第四章光檢測器與光接收機(jī)(1)2025/10/17光纖通信系統(tǒng)2光接收機(jī)的作用與組成APD雪崩光電二極管

PIN光電二極管光電檢測原理本節(jié)內(nèi)容2025/10/17光纖通信系統(tǒng)3光檢測器作用

光檢測器的作用是：檢測出入射在其上的光功率，并把這個(gè)光功率的變化轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)變化的電流。光檢測器件質(zhì)量的優(yōu)劣在很大程度上決定了光接收機(jī)靈敏度的高低。從損耗的角度出發(fā)，光接收機(jī)靈敏度和光源器件的發(fā)光功率、光纖的損耗三者一起便決定了光纖通信的傳輸距離。2025/10/17光纖通信系統(tǒng)4光纖通信對光檢測器的要求響應(yīng)度(量子效率)高;響應(yīng)度是指輸入單位光功率信號時(shí)光檢測器所產(chǎn)生的電流值。因?yàn)閺墓饫w傳輸來的光信號十分微弱，僅有毫微瓦（nw）數(shù)量級，要想從中檢測出通信信息，光檢測器必須具有很高的響應(yīng)度，即必須具有很高的光/電轉(zhuǎn)換效率η。

噪聲低;光檢測器在工作時(shí)會產(chǎn)生一些附加噪聲如暗電流噪聲、雪崩噪聲等。這些噪聲如果很大，就會附加在只有毫微瓦數(shù)量級的微弱光信號上，降低了光接收機(jī)的靈敏度。

工作電壓低;與光源器件不同，光檢測器是工作在反向偏置狀態(tài)。有一類光檢測器件APD，必須處在接近反向擊穿狀態(tài)才能很好的工作，因此需要較高的工作電壓（100伏以上）。工作電壓過高,會給使用帶來不便。

體積小、重量輕、壽命長。由于光檢測器的光敏面（接收光的面積）一般都可以做到大于光纖的纖芯，所以從光纖傳輸來的光信號基本上可以全部被光檢測器件接收，故不存在與光纖的耦合效率問題。

2025/10/17光纖通信系統(tǒng)5不同材料的吸收系數(shù)2025/10/17光纖通信系統(tǒng)6光檢測器種類PIN光電二極管1APD雪崩光電二極管22025/10/17光纖通信系統(tǒng)7PIN光電二極管

結(jié)構(gòu)

工作原理

性能參數(shù)

特點(diǎn)及應(yīng)用2025/10/17光纖通信系統(tǒng)8雪崩光電二極管APD

結(jié)構(gòu)

工作原理

性能參數(shù)

特點(diǎn)及應(yīng)用2025/10/17光纖通信系統(tǒng)9光檢測器的比較（1）參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍

nm400~1100800~16501100~1700響應(yīng)度RA/W0.4~0.60.4~0.50.75~0.95暗電流IDnA1~1050~5000.5~2.0上升時(shí)間

rns0.5~1.00.1~0.50.05~0.5帶寬BGHz0.3~0.70.5~3.01.0~2.0偏置電壓VBV55~105Si、Ge、InGaAspin光電二極管的通用工作特性參數(shù)2025/10/17光纖通信系統(tǒng)10光檢測器的比較（2）參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍

nm400~1100800~16501100~1700雪崩增益M——20~40050~20010~40暗電流IDnA0.1~150~50010~50@M=10上升時(shí)間

rns0.1~20.5~0.80.1~0.5增益帶寬積M?BGHz100~4002~1020~250偏置電壓VBV150~40020~4020~30Si、Ge、InGaAs雪崩光電二極管的通用工作特性參數(shù)2025/10/17光纖通信系統(tǒng)11光檢測器的比較（3）在短距離的應(yīng)用中，工作在850nm的Si器件對于大多數(shù)鏈路是個(gè)相對比較廉價(jià)的解決方案。在長距離的鏈路常常需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。APD檢測器與PIN檢測器相比，具有載流子倍增效應(yīng)，其探測靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償電路。要視具體應(yīng)用場合而選定。2025/10/17光纖通信系統(tǒng)12光檢測器的作用與要求

兩種典型的光檢測器

PIN光電二極管雪崩光電二極管APD

光接收機(jī)

