光子學(xué)第七章光的檢測課件

光子學(xué)第七章光的檢測半導(dǎo)體光電二極管噪聲問題光源起伏的噪聲12/28/20221光通信系統(tǒng)光通信系統(tǒng) 包括四個部分：光發(fā)射機(jī)；光纖傳輸線路；再生中 繼或光放大器；光接收機(jī).檢測器與光接收機(jī)本章重點內(nèi)容光-電-光中繼器經(jīng)光纖傳輸之后，尚未到達(dá)終端則用中繼器.光-電-光中繼器是：光電檢測器轉(zhuǎn)換成電信號=>電放大器經(jīng)時鐘恢復(fù)、放大、整形=>送入激光二極管=>光信號=>光纖.光放大器

90年代發(fā)明了光的放大器，因此經(jīng)光纖傳輸之后衰弱了的光信號不必經(jīng)光-電-光再生中繼器，直接用光纖放大器放大之后繼續(xù)進(jìn)入光纖再傳輸.全光中繼電器目前研究中．12/28/20222半導(dǎo)體光電二極管半導(dǎo)體光電二極管的基本原理：

1當(dāng)光照到半導(dǎo)體PN結(jié)上時，被吸收的光能轉(zhuǎn)變成電能。

2這一轉(zhuǎn)變過程是一個吸收過程，與發(fā)光二極管的自發(fā)輻射過程和激光二極管的受激輻射過程相反。半導(dǎo)體光電器件的兩種工作狀態(tài)：

1二極管上不加電壓，利用PN結(jié)在受光照時產(chǎn)生正向電壓的原理，把光電二極管用作光致發(fā)電器件，這種器件稱為光電池。

2當(dāng)二極管上加有反向電壓時，管中的反向電流將隨照強(qiáng)度和光波長的改變而改變。

半導(dǎo)體光電二極管的類型：

1PN結(jié)型光電二極管（PD）

2PIN結(jié)型光電二極管

3雪崩型光電二極管（APD）12/28/2022312/28/20225PN結(jié)型光電二極管圖(a)表示在熱平衡狀態(tài)、無光照射時,PN結(jié)的能帶圖。 在PN結(jié)區(qū)(耗盡層),N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散形成內(nèi)建電場,

上圖表示接觸電勢的分布,下圖表示能帶圖，平衡態(tài)時 費(fèi)米能級是共同的。圖(b)表示在光照射下,開路時，PN結(jié)區(qū)厚度變薄與費(fèi)米能級分裂。費(fèi)米能級之差(EFC-EFV)等于PN結(jié)的能量位壘。這個位壘約束多數(shù)載流子進(jìn)入耗盡層。當(dāng)PN結(jié)受到能量大于禁帶寬度Eg的光照射時，其價帶中的電子在吸收光能后將躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子，同時在價帶中留下自由空穴。這些由光照產(chǎn)生的自由電子和自由空穴統(tǒng)稱為光生載流子。12/28/20226PN結(jié)型光電二極管

理想二極管中電壓與電流的關(guān)系為：

---飽和電流,V---外電路施加給二級管的電壓當(dāng)二極管被光照射,吸收光子而形成電子--空穴對,當(dāng)外電路施加電壓時,就形成光電流。其中為光感應(yīng)而生的電流,---量子效率,P---入射光強(qiáng)度,A---二極管光敏面積,q---載流子電荷(對于電子q=-e,對于空穴q=e)12/28/2022712/28/20228PN結(jié)光電二極管的二種工作狀態(tài)

(1).零偏置工作狀態(tài)

