变而改变。据此，可以把该器件用作光电导器件，一般说的光电二极管属于这种半导体器件； • 二极管上不加电压，利用PN结在受光照时产生正向电压的原理，把光电二极管用作光致发电器件，这种器件称为光电池。 光纤传感器中这两类器件都得到应用。

8. 半导体光电二极管有三种类型 • PN结型光电二极管（PD） • PIN结型光电二极管（PIN） • 雪崩型光电二极管（APD）

9. 一．PN结型光电二极管 基本概念： • 当PN结受能量大于禁带宽度Eg的光照射时，其价带中的电子在吸收光能后将跃迁到导带成为自由电子；同时，在价带中留下自由空穴。这些由光照产生的自由电子和自由空穴统称为光生载流子。在反向电压的作用下，光生载流子参与导电，从而形成电流。此电流是反向电流，但比无光照的暗电流要大的多。通常，把光照下流过光电二极管的反向电流称为光电二极管的光电流。

10. P N _ + + + + + + + + + － － － － － － － － Light PN结光电效应 通常，一个反偏PN结由一个称为耗尽区的区域组成。当有光照时，产生了光生载流子，并在外加反向电压的作用下，耗尽区内产生的电子-空穴分别向相反的方向加速，漂移到N侧和P侧，产生了比例于照射光功率的电流流动。

11. PN结型光电二极管工作原理 • 由于光电流是光生载流子参与导电形成的，而光生载流子的数目又直接取决于光照强度。因此，光电流必定随入射光的强度变化而变化。这表明，加有反向电压的光电二极管能把光信号变成电信号电流。

12. PN结在热平衡状态下无光照时在结区（耗尽区）存在着接触电势差。与发光时相反，如果在PN结上加适当的反向电压，则PN结的结区将被拉宽，并同时在电路中产生一个反向漏电流。一般PN结的反向漏电流很小，称为光电二极管的暗电流。PN结在热平衡状态下无光照时在结区（耗尽区）存在着接触电势差。与发光时相反，如果在PN结上加适当的反向电压，则PN结的结区将被拉宽，并同时在电路中产生一个反向漏电流。一般PN结的反向漏电流很小，称为光电二极管的暗电流。

13. Light I PN Diode PN结二极管

14. 二、PIN结型光电二极管 • PN结型光电二极管的响应时间只能达到10-7s。对于光纤系统的光探测器，往往要求响应时间小于10-8s，这样，PN型不能满足要求，而PIN结型光电二极管就是为了满足这一要求而研制的。 特点： • 在PN结中将N层减少掺杂，以至于看作为本征I，最后为了制成低电阻的接触，才在末端加一层薄的重掺杂N层，这样形成了PIN结。若在PIN结上加上一定的反向电压，耗尽区便可在整个一层展开，即扩展了耗尽区。光生载流子扩散走过的区域则被压缩，克服了光生载流子的扩散时间长的缺点，使PIN结型光电二极管的响应时间缩短。

15. PIN光电管

16. Picture of PIN PhotodiodePIN光电管照片

17. 三、雪崩型光电二极管--APD • 由于普通光电二极管产生的电流微弱，进行放大和处理时将引入放大器噪声。为了克服这种缺点，有必要加大光电管的输出电流，由此产生了雪崩型光电二极管。 工作原理 • 光电二极管中的光生载流子在强电场（大于105v/cm）作用下高速通过耗尽区向两极移动。在移动过程中，由于碰撞游离而产生更多的新载流子，形成雪崩现象，从而使流过二极管的光电流成百倍的增加。

18. 缺 点 • 倍增为随机性的，放大电流的随机性或不可预测性限制了管子的灵敏度，所以，在设计雪崩管时应注意尽量减小随机性。

19. 硅雪崩型光电二极管管心的结构图

20. 硅雪崩型光电二极管管心的结构图

21. Picture of APD雪崩光电二极管图片

22. 比 较 PIN • 不能使原信号光电流发生倍增；响应速度快。 • 具有好的光电转换线性度；不需要高的工作电压。 APD • 使原信号光电流发生倍增；提高接收机灵敏度。 • 需要较高的偏置电压；需要温度补偿电路。 从简化接收机电路考虑，一般情况下多采用PIN光电二极管。

23. 半导体光电管的性能 • 光电二极管的主要参数和性能包括：伏安特性、暗电流、光电流、光谱响应特性、光电灵敏度、噪声特性等。

24. （1）伏安特性 • 无光照时，它同一般二极管一样。 • 受光照时，光电二极管的伏安特性曲线将沿电流轴向下平移，平移的幅度与光照强度的变化成正比。此特性表明，反向电流随入射光照度增强而增大。 • 光电二极管作为光探测器时，应工作在第三象限。 • 在入射光照度一定的条件下，光电二极管相当于一个恒电源。

