光检测器和光接收器整

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1、第4章光检测器和光接收器光检测器的工作原理光检测器的特性参数光接收机光收发合一模块光纤通信技术的回顾和展望4.1光检测器的工作原理光检测器的作用是将接收到的光信号转换成电流信号。其工作过程的基本机理是光的吸收，见第1章1.1节。当能量超过禁带宽度Eg的光子入射到半导体材料上时，每一个光子若被半导体材料吸收将会产生一个电子-空穴对，如果此时在半导体材料上加上电场，电子-空穴对就会在半导体材料中渡越，形成光电流。图4.1.1说明了光检测器的工作原理。图4.1.1光检测器的工作原理左侧入射的信号光透过P＋区进入耗尽区，当PN结上加反向偏置电压时，耗尽区内受激吸收生成

2、的电子-空穴对分别在电场的作用下做漂移运动，电子向N区漂移，空穴向P＋区漂移，从而在外电路形成了随光信号变化的光生电流信号。耗尽区的宽度由反向电压的大小决定。符号P＋表示重掺杂区。4.1.1PIN光检测器PIN光检测器也称为PIN光电二极管，在此，PIN的意义是表明半导体材料的结构，P+和N型半导体材料之间插入了一层掺杂浓度很低的半导体材料（如Si），记为I，称为本征区，如图4.1.2所示。图4.1.2PIN光电二极管在图4.1.1中，入射光从P+区进入后，不仅在耗尽区被吸收，在耗尽区外也被吸收，它们形成了光生电流中的扩散分量，如P+区的电子先扩散到耗尽区的左边界，然后通过耗尽区

3、才能到达N区，同样，N区的空穴也是要扩散到耗尽区的右边界后才能通过耗尽区到达P+区。我们将耗尽区中光生电流称为漂移分量，它的传送时间主要取决于耗尽区宽度。显然扩散电流分量的传送要比漂移电流分量所需时间长，结果使光检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，由此产生的时延将影响光检测器的响应速度。设耗尽区宽度为w，载流子在耗尽区的漂移时间可由下式计算，即（4.1.1）是载流子的漂移速度；如果耗尽区的宽度较窄，大多数光子尚未被耗尽区吸收，便已经到达了N区，而在这部分区域，电场很小，无法将电子和空穴分开，所以导致了量子效率比较低。的典型值为100ps。实际上，PN结耗尽区可等效成电容，它的大小与

4、耗尽区宽度的关系如下：（4.1.2）式中，是半导体的介电常数；A是耗尽区的截面积。Cd的典型值为1～2pF。可见，耗尽区宽度w越窄，结电容越大，电路的RC时间常数也越大，不利于高速数据传输。考虑到漂移时间和结电容效应，光电二极管的带宽可以表示成（4.1.3）式中，RL是负载电阻。由上述分析可知，增加耗尽区宽度是非常有必要的。由图4.1.2可见，I区的宽度远大于P+区和N区宽度，所以在I区有更多的光子被吸收，从而增加了量子效率；同时，扩散电流却很小。PIN光检测器反向偏压可以取较小的值，因为其耗尽区厚度基本上是由I区的宽度决定的。当然，I区的宽度也不是越宽越好，由式（4.1.1）

5、和式（4.1.3）可知，宽度w越大，载流子在耗尽区的漂移时间就越长，对带宽的限制也就越大，故需综合考虑。由于不同半导体材料对不同波长的光吸收系数不同，所以本征区的宽度选取也各不相同。例如SiPIN光吸收系数比InGaAsPIN小两个数量级，所以它的本征区宽度大约是40m，而InGaAsPIN本征区宽度大约是4m。这也决定了两种不同材料制成的光检测器带宽和使用的光波段范围不同，SiPIN用于850nm波段，InGaAsPIN则用于1310nm和1550nm波段。4.1.2APD光检测器APD光检测器也称为雪崩光电二极管（AvalanchePhotodiode），其工作机理如下：

6、入射信号光在光电二极管中产生最初的电子-空穴对，由于光电二极管上加了较高的反向偏置电压，电子-空穴对在该电场作用下加速运动，获得很大动能，当它们与中性原子碰撞时，会使中性原子价带上的电子获得能量后跃迁到导带上去，于是就产生新的电子-空穴对，新产生的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。这些二次载流子同样能在强电场作用下，碰撞别的中性原子进而产生新的电子-空穴对，这样就引起了产生新载流子的雪崩过程。也就是说，一个光子最终产生了许多的载流子，使得光信号在光电二极管内部就获得了放大。从结构来看，APD与PIN的不同在于增加了一个附加层P，如图4.1.3所示。在反向偏置时，夹在I层与N+层间

7、的PN+结中存在着强电场，一旦入射信号光从左侧P+区进入I区后，在I区被吸收产生电子-空穴对，其中的电子迅速漂移到PN+结区，PN+结中的强电场便使得电子产生雪崩效应。图4.1.3APD光电二极管与PIN光检测器比较起来，光电流在器件内部就得到了放大，从而避免了由外部电子线路放大光电流所带来的噪声。我们从统计平均的角度设一个光子产生M个载流子，它等于APD光电二极管雪崩后输出的光电流IM与未倍增时的初始光电流IP的比值（4.1.4）式中，M称为倍增因子。倍增因子与载流子的电离率有