1).開路電壓狀態(tài) 光電流趨向于零，在PN結(jié)二端 形成開路電壓，這個電壓與光照強(qiáng)度關(guān)系不大。

2).短路電流狀態(tài) 結(jié)電壓接近于零，從圖(d)看出 負(fù)載線幾乎與垂直軸的負(fù)支重合。因此，光電流隨入 射光的強(qiáng)度變化成正的變化。經(jīng)常利用這種工作狀態(tài) 制作光度計。PN結(jié)型光電二極管12/28/202210RLViPD短路電流法制造的光功率計RL50~100當(dāng)RL即成開路電壓法，這個電壓趨向PN結(jié)電壓。PV12/28/202212PIN結(jié)型光電二極管為何要研制PIN結(jié)型光電二極管？對于光纖通信系統(tǒng)的光探測器往往要求響應(yīng)時間小于

10-11s，而PN結(jié)型光電二極管的響應(yīng)時間只能達(dá)到10-7s，

無法滿足要求。為此研制了PIN結(jié)型光電二極管。

PIN結(jié)型光電二極管的結(jié)構(gòu)：

PIN結(jié)型是對PN結(jié)型的修正,主要不同在于PN之間插入一個本征半導(dǎo)體區(qū)(intrinsicregion)將耗盡區(qū)一分為二,

中間隔著很寬的本征區(qū)。這樣大大擴(kuò)展了耗盡的厚度,

使PIN二極管的結(jié)電容比PN二極管小很多,則PIN的動態(tài)響應(yīng)頻率就要高得多。12/28/202214PIN結(jié)型光電二極管PIN管芯的構(gòu)造見下圖(a)PIN內(nèi)部電荷分布以及能帶結(jié)構(gòu)見下圖(b)（a）（b）12/28/202215APD型光電二極管為何要研制APD型光電二極管(avalanchephotodiode)

普通光電二極管產(chǎn)生的電流很微弱，必須進(jìn)行放大和處理。但用前置電子放大器進(jìn)行放大時，又會引入放大器的噪聲。為了克服這種缺點，采用具有內(nèi)部光增益的光電二極管來增大輸出電流，于是發(fā)明了雪崩型光電二極管。APD型光電二極管的管芯構(gòu)造如下圖所示：

12/28/202216APD型光電二極管APD型光電二極管的工作原理：

當(dāng)在光電二極管上加高的反向電壓，使其耗盡區(qū)內(nèi)的電場強(qiáng)度大于105V/cm時，電子經(jīng)過高場區(qū)的漂移之后形成高能電子,它在導(dǎo)帶n耗盡區(qū)碰撞形成二次電子,同時在價帶形成空穴---二級的電子—空穴對。 這些新的電子—空穴對又由于碰撞游離而產(chǎn)生更多新的電子—空穴對，形成雪崩現(xiàn)象，從而使流過二極管的光電流成十倍地增加。當(dāng)外加反向電壓接近擊穿電壓時,雪崩增益可達(dá)100左右。12/28/202217APD型光電二極管APD管的特性曲線：(右圖)12/28/202218半導(dǎo)體光電管的性能光電二極管的主要參數(shù) 和性能包括：伏安特性、暗電流、 光電流、光譜響應(yīng)特性量子效率、光電靈敏度、 噪聲特性。伏安特性光電二極管的伏安特性如右圖所示：12/28/202220光電二極管的伏安特性由圖可見，無光照時，光電二極管同一般晶體二極管一樣。受光照射時，光電二極管的伏安特性曲線將沿電流軸向下平移，平移的幅度與光照強(qiáng)度的變化成正比。光電二極管作為光探測器時，應(yīng)工作在第三象限。 在反向偏置(-Vb)下,可從偏置點畫出負(fù)載線RL,負(fù)載 線與光照下各伏安特性曲線的交點表示在此條件下輸出的電流和電壓值。反向電流隨入射光照度增強(qiáng)而增大。在入射光照度一定的條件下，光電二極管相當(dāng)于一個恒流源。這是光電二極管最一般的用法。12/28/202221暗電流

