Transcript 第六章 光信号 光检测器 6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的特性指标 前置放大器 主放大器 光检测器 偏压控制 前端 均衡器 AGC 电路 线性通道 数字光接收机 判决器 时钟 提取 时钟提取 数据再生 再生码流 6.1 光电检测器 光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号 的转换。对光检测器的基本要求是： ① 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射 光功率，能够输出尽可能大的光电流； ② 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； ③ 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； ④ 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； ⑤ 具有较小的体积、较长的工作寿命等。 目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和APD 雪崩光电二极管。 PN结 内建电场 耗尽层 光电二极管的工作原理 当光照射到光电二极管的光敏 面上时，能量大于或等于带隙 能量Eg的光子将激励价带上的 电子吸收光子的能量而跃迁到 导带上，可以产生自由电子空穴对（称为光生载流子）。 电子-空穴对在反向偏置的外 电场作用下立即分开并在结区 中向两端流动，从而在外电路 中形成电流（光电流）。 6.1.1 PIN 由于受激吸收仅仅发生在PN结附近，远 离PN结的地方没有电场存在，因此就决 定 了 PN 光 电 二 极 管 ( PN Photodiode， PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率 非常低下及响应速度很慢。 1.

第六章
光信号
光检测器
6.1
光电检测器
6.2
光电检测器的特性指标
前置放大器
主放大器
光检测器
偏压控制
前端
均衡器
AGC
电路
线性通道
数字光接收机
判决器
时钟
提取
时钟提取
数据再生
再生码流
6.1 光电检测器
光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号
的转换。对光检测器的基本要求是：
① 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射
光功率，能够输出尽可能大的光电流；
② 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；
③ 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；
④ 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；
⑤ 具有较小的体积、较长的工作寿命等。
目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和APD
雪崩光电二极管。
PN结
内建电场
耗尽层
光电二极管的工作原理
当光照射到光电二极管的光敏
面上时，能量大于或等于带隙
能量Eg的光子将激励价带上的
电子吸收光子的能量而跃迁到
导带上，可以产生自由电子空穴对（称为光生载流子）。
电子-空穴对在反向偏置的外
电场作用下立即分开并在结区
中向两端流动，从而在外电路
中形成电流（光电流）。
6.1.1 PIN
由于受激吸收仅仅发生在PN结附近，远
离PN结的地方没有电场存在，因此就决
定 了 PN 光 电 二 极 管 ( PN Photodiode，
PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率
非常低下及响应速度很慢。
1. PIN
PIN光电二极管(PINPD)的结构如图6.2所
示。
耗尽区
图6.2 PIN光电二极管的结构
PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，
加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。由
于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽
层，如图6.3（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换效
率。结构示意图如图6.3（b）所示。
图6.3 PIN光电二极管
外加反向偏置电压的pin 光电二极管的
电路示意图
pin 光电二极管的能带简图，能量大于或等于带隙能量Eg的光
子将激励价带上的电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，可以
产生自由电子-空穴对（称为光生载流子）。耗尽区的高电场
使得电子-空穴对立即分开并在反向偏置的结区中向两端流动，
然后在边界处被吸收，从而在外电路中形成电流。
Eg
h
hc
Eg
图6.4 半导体材料的光电效应
电子和空穴的扩散长度
当电载流子在材料中流动时，一些电子-空穴对会重新复合而
消失，此时电子和空穴的平均流动距离分别为Ln和Lp，这个距
离即扩散长度。
Ln  Dn n 
1/ 2

， L p  D p p

1/ 2
其中Dn，Dp为电子和空穴的扩散系数，单位为cm2/s.
 n , p 为电子和空隙的重新复合所需要的时间（载流子寿命）
在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律
P( x)  P0 (1  e  s ( ) x )
其中  s () 为波长  处的吸收系数，P0是入射光功率，P(x)是通
过距离x后所吸收的光功率。
特定的半导体材料只能应用在有限的波长范围内，其上
限截止波长为：
hc
1.24
c (m) 