25. （2）暗电流 • 光电二极管的暗电流为反向饱和电流、复合电流、表面漏电流和热电流之和。暗电流小的管子性能稳定，噪声低，检测弱信号能力强。因此，管子的暗电流越小越好。 • PN结型光电二极管在50V反向电压下，暗电流小于100nA； • PIN型和雪崩型光电二极管在15V反向电压下，暗电流小于10nA。

26. （3）光电流 • 光电流主要受光照强度的影响，它与光照度的关系为 I ∝ 式中，E为光的照度，v=1±0.05。 • 光电流基本上随照度增强而线性增大。一般来说，光电二极管的光电流越大越好，商品化硅光二极管的光电流为几十微安

27. （4）光谱响应特性 • 光电二极管对光的响应存在最长波长极限，称为长波限。硅光电二极管的长波限约为1.1µm。 • 光波长越短，光子能量越大。但对光电二极管，入射波长短，管心表面的反射损耗大，从而使管心实际上得到的能量减少。所以光电二极管存在入射光的短波限。 • 一般硅光电二极管的短波限为0.4µm。硅光电二极管的峰值波长为0.9µm，与光纤的短波长窗口相适应。

28. （5）光电灵敏度 • 在给定波长的入射光照射下，输入单位光功率时，光电二极管所输出的光电流的大小称为光电灵敏度，单位是µA/µW。光电灵敏度可用下式估算 • 式中， 为量子效率，即在单位时间内被电极收集的光生载流子与入射光子数之比；通常被定义为一个入射光子产生一个电子空穴对的概率。假设所有的光生载流子都对探测器的输出电流有贡献,η即是探测器有源层吸收的光功率与全部入射光功率之比。 q为电子电荷。 • 式中，q、h（普朗克常数）、c均为常数。因此，S主要取决于量子效率 。

29. （6）噪声特性 • PN结型和PIN结型光电二极管的主要噪声源是暗电流所引起的散粒噪声。 • 雪崩型光电二极管的主要噪声源是光电流所引起的散粒噪声，它的噪声比较大。 表征光电二极管噪声水平的主要参数是信噪比（S/N）和噪声当量(NEP)

30. 信噪比：输出电流中有用的信号成分与噪声成分之比。越大越好。信噪比：输出电流中有用的信号成分与噪声成分之比。越大越好。 噪声当量功率：当光照射到器件上时，并使器件的信噪比为1时的入射光功率。越小越好。 硅雪崩管的NEP值约为10-13W/sqrt(Hz)； PIN结型管为10-11W/ sqrt(Hz)；PN型管为10-9W/ sqrt(Hz)；

31. （二）光电池 • 二极管上不加电压，利用PN结在受光照时产生正向电压的原理，把光电二极管用作光致发电器件，这种器件称为光电池。 • 光电池是一种把光能转换成电能的器件。 • 制造光电池的材料有硅、硒、硫化镉、砷化镓和碘化铟等，其中硅光电池的转换效率最高，最大转换效率达到17%，这与理论上的最大转换效率21.6%已经接近。

32. RL为外界负载电阻； 为光电流；ID为二极管电流；I为外电流。 • 当光电流流过负载电阻RL时，在RL上产生电压降V，此电压为PN结二极管的正向电压降。在电压V的作用下，产生二极管电流ID，所以流过电压负载的外电流为

33. （三）光电三极管 • 是用Ge或Si单晶制成的晶体管，分NPN和PNP两种结构形式。它不仅能和光电二极管一样，把入射光信号变成光电流信号输出，同时还把光电流放大。

34. 光电三极管分三大类： • 有两个PN结，外形与光电二极管相似，称为光电双二极管，这种管子应用最广； • 和普通三极管一样具有三个极，容易实现温度补偿，能以电信号与光电信号混合工作形式进行增益控制，工作点稳定，响应时间缩短，可以用做记忆元件； • 复合型光电三极管。提高了光电转换的灵敏度，增大输出光电流。但在环境温度高时，光电流与暗电流的比值将反而减小，同时，这种管子的响应速度也慢。

35. 光电二极管与光电三极管的主要差别 1）光电流的差别 • 光电二极管的光电流一般只有几微安到几百微安。 • 光电三级管的光电流一般都在几毫安以上，至少也有几百微安。 • 光电二极管和光电三级管两者的暗电流则相差不大，而且一般都不超过1μA，大多都在0.5μA以下。 2）响应时间的差别 • 光电二极管的响应时间在100ns以下，PIN结型和雪崩型的还要小。 • 光电三极管的响应时间长达5~10μS。 3）输出特性的差别 • 光电二极管在很宽的入射光照度范围内（10-3~10-101x）都具有线性的光电流-照度特性； • 光电三级管输出特性的线性度却较差。