1.暗電流=反向飽和電流+復(fù)合電流+表面漏電流+熱電流。

2.暗電流越小越好。管子性能穩(wěn)定、噪聲低、檢測靈敏度低。

3.PN與PIN光電二極管反向偏置電壓小于50V，暗電流小于10nA；

4.雪崩型光電二極管偏置電壓小于100V，暗電流小于10nA。半導(dǎo)體光電管的性能12/28/202223半導(dǎo)體光電管的性能光電流光電流基本上隨光功率的增強(qiáng)而線性地增大。光電二極管的光電流與光功率的斜率越大越好，即響應(yīng)度R越大越好，R的單位為光電流的估計用響應(yīng)度乘光功率即12/28/202224

右圖為硅的光譜響應(yīng)曲線 1.硅光電二極管的長波限為1.1μm； 2.短波限為0.4μm；峰值波長為0.9μm。在長波長(1.3/1.55μm)窗口， 硅光電二極管的光電靈敏度便急劇下降，因此采用Ge及GaAs、InP等三五族化合物半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體光電管的性能12/28/202226量子效率：單位時間內(nèi)，光電管產(chǎn)生的電子—空穴對數(shù)與入射的光子數(shù)之比。光電響應(yīng)度R：在給定波長的入射光照射下，輸入單位光功率時光電二極管所輸出的光電流的值。光電響應(yīng)度可用下式估算：

響應(yīng)(時間)帶寬

●光接收機(jī)的光電檢測器的頻響決定于接收機(jī)的寬B，必須選取結(jié)電容足夠小的光電器件。

●目前響應(yīng)時間最快的PIN器件己達(dá)ps

量級,最高響應(yīng)頻率可達(dá)50GHz。半導(dǎo)體光電管的性能12/28/202227

噪聲特性

●表征噪聲水平的主要參數(shù)

1).信噪比（S/N），2).噪聲當(dāng)量功率（NEP）。

●噪聲當(dāng)量功率：光照射到器件上，并使器件的信噪比S/N=1時的入射光功率。

●PN型和PIN型光電二極管的主要噪聲源是暗電流所引起的散粒噪聲。

●雪崩型光電二極管的主要噪聲源是雪崩光電流所引起的散粒噪聲。雪崩器件的噪聲是比較大。

●一般硅雪崩二極管的NEP值約為10-13；

PIN結(jié)型二極管為10-11；PN結(jié)型二極管為10-9

半導(dǎo)體光電管的性能12/28/202228當(dāng)光注入PD二極管時，設(shè)注入的光子數(shù)為n,按平均計算，

--光電二極管的量子效率，A---光電二極管的光敏面積

--“檢波功率”即實際轉(zhuǎn)換為電流的功率小結(jié)：單位時間產(chǎn)生的平均電子—空穴對數(shù)等于單位時間內(nèi)檢測到的有效光子的平均數(shù)。量子(Shot)噪聲

12/28/202230量子噪聲若用PD作N次探測,在理想的條件(PD不產(chǎn)生暗電流)下，進(jìn)行N次測量,每次測到的光電子—空穴對數(shù)為

即使光功率為已知，也不可能準(zhǔn)確地預(yù)測出光功率入射在檢測器上時，能產(chǎn)生多少電子—空穴對，這種現(xiàn)象所產(chǎn)生的噪聲稱為------量子噪聲。下面用具體的例子來說明量子噪聲如何限制光接收機(jī)的性能。12/28/202231假設(shè)一數(shù)字通信系統(tǒng)，光接收機(jī)由PD管和前置(電)放大器構(gòu)成,傳送二進(jìn)制的1碼與0碼。1碼時傳輸?shù)墓饽芰繛镋d（焦耳），0碼時即無信號能量為0。,假定發(fā)射機(jī)的消光比為無限大，接收機(jī)中PD的暗電流為0，都是理想狀態(tài)的，在0碼時，PD不產(chǎn)生電子—空穴對。當(dāng)注入光脈沖為1碼信號時，前置放大器輸出“傳號”,在無光脈沖時(0碼)，前置放大器應(yīng)無輸出—“空號”。這樣,唯一產(chǎn)生誤碼的可能性是在接收機(jī)中有光脈沖能量為Ed的1碼,但是不產(chǎn)生電子—空穴對,即電子—空穴對數(shù)ne=0。出現(xiàn)這種情況的幾率可以用下式表示：量子噪聲

