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1、3.1 光电检测器1.1.光接收机的构成光接收机的构成光接收机的构成光接收机的构成2.2.光电二极管（光电二极管（光电二极管（光电二极管（PDPD）3.3.雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管11.数字光接收机的数字光接收机的组成成激光器驱动电路Fiber时钟提取/数据再生前置放大器主放大器.均衡器PDLD数据输入数据输出22、光电二极管（、光电二极管（PD）1 1）PDPD的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 原理原理原理原理:光电效应光电效应光电效应光电效应 -受激受激受激受激吸收过程吸收过程吸收过程吸收过程 入射光子的能量大于禁入射光子的能量大于禁带宽度度,光子被
2、吸收光子被吸收,产生生电子子空穴空穴对.电子空穴对在电场的作用电子空穴对在电场的作用下定向运动下定向运动,形成光电流形成光电流.h Eg 或或 hc/Eg PINPINPINPIN能带图能带图能带图能带图耗尽区耗尽区耗尽区耗尽区3 定义：定义：为光电二极管的为光电二极管的上截止波长上截止波长。SiSi材料的材料的PDPD：1.06 1.06 mm GeGe 或或InGaAsInGaAs材料：材料：1.61.7 1.61.7 mm当入射波长太短时，光电转换效率会当入射波长太短时，光电转换效率会下降。下降。SiSi材料的材料的PDPD：0.51.0 0.51.0 mm GeGe 或或InGaAsI
3、nGaAs材料材料：1.11.6 1.11.6 mm2 2）PDPD的工作特性的工作特性的工作特性的工作特性 a)波长响应范围波长响应范围 吸收的光功率：P(x)=P(0)1 e-()x 4(b)光电转换效率光电转换效率 量子效率量子效率:定义为定义为单位时间内产生的光生单位时间内产生的光生电子空穴对数与单位电子空穴对数与单位时间入射的总光子数之时间入射的总光子数之比。比。响应度响应度:定义为定义为光生电流与入射光功率光生电流与入射光功率之比。之比。Ip=(e0/h)p0(1 R)exp(-w1)1-exp(-w)=(A/W)=(1 R)exp(-w1)1-exp(-w)5光子吸收示意图光子吸
4、收示意图光子吸收示意图光子吸收示意图I Ip p =(=(e e0 0/hvhv)p p0 0(1-(1-R R)exp(-exp(-w w1 1)1-exp(-1-exp(-w w)w w1 1w w(表面层表面层)(耗尽层耗尽层)6提高量子效率需要采取以下措施：提高量子效率需要采取以下措施：提高量子效率需要采取以下措施：提高量子效率需要采取以下措施：减小入射表面的反射率减小入射表面的反射率减小入射表面的反射率减小入射表面的反射率增加耗尽区宽度增加耗尽区宽度增加耗尽区宽度增加耗尽区宽度,减小零电场区的厚度（采用减小零电场区的厚度（采用减小零电场区的厚度（采用减小零电场区的厚度（采用PINPI
5、N结结结结构）构）构）构）在PN结光电二极管基础上加以改进，在PN结中间加上接近本征半导体的I层(轻掺杂的N区)，形成PIN结构（见图3.1.3）。P和N层都很薄，因此光电二极管吸收光的区域基本上在耗尽区。7不同材料光电二极管的响应度曲线不同材料光电二极管的响应度曲线不同材料光电二极管的响应度曲线不同材料光电二极管的响应度曲线8(c)响应速度响应速度 响应速度通常用响应时间表示。响应速度通常用响应时间表示。响应时间为光电二极管对矩形光脉响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的上升或下降时间。影响响应速度的主要因素有：冲的上升或下降时间。影响响应速度的主要因素有：(a)光电二极管结电容及其负载电阻的光
6、电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数时间常数(b)载流子在耗尽区里的渡越时间载流子在耗尽区里的渡越时间(c)耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟 反向偏压的作用反向偏压的作用:对光电二极管上施加反向偏压是十对光电二极管上施加反向偏压是十分有利的。原因是耗尽区宽度增加，结电容减小，载流子分有利的。原因是耗尽区宽度增加，结电容减小，载流子的漂移速度也快，所以不仅提高了量子效率，而且加快了的漂移速度也快，所以不仅提高了量子效率，而且加快了响应速度。响应速度。91011不同的脉冲响应情况不同的脉冲响应情况不同的脉冲响应情况不同的脉冲响应情况12(
