光 電 探 測 器

1、光探測器（Photodetector）是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，它的作用是把光源發(fā)送并經(jīng)光纖傳輸?shù)臄y帶有信息的光信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號（與光源相反），然后放大并恢復為原始電信號,即將電信號“解調(diào)”出來。光探測器是一種光電信息轉(zhuǎn)換器件。在光纖系統(tǒng)中，光探測器的作用是將光纖傳來的光信號功率變換為電信號電流。 數(shù)字光接收機光檢測器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時鐘提取再生碼流主放大器光信號光電檢測器件光電檢測器件光子器件光子器件熱電器件熱電器件真空器件真空器件固體器件固體器件光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管光纖傳感器電荷耦合器件CCD熱電偶/熱

2、電堆熱輻射計/熱敏電阻熱釋電探測器光電探測器的種類 類 型實 例PN結(jié)PN光電二極管（Si,Ge, GaAs)PIN光電二極管（Si）雪崩光電二極管(Si, Ge)光電晶體管(Si)集成光電傳感器和光電晶閘管(Si)非PN結(jié)光電元件(CdS, CdSe, Se, PbS)熱電元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3)電子管類光電管，攝像管，光電倍增管其他類色敏傳感器固體圖象傳感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置檢測用元件（PSD）光電池 光電探測器能檢測出入射在其上面的光功率，并完成光光電探測器能檢測出入射在其上面的光功率，并完成光/電信電信號的轉(zhuǎn)換。對光檢測器的基本要求是：號的轉(zhuǎn)換

3、。對光檢測器的基本要求是： 在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流； 具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)； 具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響； 具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真；具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真； 具有較小的體積、較長的工作壽命等。具有較小的體積、較長的工作壽命等。 目前常用的半導體光電探測器有兩

4、種：目前常用的半導體光電探測器有兩種： PIN光電二極管光電二極管 APD雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode）。）。光電探測器的主要工作特性光電探測器的主要工作特性1.響應(yīng)特性（1）響應(yīng)度R（或稱靈敏度）描述的是光電探測器 的光電轉(zhuǎn)換效率。 定義：光電探測器輸出信號與輸入光功率之比。 描述的是光電探測器件的光電轉(zhuǎn)換效率。 響應(yīng)度是隨入射光波長變化而變化的 響應(yīng)度分電壓響應(yīng)度和電流響應(yīng)度響應(yīng)度分為電壓響應(yīng)度和電流響應(yīng)度 電壓響應(yīng)度Rv 光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比 電流響應(yīng)度RI 光電探測器件輸出電流與入射光功率之比PVRsVPIRsI（2）光譜響應(yīng)

5、度 光譜響應(yīng)度R()是響應(yīng)度隨波長變化的性能參數(shù)。大多數(shù)光電探測器具有光譜選擇性。 定義：探測器在波長為的單色光照射下，輸出電 壓或電流與入射光功率之比。)()()(PVRsV)()()(PIRsI（3）頻率響應(yīng)度 頻率響應(yīng)度頻率響應(yīng)度R(f)R(f)： 響應(yīng)度隨入射光頻率而變化的 性能參數(shù)。其表達式為： 式中R(f)為頻率為f 時的響應(yīng)度；R0為頻率為零時的響應(yīng)度；為探測器的響應(yīng)時間或稱時間常數(shù),由材料和外電路決定。 響應(yīng)時間：響應(yīng)時間=RC是描述光電探測器對入射光響應(yīng)快慢的一個參數(shù)。決定了光電探測器頻率響應(yīng)的帶寬。 上升時間：入射光照射到光電探測器后，光電探測器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時間

6、。 下降時間：入射光遮斷后，光電探測器輸 出下降到穩(wěn)定值所需要的時間。2/120)2(1 )(fRfR2.量子效率 量子效率：是指每入射一個光子光電探測器所釋放的平均電子數(shù)。它與入射光能量有關(guān)。其表達式為: 式中，I是入射光產(chǎn)生的平均光電流大小，e是電子電荷，P是入射到探測器上的光功率。I/e為單位時間產(chǎn)生的電子數(shù),P/h為單位時間入射的光子數(shù)。hPeI/3.噪聲等效功率 噪聲等效功率(NEP)是描述光電探測器探測能力的參數(shù)。 定義：單位信噪比時的入射光功率。 噪聲等效功率是一個可測量的量。設(shè)入射輻射的功率為P，測得的輸出電壓為U0，然后除去輻射源測得探測器的噪聲電壓為UN，則按比例計算，要使

