光检测器.pptx

第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器本章目录本章目录3.1 3.1 光源光源半导体激光器半导体激光器(LD)(LD)发光二极管发光二极管(LED)(LED)3.2 3.2 光检测器光检测器光电二极管光电二极管3.3 3.3 光无源器件光无源器件连接器连接器 耦合器耦合器 调制器等调制器等第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器光检测器由光检测器由半导体材料半导体材料制成。是光接收机的重要组成部分。制成。是光接收机的重要组成部分。3.2 3.2 光检测器光检测器主要功能是把主要功能是把光信号光信号 电信号电信号3.2 3.2 光检测器光检测器第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器 能检测出入射在其上面的光功率，并完成能检测出入射在其上面的光功率，并完成光光/电信号电信号的转换的转换 足够高的足够高的响应度响应度，对一定的入射功率能输出足够大的光电流，对一定的入射功率能输出足够大的光电流 具有尽可能具有尽可能低的噪声低的噪声，以降低器件本身对信号的影响，以降低器件本身对信号的影响 具有良好的具有良好的线性关系线性关系，以保证信号转换过程中的不失真，以保证信号转换过程中的不失真 具有具有较小的体积、较长的工作寿命较小的体积、较长的工作寿命等等对光检测器的要求：对光检测器的要求：常用的半导体光电检测器：常用的半导体光电检测器：PINPIN光电二极管光电二极管 (PIN-PD)雪崩光电二极管雪崩光电二极管 (APD)第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器3.2.1 3.2.1 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理光电二极管实际上是一个加了反向偏压的光电二极管实际上是一个加了反向偏压的PN结结N型P型耗尽层耗尽层浓度梯度的存在浓度梯度的存在扩散运动扩散运动内部电场内部电场漂移运动漂移运动外加电场外加电场加速漂移运动加速漂移运动第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器当有当有合适波长合适波长的光照射到光电二极管的光敏面上时，会在整的光照射到光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区个耗尽区 (高场区高场区)及耗尽区附近（中性区）引起及耗尽区附近（中性区）引起受激吸收受激吸收现象，从而产生电子空穴对。现象，从而产生电子空穴对。pnhv第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器pnE光生电流 I产生的电子空穴对在外部电场作用下定向移动，电子产生的电子空穴对在外部电场作用下定向移动，电子 N区，区，空穴空穴 P区，即形成与漂移电流方向相同的扩散电流，漂移区，即形成与漂移电流方向相同的扩散电流，漂移电流分量和扩散电流分量合称为光生电流电流分量和扩散电流分量合称为光生电流第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器 这种由这种由PN结构成，在入射光的作用下由于结构成，在入射光的作用下由于受激吸收受激吸收过过程产生的电子程产生的电子空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，称空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，称为为光电二极管光电二极管（PD）由于由于PNPN结耗尽层只有几微米结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸，大部分入射光被中性区吸收，收，因而因而光电转换效率光电转换效率低低，响应响应速度速度慢慢。第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器3.2.2 PIN光电二极管光电二极管加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层高掺杂高掺杂P+型型高掺杂高掺杂N+型型I(本征本征)层：低掺杂层：低掺杂N型型耗尽区耗尽区1 1、结构、结构第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器2 2、工作原理、工作原理当入射光照射这样的一个当入射光照射这样的一个PINPIN结构的半导体时，由于结构的半导体时，由于P+和和N+很薄，很薄，入射光很快的进入到入射光很快的进入到I I层层，因而光生电流中，因而光生电流中漂移分漂移分量占支配地位量占支配地位，从而大大提高了响应速度。，从而大大提高了响应速度。I I层很厚，并且层很厚，并且吸收系数很小吸收系数很小，因此可以大大的提高光，因此可以大大的提高光电转换效率。电转换效率。第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器3 3、PINPIN光电二极管的特性光电二极管的特性 截止波长截止波长 显然不是任意波长的入射光照射这种结构的显然不是任意波长的入射光照射这种结构的PNPN结都可以发结都可以发生生受激吸收受激吸收，从而产生光生电流。，从而产生光生电流。当当 时，受激吸收才会发生时，受激吸收才会发生禁带宽度禁带宽度入射光子频率入射光子频率普朗克常量普朗克常量第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器 即某一即某一PDPD来说，只有当入射光的波长小于某一数值时，来说，只有当入射光的波长小于某一数值时，才会有光电效应，因此把这一能发生光电效应的临界波才会有光电效应，因此把这一能发生光电效应的临界波长称为长称为截止波长截止波长第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器 不同材料的禁带宽度不同，因此不同材料制作的光电二不同材料的禁带宽度不同，因此不同材料制作的光电二极管有不同的波长响应。