12/28/202232最小可探測光子數(shù)

式中--注入的“檢波功率”,--時間間隔T內(nèi)檢波的光能量誤碼率 取幾率PE=10-9,則對應(yīng)的Ed=21

。即如果包含在光信號中的平均光子數(shù)為21，則僅僅在10-9的時間內(nèi)，可能不產(chǎn)生電子—空穴對而造成誤碼。量子噪聲

12/28/202233光檢測到的最小的平均功率：每個光脈沖信號中平均檢測的能量乘以光脈沖的碼率B’并除以2。對PE=10-9，最小可檢測的功率為：

若光信號λ=1550nm，光子能量hc/=1.2810-19(W/Hz),B’=10Gbits/s，則有：Pmin=1.3510-8W或-48.7dBm。這就是檢測10Gbits/s的光數(shù)字信號時，在誤碼率小于10-9的條件下，檢測到數(shù)字光脈沖信號的量子極限。實際的光接收機(jī)的靈敏度比量子極限大約高10dB。量子噪聲

12/28/202234粒子數(shù)相位測不準(zhǔn)關(guān)系測不準(zhǔn)關(guān)系式：由測不準(zhǔn)關(guān)系式得出如下結(jié)論：

光的粒子數(shù)與光波的相位不能同時測準(zhǔn)。當(dāng)粒子數(shù)的不確定性太小時，就會導(dǎo)至光的相位探測的偏差太大(或誤碼率、噪聲等太大)。在光檢測中,噪聲對測量的限制是具有其量子本源的，無法超越。12/28/202235光電二極管的信噪比計算入射于光電二極管的光場可以表示為：(m為調(diào)制度)----調(diào)制信號的園頻率，ω----光載波的園頻率,光信號產(chǎn)生的光電流正比于e2(t)即：取m=0得光載波產(chǎn)生的平均光電流(直流)：12/28/202236則輸出電流(基波)信號：取m=1，光信號電流分量的平均值可表示為光電二極管的信噪比計算12/28/202237光電二極管的信噪比計算噪聲電流有下列幾項：1.量子散粒(Shot)噪聲●量子(散粒)噪聲的均方電流值可表示為：

取的直流項，并取m=1代入得：

●若光電二極管接收光信號P時,還混入背景光，其光功率為Pb，則它也將產(chǎn)生量子噪聲，于是有：

12/28/202238光電二極管的信噪比計算2.暗電流噪聲

光電二極管存在暗電流，故有：3.負(fù)載電阻RL的熱噪聲：

B---電路帶寬

---RL的環(huán)境溫度與前置放大器的等效噪聲溫度之和若環(huán)境溫度為290K，則有前置放大器的噪聲系數(shù)用F(dB)或F’表示,等效噪聲溫度TA與噪聲系數(shù)F’的關(guān)系為

12/28/202239

光電二極管的測量光信號在放大器輸出端的信號噪聲比表示為：

●若輸入的信號光強(qiáng)度和背景光不太強(qiáng)，則在上述三項 噪聲中，量子（散粒）噪聲是最小的。

●選用合適的光電二極管，其暗電流Id可做到小于nA

的量級，此時最主要的噪聲多為熱噪聲。于是信噪比 簡化為：光電二極管的信噪比計算12/28/202240例：設(shè)計一個PN結(jié)型光電二極管接收機(jī)。該系統(tǒng)的要求：（1）數(shù)據(jù)碼率：1.25Gbits/s；光波長λ=1550nm（2）接收端的誤碼率小于10-9，背景光輻射Pb可略去不計。（3）PN結(jié)光電二極管：響應(yīng)度R=0.7(A/W)，量子效率=0.6,Cd=2pf,Id≈0。（4）接在PN光電二極管之后的前置放大器的噪