7、U0UN的輻射功率為20()NPNEPWUU4.探測度D與歸一化探測度D* 探測度D 為噪聲等效功率的倒數(shù)，即 歸一化探測度D* 由于D與探測器的面積Ad 和放大器帶寬 f乘積的平方根成正比，為消除這一影 響，定義： D*越大的探測器其探測能力越強。1DNEP*1/ 2*1()dDDAfNEPPIN 光電二極管(1)結(jié)構(gòu)與工作原理： 為改善PN結(jié)耗盡層只有幾微米，長波長的穿透深度比耗盡層寬度還大，大部分入射光被中性區(qū)吸收，使光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)時間長，響應(yīng)速度慢的特性，在PN結(jié)中設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導體（稱為I），這種結(jié)構(gòu)便是 PIN光電二極管。P+N+I耗盡層RP+N+PIN光電二極

8、管原理圖 了光電轉(zhuǎn)換效率，兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。還可以通過控制耗盡層的厚度，來改變器件的響應(yīng)速度。 N+P+抗反射膜電極電極(N)EPIN光電二極管結(jié)構(gòu) (N) 摻雜濃度很低； P+和N+摻雜濃度很高。 且I層很厚，約有 55 0m，吸收系數(shù) 很小，入射光很容易進入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子-空穴對,因而大幅度提高 P0為入射光功率； ()材料的吸收系數(shù)，其大小與材料性質(zhì)有關(guān)，且是波長的函數(shù)。通常使用的PIN光電二級管半導體材料。不同材料適用于不同的波長范圍。當工作波長比材料的帶隙

9、波長 C=1.24/Eg(m)長時，吸收系數(shù)急劇減小。 為獲得最佳的轉(zhuǎn)換效率量子效率及低的暗電流(它隨帶隙能量的增加按指數(shù)減小)，理想光電二極管材料的帶隙能量Eg應(yīng)略小于與最長工作波長相對應(yīng)的光子能量。 在0.85m短波長區(qū)，Si是最優(yōu)選材料，截止波長1.09m，吸收系數(shù)a()600cm-1，穿透深度17m。 在長波長區(qū)，Ge和InGaAs合金可選用為 光電二極管材料。 WePWP10為使入射光功率有效轉(zhuǎn)換成光電流，它須在耗盡區(qū)內(nèi)被半導體材料有效吸收，故要求耗盡區(qū)足夠厚、材料對入射光的吸收系數(shù)足夠大。在厚度W內(nèi)被材料吸收的光功率可表示為 ：光檢測器吸收光功率后產(chǎn)生的一次光電流可表為 e電子電荷

10、；hf光子能量(hf=1.24/eV, 光波長m,h普朗克常數(shù))，W耗盡區(qū)寬度，Rf材料界面的菲涅爾反射系數(shù)。)1 (1)(0fWaPRePhfeIPIN光電二極管偏置電路及電場光場分布光電二極管偏置電路及電場光場分布PIN特性1. 1. 響應(yīng)度：響應(yīng)度：2. 2. 量子效率量子效率： 量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。假設(shè)PIN光電二極管器件表面的反射率為0，且P層和N層對量子效率的貢獻忽略情況下，在工作電壓下，I層全部耗盡，則PIN光電二極管的量子效率近似表示成： 但是W 增大時，產(chǎn)生的電子空穴對要花較長 的時間才能到達結(jié)邊被收集，這樣又降低了光 檢測器的響應(yīng)速度。 00pIRPp0/IePh 1expW 1,1W ,W 對于波長的限制： 量子效率的光譜特性取決于半導體材料的吸收系數(shù) ()0.20.40.60.81.0 00.70.91.11.31.51.770%50%30%10%InGaAsGeSicghcEPIN響應(yīng)度、量子效率響應(yīng)度、量子效率與