2025/10/17光纖通信系統(tǒng)13小結(jié)光電檢測過程的基本機(jī)制是光吸收。探測器響應(yīng)的波長取決于它們的成分。雪崩光電二極管是具有內(nèi)置放大器的高速探測器。2025/10/17光纖通信系統(tǒng)14PIN的結(jié)構(gòu)2025/10/17光纖通信系統(tǒng)15PIN光電二極管的特性響應(yīng)度R；響應(yīng)時(shí)間；結(jié)電容；暗電流。2025/10/17光纖通信系統(tǒng)16響應(yīng)度R（量子效率）

入射光功率Pin中含有大量光子，能轉(zhuǎn)換為光電流的光子數(shù)和入射總光子數(shù)之比稱為量子效率η。

Ip=RPinR=Ip/Pin=ηλ/1.24(A/W)2025/10/17光纖通信系統(tǒng)17

PIN光電二極管的響應(yīng)時(shí)間主要是由光生載流子在耗盡層的渡越時(shí)間和包括PIN光電二極管的結(jié)電容Cd在內(nèi)的檢測電路的RC常數(shù)所決定的。耗盡層的寬度必須取量適中。其值大固然能提高光電二極管的量子效率，但會使光生載流子的渡越時(shí)間增長，影響其頻率特性，使之難以在高碼速率時(shí)使用。PIN光電二極管的響應(yīng)時(shí)間一般在1ns左右。響應(yīng)時(shí)間2025/10/17光纖通信系統(tǒng)18結(jié)電容Cd也是PIN光電二極管的重要參數(shù)。一方面它影響PIN光電二極管的響應(yīng)時(shí)間，另一方面它對光接收機(jī)的靈敏度有重要影響。結(jié)電容越小越好，一般為幾個(gè)pf。結(jié)電容Cd2025/10/17光纖通信系統(tǒng)19

暗電流是PIN光電二極管附加噪聲的主要來源。它由兩部分組成，一是由構(gòu)成PIN光電二極管材料的能帶結(jié)構(gòu)決定的體電流，二是制造工藝過程所產(chǎn)生的泄露電流。PIN光電二極管的暗電流一般在幾個(gè)毫微安以下。 由于PIN光電二極管沒有倍增效應(yīng)，加上暗電流較小，本身產(chǎn)生的附加噪聲很低，所以對光接收機(jī)靈敏度產(chǎn)生的影響并不顯著。暗電流2025/10/17光纖通信系統(tǒng)202025/10/17光纖通信系統(tǒng)21PIN的特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：附加噪聲小、工作電壓低、工作壽命長、使用方便和價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：沒有倍增效應(yīng)，因而用它作的接收機(jī)靈敏度不高。應(yīng)用：較短距離的光纖通信。（小容量與大容量皆可）2025/10/17光纖通信系統(tǒng)22APD的結(jié)構(gòu)2025/10/17光纖通信系統(tǒng)23

G=IM/IP式中：IM是有雪崩時(shí)光電流的平均值；IP是無雪崩時(shí)光電流的平均值。從定義可見，倍增因子是APD的電流增益系數(shù)。由于雪崩倍增過程是一個(gè)隨機(jī)過程，因而倍增因子是在一個(gè)平均之上隨機(jī)起伏的量，式中定義應(yīng)理解為統(tǒng)計(jì)平均倍增因子。雪崩倍增因子G

APD的特性參數(shù)噪聲因子

作為一種光檢測器件，APD也具有一些和PIN相類似的通用特性參數(shù)，如響應(yīng)度、響應(yīng)時(shí)間、結(jié)電容和暗電流等，其物理意義完全相同。

在高電場區(qū)發(fā)生的碰撞電離效應(yīng)是一個(gè)隨機(jī)過程，而我們只能用其平均效應(yīng)即平均增益G來描述APD光二極管的倍增性能。倍增效應(yīng)的起伏性就使APD光電二極管產(chǎn)生了一種特殊的噪聲─雪崩噪聲。在實(shí)際使用中經(jīng)常使用如下近似公式：F(G)≈G

其中：

叫做APD的噪聲指數(shù)因子，其大小隨APD的組成材料而異，也與其結(jié)構(gòu)形式、工藝水平有一定關(guān)系。

2025/10/17光纖通信系統(tǒng)24APD特性2025/10/17光纖通信系統(tǒng)25APD雪崩光電二極管的特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：具有放大效應(yīng)，由它制成的光接收機(jī)具有很高靈敏度，可大