极管有不同的波长响应。例：有一个例：有一个GaAs光电二极管，在光电二极管，在300 k时其带隙能量为时其带隙能量为1.43 eV，其截止波长为：其截止波长为：因此，检测器因此，检测器不能用于波长范围大于不能用于波长范围大于869 nm的系统中的系统中。硅材料制作的硅材料制作的PDPD锗材料制作的锗材料制作的PDPD第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器 量子效率和光谱特性量子效率和光谱特性光光电转换效率一般用效率一般用量子效率量子效率或或响响应度度来来表示表示量子效率是器件在量子效率是器件在内部内部呈现的呈现的微观微观灵敏特性。灵敏特性。响应度是器件在响应度是器件在外部外部电路中呈现的电路中呈现的宏观宏观灵敏特性，灵敏特性，量子效率量子效率 表述入射光子能够转换称光电流的概率表述入射光子能够转换称光电流的概率第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器此时量子效率此时量子效率第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器量子效率只量子效率只与与PIN-PD的的结构构以及波以及波长有有关关，而，而与与P0无无关关通通过改改变PIN-PD的的结构参数构参数就可以改善量子效率就可以改善量子效率减减小小P+上涂的抗反射膜的反射系上涂的抗反射膜的反射系数数r，使得入射的光，使得入射的光子子数数增加增加从从而使得而使得产生的生的电子子空穴空穴对数数目增加，提高量子效率目增加，提高量子效率减减小中性小中性区区的厚度的厚度1同同时增加耗增加耗尽尽层的厚度的厚度第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器例：有一个InGaAs光电二极管，在100ns内共入射了波长为1300 nm的光子6106 个，产生了 5.4106 个电子空隙对，则其量子效率可以等于：耗耗尽区尽区越越宽，PIN-PD的的响响应速度速度会会变慢。因此二者慢。因此二者构构成一成一对折衷。折衷。实际检测器的量子效率一般在30%-95%之间。第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器 响应度响应度光电二极管的性能常使用响应度光电二极管的性能常使用响应度来表征：来表征：在在1550 nm处典型响应度为处典型响应度为0.7 A/W第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器 光谱特性光谱特性Si和和Ge作为光敏材料响应度都不高作为光敏材料响应度都不高Si 适用于适用于0.80.9mGe和和InGaAs适用于适用于1.31.5m图3-31 PIN光电二极管响应度、量子效应率与波长的关系第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器 响应时间和频率特性响应时间和频率特性光电二极管对高速调制光信号的响响应能力能力用脉冲脉冲响响应时间或截止截止频率率fc(带宽B)表示 当检测器接收的是当检测器接收的是数字脉冲信号调制的光信号数字脉冲信号调制的光信号时，响应时时，响应时间可使用输出脉冲的上升时间间可使用输出脉冲的上升时间r和下降和下降f时间来表示。时间来表示。第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器在在理想理想情情况况下（耗下（耗尽尽层完全耗完全耗尽尽）tr=tf，但是由于耗但是由于耗尽尽层在未耗在未耗尽尽的低偏的低偏压情情况况下，下，载流子流子扩散速度散速度远小于漂小于漂移速度，使得移速度，使得trtf，造成脉冲不造成脉冲不对称称。耗尽层完全耗尽时，光电二极管具有单一的时间常数耗尽层完全耗尽时，光电二极管具有单一的时间常数0，其前沿和后沿的变化规律都是指数函数，分别是：，其前沿和后沿的变化规律都是指数函数，分别是：所以响应时间为：所以响应时间为：第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器 当接收的是经频率为当接收的是经频率为 的正弦信号调制后的信号时，的正弦信号调制后的信号时，用光生电流下降到用光生电流下降到3dB3dB的频率的频率截止频率截止频率 来表示响应速度。来表示响应速度。当光电二极管具有单一时间常数当光电二极管具有单一时间常数0时，时，（3.17）第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器影影响响响响应时间和截止和截止频率的主要因素：率的主要因素：a)耗耗尽区尽区的光的光载流子的流子的渡越渡越时间b)耗耗尽区尽区外外产生的光生的光载流子的流子的扩散散时间c)光光电二二极极管以及管以及与与其相其相关关的的电路的路的RC时间常常数数影影响响这三三个个因素的因素的参数参数有：耗有：耗尽区尽区宽度度、吸收系、吸收系数数a、等效等效电容、等效容、等效电阻等阻等第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器a)a)渡越时间渡越时间当调制频率与渡越时间d的倒数可以相比时，耗尽层(I层)对量子效率()的贡献可以表示为(3.18)第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器减减小小耗耗尽尽层宽度度w，可以减减小小渡越渡越时间d，从而提高提高截止截止频率率fc，但是同时要降低降低量子效率量子效率。