Eg Eg (eV )
例6.1 有一个光电二极管是由GaAs材料组成的，在300k时
其带隙能量为1.43eV，其截止波长为：



hc
6.625 1034 J .s 3  108 m / s
c 

 869nm
19
Eg
1.43eV (1.6  10 J / eV )
不同材料吸收系数与波长的关系
特定的材料只能用于
某个截止波长范围内
光穿透深度 (m)
光吸收系数 (cm-1)

光子能量增大方向
材料的截止波长c由
其带隙能量Eg决定。
若波长比截止波长更
长，则光子能量不足以激
励出一个光子。
此图还说明，同一个
材料对短波长的吸收很强
烈 (s大) 。而且短波长激
发的载流子寿命较短，因
为粒子的能级越高，越不
稳定。
如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：
Pw  p0 (1  e
 s w
)
如二极管的入射表面反射系数为Rf，其初级光电流为：
q
Ip 
P0 (1  e  s w )(1  R f )
hv
6.1.2 雪崩光电二极管（APD）
1. 雪崩倍增原理
APD可以对初级光电流进行内部放大，
以增加接收机的灵敏度。由于要实现电流
放大作用，光生载流子需要穿过很高的电
场，以获得很高的能量。光生载流子在其
耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应激发出
新的电子-空穴对，新产生的载流子通过电
场加速，导致更多的碰撞电离产生，从而
获得光生电流的雪崩倍增。
雪崩二极管 (APD)
设计动机：在光生
电流尚未遇到后续
电路的热噪声时已
经在高电场的雪崩
区中得到放大，因
此有助于显著提高
接收机灵敏度
耗尽区
高阻材料
工作过程
1.
常用的APD结构包括拉通型APD和保护环型APD。
图6.4 APD的结构
拉通型雪崩光电二极管（RAPD）采用 p pn 结构，其结构
示意图和电场分布如图6.5所示。图6.5（a）所示的是纵向
剖面的结构示意图。图6.5（b）所示的是将纵向剖面顺时针
转90°的示意图。图6.5（c）所示的是它的电场强度随位置
变化的分布图。
图6.5 RAPD的结构图和能带示意图
保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防
止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。
APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在
短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在长波
长区）等。
6.2 光电检测器的特性指标
6.2.1 光电检测器的工作特性
1.
在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射
的平均光功率之比称为响应度(或响应率)。响应度可以表示
如下：
式中：Ip 为光生电流的平均值(单位：A)；P为平均入射光功
率值(单位：W)。
2.
响应度是器件在外部电路中呈现的宏观
灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈
现的微观灵敏特性。量子效率定义为通
过结区的载流子数与入射的光子数之比，
常用符号η表示：
式中：e是电子电荷，其值约为1.6×1019G；ν为光频。η与ρ关系可以表示为：
式中：h是普朗克常数，c是光在真空中
的速度,λ是光电检测器的工作波长。代入
相应数值后，可以得到：
从上式可以看出：在工作波长一定时，η
与ρ具有定量的关系。
例6.2 有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉
冲时段内共入射了波长为1300nm的光子6x106 个，平
均产生了 5.4x106 个电子空隙对，则其量子效率可以
等于：
5.4  106

 0.90
6
6  10
例6.3 能量为1.53x10-19 J的光子入射到光电二极管上，此
二极管的响应度为0.65A/W，如果入射光功率为10uW，
则产生的光电流为：
I p  P  (0.65A / W )(10W )  6.5A
几种不同材料的pin 光电二极管响应度和量子效
率与波长的关系曲线
响应度
量子效率
光子能量一定时，量子效率与光功率无关，响应度是光功率的线性函数。
3.
光电二极管的响应速度是指它的光电转换速度。它取决
于以下三个因素：
1、耗尽区的光载流子的渡越时间；
2、耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；
3、光电二极管以及与其相关的电路的RC时间常数。
影响这三个因素的参数有：耗尽区宽度w、吸收系数s、
等效电容、等效电阻等。
光载流子渡越时间
耗尽区内产生的光生载流子
耗尽区宽度
载流子漂移速度
w