36. （四）光电倍增管 • 具有外光电效应的器件，具有很高的内增益。因此，其光电转换分为光电发射和电子倍增两个过程。 光子能量 光电发射材料的电子吸收 电子 逸出 高速电子打击金属表面 二次电子发射 阴极 发射的光电流被阳极收集 真空二极管的输出

37. 特 点 • 光电倍增管具有很高的灵敏度，能探测10-10W的微弱信号，常用做高灵敏度、低噪声的光探测器。 • 在瞬间或在短期强光照射下，灵敏度会下降，但存放一段时间后可以获得恢复，这称为疲劳现象。 • 在长期工作或短期强光照射后，使灵敏度下降而不能恢复，这称为衰老。在使用光电倍增管时，应特别注意防止强光照射，因为严重时将会损坏管子。 • 需要高压直流电源，管子体积大、价格高又经不起机械冲击，限制了它的使用范围。

38. （五）CCD阵列探测器（Charge Coupled Device） 结构 • 同一半导体衬底上的若干光敏单位与移位寄存器构成的集成化和功能化的光探测器件。 原理 • 利用光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换成相应与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布。然后，利用移位寄存功能将这些电荷包“自扫描”到同一个输出端，形成幅度不等的实时脉冲序列。 特点 • 将光强的空间分布转换成相应与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布；CCD以电荷为信号，其基本功能是信号引起电荷的产生、存储和转移；国内CCD的驱动电压一般为15伏。

39. (六）谐振腔增强型(RCE)光探测器 • 产生的原因： 随着社会的发展,人们对信息的需求量日益增加，高速、宽带、大容量的光纤通信网络将在未来社会生活中发挥极其重要的作用。波分复用(WDM)技术及密集波分复用(DWDM)技术作为未来光纤通信系统的支撑技术，成为当前光纤通信系统研究与应用的热点。在WDM和DWDM技术中，如何实现可调谐窄线宽的光探测器是其关键课题之一。1991年,首次提出的谐振腔增强型(RCE)光探测器结构为解决该课题提供了一条大有潜力的途径。

40. RCE特点 1．谐振腔增强型光探测器结构解决了普通光探测器量子效率与载流子渡越时间相互制约的问题，在保证较高量子效率的同时，大大提高了器件的响应速度。 在普通的PIN型光探测器中,量子效率与响应速度的载流子渡越时间分量是相互制约的。要获得高的量子效率必须增大吸收层的厚度，而过厚的吸收层将导致载流子渡越时间的延长从而使响应速度受到限制。 RCE型光探测器由于入射光在腔内多次反射经过吸收层，既可以使入射光得到充分的吸收，又可以将吸收层做得很薄(<0.5ｍ),利用优化的设计还能使电子与空穴同时到达收集电极,渡越时间被大大缩短。 2.具有引人注目的波长选择性。 3.在相同的量子效率要求下，RCE光探测器的带宽较之普通光探测器有很大提高。

41. ＲＣＥ器件的设计思想 类似于半导体激光器,即在传统光探测器结构的基础上引入谐振腔结构,探测器两端生长的布拉格反射器(ＤＢＲ)构成了一个法布里-珀罗(Ｆ-Ｐ)光学谐振腔(通常两个反射镜具有不同的反射率)。其中ｄ为吸收层的厚度,Ｌ1和Ｌ2是吸收层到前后反射镜的距离,Ｌ1+Ｌ2+ｄ为谐振腔腔长。在此结构中,由于腔的谐振增强效应,极大地增强了腔内的光场强度,从而使器件可以在较薄的吸收层的情况下获得较高的量子效率;同时因Ｆ-Ｐ腔固有的选频特性,实现了器件对特定波长的选择性响应。

42. PIN型光电二极管是高速光电探测的首选器件 • 第一个RCE型PIN光探测器是由Dentntail等人报道的,工作波长在1.55μｍ附近。入射光正向照明,顶部反射镜与底部反射镜均由布拉格反射器构成,恰当地控制它们的反射率可以获得最大的量子效率。当Ｒ1=0.7,Ｒ2=0.95时,用一个厚度为200ｎｍ的InGaAs吸收层获得了82%的量子效率。

43. 在WDM应用中的一个缺陷： 存在着光谱响应线宽和量子效率之间的矛盾。一个量子效率超过50%的器件，其光谱响应线宽往往大于20nm，使得这种探测器不能为WDM方面的应用所接受。 • 改进： 北京邮电大学（中国，北京）的研究人员已经研制出了一种具有波长选择性的光探测器，这种光探测器由滤波腔、隔离腔和吸收腔等子腔组成，可同时提供窄线宽和高量子效率。在理想的条件下，光谱响应线宽能够窄至1nm以下，同时量子效率可高达90%；

44. 谢 谢！