由()/(0)=得到由渡越时间d限制的截止频率（3.19）第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器b)b)光载流子扩散时间光载流子扩散时间耗尽区外产生的光生载流子耗尽区外产生的光生载流子P区或区或N区产生的载流子区产生的载流子向耗尽区扩散向耗尽区扩散在耗尽区内快速漂移到电极在耗尽区内快速漂移到电极存在问题：较长的扩散时间会影响光电二极管的响应时间存在问题：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解决办法：尽量扩大耗尽层宽度扩散速度扩散速度 漂移速度漂移速度第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器c)c)带宽带宽PD可以等效为一个可以等效为一个电流源电流源，设，设Rt是检测器电路电阻，是检测器电路电阻，Cd是光电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个RC低通滤波器，其带宽为：低通滤波器，其带宽为：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Cd=7 PF，Rt=1 K欧姆，所以电路带宽：如果将负载电阻降为50欧姆，电路带宽增加为455 MHz。第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器(3)(3)噪声噪声噪声是反映光电二极管特性的一个重要参量。噪声是反映光电二极管特性的一个重要参量。噪声噪声包括：散粒噪声散粒噪声(Shot Noise)(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生)热噪声热噪声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产生)噪声常用噪声常用均方噪声电流均方噪声电流来描述来描述1 1负载上消耗的噪声功率负载上消耗的噪声功率第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器 均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流、量子噪声量子噪声光信号照射到检测器时，光电子产生和收集过程具有光信号照射到检测器时，光电子产生和收集过程具有随随机性机性，从而带来量子噪声。，从而带来量子噪声。只要有输入光信号就会有量子噪声，这是一种不可克服只要有输入光信号就会有量子噪声，这是一种不可克服的的本征噪声本征噪声，它决定了光接收机灵敏度的，它决定了光接收机灵敏度的极限极限。第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器、暗电流产生的噪声暗电流产生的噪声 暗电流：器件在暗电流：器件在反偏压反偏压条件下，条件下，没有光入射光没有光入射光时时 的反向的反向直流直流电流电流晶体表面缺陷形成的晶体表面缺陷形成的泄漏电流泄漏电流载流子热扩散形成的载流子热扩散形成的本征暗电流本征暗电流暗电流的大小与制作光电二极管的材料和结构有关。暗电流的大小与制作光电二极管的材料和结构有关。Si-PIN Ge-PIN第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器、均方热噪声电流均方热噪声电流(3.23)i2T=k=1.3810-23J/K为为波尔兹曼常数波尔兹曼常数波尔兹曼常数波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。PIN-PD的的总均方噪声电流：总均方噪声电流：第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器3.2.3 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管图 3.32 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系 随着随着反向偏压反向偏压的增加的增加，开始，开始光电流光电流基本保持基本保持不变。不变。当当反向偏压反向偏压增加到一增加到一定数值时，定数值时，光电流光电流急剧急剧增加，最后器件被击穿增加，最后器件被击穿，这个电压称为，这个电压称为击穿电击穿电压压UBUB。APDAPDAPDAPD就是根据这种特性设就是根据这种特性设计的器件。计的器件。第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器1 1、工作原理、工作原理第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器 根根据据光光电电效效应应，当当光光入入射射到到PNPN结结时时，光光子子被被吸吸收收而而产产生生电电子子-空空穴对穴对(一次电子一次电子)。如如果果电电压压增增加加到到使使电电场场达达到到200 200 kV/cmkV/cm以以上上，初初始始电电子子(一一次次电电子子)在高电场区获得足够能量而加速运动在高电场区获得足够能量而加速运动 高速运动的电子和晶格原子相碰撞，高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子使晶格原子电离电离，产生新的，产生新的电子电子 -空穴对空穴对（二次电子二次电子）。）。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使，致使载流子载流子雪崩式倍增雪崩式倍增 图图 3.33 APD载流子雪崩式倍增示意图载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）只画出电子）第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器发出的光的波长发出的光的波长是是0.85mp+ppn+结构N+PP+结构结构高阻材料带有少量p掺杂的本征材料2 2、拉通型雪崩二极管、拉通型雪崩二极管 (RAPD)(RAPD)第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器“拉通拉通”来源于其工作情况：来源于其工作情况：增加偏压，使耗尽区正好拉通到整个本征增加偏压，使耗尽区正好拉通到整个本征p p区，是一种全区，是一种全耗型结构。耗型结构。