vd
td 
一般在耗尽区高电场的情况下，光生载流子可以达到散射的
极限速度。
例如：耗尽层为10 m的Si光电二极管
电场强度：20000 V/cm
电子最大速度：8.4 x 106 cm/s
空穴最大速度：4.4 x 106 cm/s
极限响应时间：~0.1 ns
光载流子扩散时间
耗尽区外产生的光生载流子
p区或n区产生的载流子
向耗尽区扩散
在耗尽区内漂移到电极
扩散速度 << 漂移速度
存在问题：较长的扩散时间会影响光电二极管的响应时间
解决办法：尽量扩大耗尽层宽度
上升时间和下降时间
当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响应时间可使用输出脉冲
的上升时间r和下降f时间来表示。
图6.11 10%~90%上升时间和下降时间
在理想情况下r = f，但是由于非全耗尽性中载流子扩散速度
远小于漂移速度，使得r≠f，造成脉冲不对称。
非全耗尽型光电二极管的典型相应时间
光电二极管脉冲响应
1. 为了获得较高的量子效率，耗尽区宽度w必须大于1/s (吸
收系数的倒数)，以便可以吸收大部分的光；
2. 同时如果w较大，会让二极管结电容C变小，于是RLC常数
变小，从而得到较快的响应；
3. 但是过大的w会导致渡越时间的增大
折衷取值范围：1/s < w < 2/s
不同参数条件下，光电二极管的脉冲响应
带宽
设RT是负载电阻和放大器输出电阻的组合，CT是光电二
极管结电容和放大器输入电容之和，则检测器可以近似为一个
RC低通滤波器，其带宽为：
B
1
2RT CT
例：如果光电二极管的电容为3 PF，放大器电容为4 PF，负
载电阻为1 K欧姆，放大器输入电阻为1欧姆，则CT = 7 PF，
RT =1 K欧姆，所以电路带宽：
B
1
 23MHz
2RT CT
如果将负载电阻降为50欧姆，电路带宽增加为455 MHz。
4. APD
APD的电流增益，即平均倍增因子M可
表示为：
式中：Ip为APD倍增后的光生电流；Ip0是
未倍增时的原始光生电流。若无倍增时
和倍增时的总电流分别为I1 和I2，则应扣
除当时的暗电流Id1 和Id2 后才能求出M。
5. 光电检测器的噪声
输出端光信噪比：
S/N = 光电流信号/(光检测器噪声功率+放大器噪声功率)
为了得到较高的信噪比：
1. 光检测器具有较高的量子效率，以产生较大的信号功率
2. 使光检测器和放大器噪声尽可能的低
噪声来源
雪雪雪雪
hv
雪雪
雪雪雪
RL
(雪 雪 )雪 雪 雪 雪 雪
hv
雪雪
雪雪
雪
雪
雪
雪
雪
雪
雪
雪
雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪雪
雪
雪
雪
雪
雪
雪
雪
信号部分：光生电流信号
信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的
初级光电流为：
q
i ph (t ) 
P(t )  I DC  i p (t )
hv
对于pin，均方信号电流为：
i s2   s2, pin  i p2 (t )
对于APD，均方信号电流为：
is2   s2, APD  i p2 (t ) M 2
对于一个调制指数为m的正弦输入信号，信号成分为：
m2 2
i (t )   
Ip
2
2
p
2
p
光电检测器的噪声包括量子噪声、光电二极管材料引起的
暗电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声。
量子噪声是光电子产生和收集过程具有的统计特性。对于接
收带宽为B的接收机，量子噪声均方根电流和光电流Ip的平
均值成正比。其中F(M)  Mx是噪声系数，它与雪崩过程的
随机特性有关。 i 2   2  2qI BM 2 F ( M )
Q
Q
P
光检测器暗电流是指没有光入射时流过检测器的偏置电路的
电流，它是体暗电流和表面暗电流之和：
体暗电流：pn结区热产生的电子和（或）空穴。
2
2
i DB
  DB
 2qI D M 2 F M B
表面暗电流：表面缺陷、清洁程度等引起的漏电流。
2
2
i DS
  DS
 2qI L B
雪崩倍增噪声
APD中的雪崩过程具有统计特性，不同的光生载流子
的放大倍数可能不同，给放大后的信号带来了幅度上的随机
噪声。这里定义F为过剩噪声因子，它近似等于：
F Mx
因子F用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声的
增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在0~1
之间变化，x对于Si APD为0.3，对InGaAs APD为0.7，对
Ge APD 为1.0。
总噪声
光检测器的总均方噪声电流为：
2
2
iN2   N2  iQ2  iDB
 iDS
2
2
  Q2   DB
  DS
 2q ( I P  I D ) M 2 F M B  2qIL B
放大器输入阻抗一般远大于负载电阻RL，因此检测器的
负载热噪声由RL的热噪声决定：
2
T
i
4k BT
 
