《城市軌道交通通信傳輸系統(tǒng)維護(hù)》光電檢測(cè)器01光電檢測(cè)器的概念02PIN光電二極管光放大器03APD雪崩光電二極管04光電檢測(cè)器的特性光電檢測(cè)器的概念1光電檢測(cè)器

在光纖通信系統(tǒng)中，光檢測(cè)器作用是把光纖輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電檢測(cè)器是光接收機(jī)中很關(guān)鍵的部件，其性能的好壞將對(duì)接收機(jī)的靈敏度產(chǎn)生重要影響。

由于從光纖中傳過(guò)來(lái)的光信號(hào)一般是非常微弱的，因此對(duì)光電檢測(cè)器提出非常高的要求。對(duì)光電檢測(cè)器的基本要求如下：

在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度，具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)。

具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響。

具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的不失真。

具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命。

工作電壓盡量低，使用簡(jiǎn)便。

1光電檢測(cè)器的工作原理

光電檢測(cè)器由半導(dǎo)體材料P-N結(jié)組成，是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。

圖3-74半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)光電檢測(cè)器的概念PIN光電二極管2（1）PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)

利用上述光電效應(yīng)可以制造出簡(jiǎn)單的P-N結(jié)光電二極管，但光電轉(zhuǎn)換效率低。為此，在制造時(shí)，在P型、N型材料之間，加一層輕摻雜的N型材料或不摻雜的本征材料來(lái)改善光電檢測(cè)器的性能，這就是PIN光電二極管。

圖3-75PIN光電二極管PIN光電二極管2

2）PIN光電二極管工作原理

當(dāng)入射光照射到PIN光電二極管的光敏面上時(shí)，會(huì)在整個(gè)耗盡區(qū)及附近引起受激躍遷現(xiàn)象，從而產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。在外加電場(chǎng)作用下，這種光生載流子運(yùn)動(dòng)到電極。當(dāng)外部電路閉合時(shí)，就會(huì)在外部電路中形成電流，從而完成光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程。APD雪崩光電二極管3(1）雪崩光電二極管（APD）的結(jié)構(gòu)

在長(zhǎng)途光纖通信系統(tǒng)中，僅有毫瓦數(shù)量級(jí)的光功率從光發(fā)射機(jī)輸出后，經(jīng)過(guò)幾十公里光纖衰減，到達(dá)光接收機(jī)處的光信號(hào)將變得十分微弱，如果采用PIN光電二極管，則輸出的光電流僅幾個(gè)毫安。為了使數(shù)字光接收機(jī)的判決電路正常工作，就需要采用多級(jí)放大。但放大的同時(shí)會(huì)引入噪聲，從而使光接收機(jī)的靈敏度下降。如果能使電信號(hào)進(jìn)入放大器之前，先在光電二極管內(nèi)部進(jìn)行放大，則可克服PIN光電二極管的上述缺點(diǎn)。這就引出了一種光電二極管，即APD雪崩光電二極管。

圖3-76拉通型雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖APD雪崩光電二極管32）APD的雪崩效應(yīng)

APD的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)；在高場(chǎng)區(qū)內(nèi)光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，獲得高的動(dòng)能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價(jià)帶的電子得到了能量；越過(guò)禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子—空穴對(duì)；新產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子—空穴對(duì)……如此循環(huán)下去，形成雪崩效應(yīng)，使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。

APD就是利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測(cè)器。

光電檢測(cè)器的特性4光電檢測(cè)器的特性PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管的特性都包括響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)時(shí)間和暗電流。除此之外，由于APD中雪崩倍增效應(yīng)的存在，APD的特性還包括雪崩倍增特性、溫度特性等。PIN主要用于短距離、小容量的通信系統(tǒng)；APD主要用于長(zhǎng)距離、大容量的通信系統(tǒng)。光電檢測(cè)器的特性4（1）PIN光電二極管的特性①響應(yīng)度

響應(yīng)度和量子效率表征了光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)。

響應(yīng)度定義為光電二極管的平均輸出電流與平均入射光功率之比，其表示式為：式中,Ip

光電檢測(cè)器的平均輸出電流，mA；Pin

入射到光電二極管上的平均光功率，mW。

一般光電檢測(cè)器的響應(yīng)度在0.3～0.7A/W范圍。光電檢測(cè)器的特性4②響應(yīng)速度

響應(yīng)速度是指光電檢測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換速度，一般用響應(yīng)時(shí)間來(lái)表示，即從器件接收到光子時(shí)起到能夠有光生電流輸出的這段時(shí)間。顯然響應(yīng)時(shí)間越短，響應(yīng)速度越快，器件性能越好。③暗電流

在理想條件下，當(dāng)沒(méi)有光照時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無(wú)光電流輸出。但是實(shí)際上由于熱激勵(lì)等，在無(wú)光情況下，光電檢測(cè)器仍有電流輸出，這種電流稱(chēng)為暗電流。

暗電流主要由體內(nèi)暗電流和表面暗電流組成。PIN-PD的暗電流大小主要取決于其表面暗電流，而APD的暗電流大小主要取決于其體內(nèi)暗電流，由于倍增作用，APD的暗電流要比PIN-PD的暗電流大得多，且隨溫度升高，暗電流將會(huì)急劇增加。

暗電流會(huì)引起接收機(jī)噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越好。

光電檢測(cè)器的特性42）APD的特性

APD除了PIN的特性之外還包括雪崩倍增特性、溫度特性等。①倍增因子

倍增因子G實(shí)際上是電流增益系數(shù)。在忽略暗電流影響的條件下，它定義為：

式中

I0

有雪崩倍增時(shí)光電流平均值，mA

Ip

——為無(wú)倍增效應(yīng)時(shí)光電流平均值，mA

顯然，APD的響應(yīng)度比PIN增加了G

倍。目前APD的G值在40～100之間。PIN光電二極管由于無(wú)雪崩倍增作用，所以G=1。

光電檢測(cè)器的特性4②溫度特性

這里要指出的是，APD的倍增因子隨著溫度的變化而變化，當(dāng)溫度升高時(shí)，倍增因子將下降。為了保持穩(wěn)定