结构优点：结构优点：光电转换效率光电转换效率高高 响应速度响应速度快快 附加噪声附加噪声低低第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器3 3、APDAPD的特性的特性 倍增因子倍增因子 雪崩过程是一次光生电子雪崩过程是一次光生电子空穴对，电场加速后，获得高能量，又电离出二次电子空穴空穴对，电场加速后，获得高能量，又电离出二次电子空穴对，从而使得输出电流得到雪崩增益的过程，并且雪崩过程对，从而使得输出电流得到雪崩增益的过程，并且雪崩过程是是随机随机的，因此用一次光生电流产生的的，因此用一次光生电流产生的平均增益的倍数平均增益的倍数来描来描述它的放大作用。述它的放大作用。把倍增因子把倍增因子g g定义为定义为APDAPD输出光电流输出光电流I Io o和和一次光生电流一次光生电流I IP P的比值。的比值。(3.25)第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器APDAPD的响应度要比的响应度要比PINPIN的响应度大的响应度大g g倍！倍！即：即：APDAPD的的g g已经达到已经达到几十，甚至几百几十，甚至几百。倍增因子倍增因子g g是与是与反向偏压、波长、温度反向偏压、波长、温度有关的一个物理量有关的一个物理量第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器 当考虑到器件电阻的影响时，根据经验，当考虑到器件电阻的影响时，根据经验，APDAPD的倍增因的倍增因子可以表示为：子可以表示为：(3.26)U U 为工作工作电压，U U为为反向偏压反向偏压，U UB B为为击穿电压击穿电压，n n为与材料特性和入射光波长有关的常数，为与材料特性和入射光波长有关的常数，R R为为体电阻体电阻当UUB时，RIo/UB1，上式可简化为(3.27)第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器 过剩噪声因子过剩噪声因子 雪崩倍增效应不仅对信号电流而且对噪声电流也有放大雪崩倍增效应不仅对信号电流而且对噪声电流也有放大作用，当不考虑其他因素时，作用，当不考虑其他因素时，APDAPD的均方噪声电流为：的均方噪声电流为：这是对噪声电流直接放大产生的，并这是对噪声电流直接放大产生的，并未未引入新的噪声成分。引入新的噪声成分。APDAPD中的雪崩中的雪崩过程具有过程具有统计特性统计特性，不同的光生载流子的，不同的光生载流子的放大倍数可能不同放大倍数可能不同，给放大后，给放大后的信号带来了幅度上的的信号带来了幅度上的随机噪声随机噪声。这里定义。这里定义F F 为过剩噪声因子为过剩噪声因子第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器F F是雪崩效应的随机性引起噪声增加的是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数倍数x称为附加噪声指数，在称为附加噪声指数，在01之间变化，具体值一般之间变化，具体值一般取决于取决于材料材料：Si APD x=0.30.5InGaAs APD x=0.5 0.7Ge APD x=0.81.0第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器APD的的均方量子噪声电流均方量子噪声电流应为应为APD暗电流暗电流产生的均方噪声电流应为产生的均方噪声电流应为当当g=1时，所有的结果都和时，所有的结果都和PIN的一致的一致对于对于APDAPD，电路噪声不占重要地位，主要噪声来源于检测器被，电路噪声不占重要地位，主要噪声来源于检测器被 雪崩区雪崩区放大放大了的了的量子噪声和暗电流量子噪声和暗电流第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器3.2.4 PD3.2.4 PD的一般性能和应用的一般性能和应用 APD APD用于对灵敏度要求用于对灵敏度要求较高较高的系统的系统优点：采用优点：采用APDAPD有利于有利于延长延长系统的传输距离。系统的传输距离。缺点：要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，缺点：要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，成本增加成本增加 PINPIN用于对灵敏度要求用于对灵敏度要求不太高不太高的系统的系统第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器-5-15-5-15工作电压 /V120.51结电容 Cj/pF0.21210响应时间250.11暗电流 Id/nA0.6(1.3m)0.4(0.85m)响应度1.01.60.41.0波长响应InGaAs-PINSi-PIN表表3.3 PIN光电二极管一般特性光电二极管一般特性第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器0.50.70.30.4附加噪声指数 x203030100倍增因子 g406050100工作电压 /V0.512结电容 Cj/pF0.10.30.20.5响应时间10200.11暗电流 Id/nA050.70.5响应度11.650.41.0波长响应InGaAs-APDSi-APD表表3.4 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）一般性能）一般性能第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器作业：作业：课本（第一版）课本（第一版）7474页页 1515题和题和1717题题第二版第二版7777页页 3-153-15和和5-175-17第三章 通信用光器件3.2 3.2 光检测器光检测器PNPN结两端施结两端施加加反向反向电压电压内部电场内部电场加强加强加速加速了漂移运动了漂移运动耗尽层变耗尽层变宽宽中性区变中性区变窄窄受激吸收产生的电子受激吸收产生的电子空穴对减少了，即光生电空穴对减少了，即光生电流中的扩散电流分量流中的扩散电流分量减小减小提高提高响应速度响应速度载流子穿过耗尽层在载流子穿过耗尽层在闭合回路中形成光生闭合回路中形成光生电流所需的时间变电流所需的时间变长长响应速度变响应速度变慢慢矛盾矛盾