B
RL
2
T
其中KB为波尔兹曼常数，T是绝对温度。
例
InGaAs光电二极管在波长为1300 nm时有如下参数：初级体暗电流ID
= 4 nA，负载电阻RL = 1000 W，量子效率=0.90，表面暗电流可以忽略
，入射光功率为300 nW (-35 dBm)，接收机带宽为20 MHz，计算接收机
的各种噪声。
首先计算初级光电流：
I p  Pin 
q
Pin 
q
Pin
hv
hc

0.90 1.6 1019 C 1.3 106 m
7

3

10
W  0.282A
34
8
6.62510 J  s (3 10 m / s)





量子噪声均方根电流：
iQ2  2qI p B  2(1.6 10 19 C )( 0.282 10 6 A)( 20 10 6 Hz )  1.80 10 18 A2
例 (续)
光检测器暗电流：
2
i DB
 2qI D B  2(1.6  10 19 C )( 4  10 9 A)( 20  10 6 Hz )  2.56  10 20 A 2
负载均方热噪声电流为：
2
T
i
4k BT
4(1.381023 J / K )(293K )

B
20106 Hz  3231018 A2
RL
1kW
信噪比
i p2 M 2
S

N 2q( I p  I D ) M 2 F ( M ) B  2qIL B  4k BTB / RL
小结：对于 pin 光电二极管，主要噪声电流来自检测器负载电
阻和放大电路的有源器件；而对于雪崩二极管，热噪声并不占
重要地位，主要噪声来源于光检测器的量子噪声和体暗电流。
最佳增益：使信噪比最大的M值。
x2
M opt

2qI L  4kBT / RL
xq( I p  I D )
温度对雪崩增益的影响
回顾M与VB的关系：
偏置电压很大时，对温
度的敏感程度大大增加
M
1
n
1  V / VB 
电流增益
其中，VB与温度的关系：
VB (T )  VB (T0 )1  aT  T0 
参数n也随温度变化：
给定偏置电压，降低温度，则
电离速度增加，电流增益变大
nT   nT0 [1  b(T  T0 )]
a, b可从实验中得到。
电压
电子空穴的电离速度取决于温度使得APD对温度非常敏感。
电离速度变快，增益会增加。为保证温度变化时增益不变，需
要增加一个补偿电路，根据温度变化调整偏置电压。
6.2.2
光电检测器的典型指标及
1.
表6.1中列出了富士通公司生产的两种光
电检测器的典型指标。
2.
与光源器件一样，在没有测试条件的情
况下，使用人员也可以借助于指针式万
用表对光电检测器件进行简易的测试。
这种测试方法主要是检查光电检测器件
PN结的好坏：PN结好不能保证器件具有
好的特性，而PN不好的器件其质量绝对
不会好。常用光电检测器件的参考数据
如表6.2所示。