7、d)暗电流暗电流 无光照时光电二极管的反向漏电流，称为无光照时光电二极管的反向漏电流，称为暗暗电流电流。暗电流的无规则随机涨落产生噪声。暗电流的无规则随机涨落产生噪声。133 3）光电二极管的结构）光电二极管的结构）光电二极管的结构）光电二极管的结构l l PINPIN的结构的结构的结构的结构l l 异质结构异质结构异质结构异质结构 14长波长长波长长波长长波长PINPINPINPIN管异质结构示意图管异质结构示意图管异质结构示意图管异质结构示意图原理描述：原理描述：PINPIN结构结构 异质结构异质结构 InPInP是宽带隙材料，是宽带隙材料，c c=0.96=0.96 m,m,对长波长的光
8、不吸收对长波长的光不吸收;InGaAsInGaAs是窄带隙材料，是窄带隙材料，c c=1.7=1.7 m m 153、雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD，Avalanche Photodiode)1)1)工作原理工作原理工作原理工作原理 光电效应光电效应雪崩倍增效应雪崩倍增效应。16电离系数：电离系数：e,h电离系数比：电离系数比：k=h/e17182 2）APDAPD的工作特性的工作特性的工作特性的工作特性 （a)APD的平均雪崩增益和雪崩击穿电压的平均雪崩增益和雪崩击穿电压 平均雪崩增益定义为平均雪崩增益定义为:G=G=I Imm/I Ip p 式中式中I Ip p为一次光电流，为一次光
9、电流，I Imm为倍增后输出电流的平均值。由为倍增后输出电流的平均值。由于倍增过程是随机产生的，因此雪崩倍增效具有统计的特于倍增过程是随机产生的，因此雪崩倍增效具有统计的特征，故倍增效应应取统计平均值。征，故倍增效应应取统计平均值。G与反向电压有关：与反向电压有关：V越大，越大，G值越高。存在击穿电压值越高。存在击穿电压.考虑纯电子电流注入高场区的情况考虑纯电子电流注入高场区的情况1920雪崩击穿雪崩击穿21工程上工程上工程上工程上用暗电流增加到一定值来定义击穿电压用暗电流增加到一定值来定义击穿电压用暗电流增加到一定值来定义击穿电压用暗电流增加到一定值来定义击穿电压22(b)APD的的过剩噪声
10、过剩噪声 雪崩倍增雪崩倍增过程引入更大的随机性。用过剩噪声系数和过程引入更大的随机性。用过剩噪声系数和过剩噪声指数表示。过剩噪声指数表示。APD的过剩噪声系数的过剩噪声系数F(G)APD的过剩噪声指数的过剩噪声指数x 23APDAPD的结构设计的结构设计的结构设计的结构设计:对对对对k k远小于远小于远小于远小于1 1的的的的APD,APD,应尽量使电子电流注入高场区应尽量使电子电流注入高场区应尽量使电子电流注入高场区应尽量使电子电流注入高场区;对对对对k k远大于远大于远大于远大于1 1的的的的APD,APD,应尽量使空穴电流注入高场区应尽量使空穴电流注入高场区应尽量使空穴电流注入高场区应尽
11、量使空穴电流注入高场区;避免使用避免使用避免使用避免使用k=1k=1的材料制作的材料制作的材料制作的材料制作APDAPD。理论分析得到电子电流和空穴电流注入高场区时理论分析得到电子电流和空穴电流注入高场区时理论分析得到电子电流和空穴电流注入高场区时理论分析得到电子电流和空穴电流注入高场区时24253 3）APDAPD的结构的结构的结构的结构 (1)Si-APD(1)Si-APD结构结构结构结构 保护环型保护环型 拉通型。拉通型。保护环型（保护环型（保护环型（保护环型（GAPDGAPD）26拉通型（拉通型（拉通型（拉通型（Reach-through APDReach-through APD，RA
12、PDRAPD）27(2)(2)长波长长波长长波长长波长APDAPD结构结构结构结构(3)(3)SAM-APDSAM-APD (Separated (Separated Absorption and Absorption and Multiplexing APD)Multiplexing APD)入射光透明地经过高入射光透明地经过高场区，在吸收区被充分场区，在吸收区被充分吸收，形成吸收区和倍吸收，形成吸收区和倍增区分离的结构。增区分离的结构。形成纯空穴电流注入形成纯空穴电流注入高场区，减小过剩噪声，高场区，减小过剩噪声，加大增益。加大增益。28SAGM-APDSAGM-APD：在在InPInP材料材料和和InGaAsInGaAs材料间加入一层材料间加入一层或几层禁带宽度小于或几层禁带宽度小于InPInP大大于于InGaAsInGaAs的的InGaAsPInGaAsP材料材料,形成带隙渐变的过渡区。形成带隙渐变的过渡区。SAGMSAGM具有过剩噪声小、具有过剩噪声小、倍增大、响应速度快的优倍增大、响应速度快的优点。点。29