光檢測器和光接收器整

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1、第4章光檢測器和光接收器光檢測器的工作原理光檢測器的特性參數光接收機光收發(fā)合一模塊光纖通信技術的回顧和展望4.1光檢測器的工作原理光檢測器的作用是將接收到的光信號轉換成電流信號。其工作過程的基本機理是光的吸收，見第1章1.1節(jié)。當能量超過禁帶寬度Eg的光子入射到半導體材料上時，每一個光子若被半導體材料吸收將會產生一個電子-空穴對，如果此時在半導體材料上加上電場，電子-空穴對就會在半導體材料中渡越，形成光電流。圖4.1.1說明了光檢測器的工作原理。圖4.1.1光檢測器的工作原理左側入射的信號光透過P＋區(qū)進入耗盡區(qū)，當PN結上加反向偏置電壓時，耗盡區(qū)內受激吸收生成

2、的電子-空穴對分別在電場的作用下做漂移運動，電子向N區(qū)漂移，空穴向P＋區(qū)漂移，從而在外電路形成了隨光信號變化的光生電流信號。耗盡區(qū)的寬度由反向電壓的大小決定。符號P＋表示重摻雜區(qū)。4.1.1PIN光檢測器PIN光檢測器也稱為PIN光電二極管，在此，PIN的意義是表明半導體材料的結構，P+和N型半導體材料之間插入了一層摻雜濃度很低的半導體材料（如Si），記為I，稱為本征區(qū)，如圖4.1.2所示。圖4.1.2PIN光電二極管在圖4.1.1中，入射光從P+區(qū)進入后，不僅在耗盡區(qū)被吸收，在耗盡區(qū)外也被吸收，它們形成了光生電流中的擴散分量，如P+區(qū)的電子先擴散到耗盡區(qū)的左邊界，然后通過耗盡區(qū)

3、才能到達N區(qū)，同樣，N區(qū)的空穴也是要擴散到耗盡區(qū)的右邊界后才能通過耗盡區(qū)到達P+區(qū)。我們將耗盡區(qū)中光生電流稱為漂移分量，它的傳送時間主要取決于耗盡區(qū)寬度。顯然擴散電流分量的傳送要比漂移電流分量所需時間長，結果使光檢測器輸出電流脈沖后沿的拖尾加長，由此產生的時延將影響光檢測器的響應速度。設耗盡區(qū)寬度為w，載流子在耗盡區(qū)的漂移時間可由下式計算，即（4.1.1）是載流子的漂移速度；如果耗盡區(qū)的寬度較窄，大多數光子尚未被耗盡區(qū)吸收，便已經到達了N區(qū)，而在這部分區(qū)域，電場很小，無法將電子和空穴分開，所以導致了量子效率比較低。的典型值為100ps。實際上，PN結耗盡區(qū)可等效成電容，它的大小與

4、耗盡區(qū)寬度的關系如下：（4.1.2）式中，?是半導體的介電常數；A是耗盡區(qū)的截面積。Cd的典型值為1～2pF?？梢姡谋M區(qū)寬度w越窄，結電容越大，電路的RC時間常數也越大，不利于高速數據傳輸?？紤]到漂移時間和結電容效應，光電二極管的帶寬可以表示成（4.1.3）式中，RL是負載電阻。由上述分析可知，增加耗盡區(qū)寬度是非常有必要的。由圖4.1.2可見，I區(qū)的寬度遠大于P+區(qū)和N區(qū)寬度，所以在I區(qū)有更多的光子被吸收，從而增加了量子效率；同時，擴散電流卻很小。PIN光檢測器反向偏壓可以取較小的值，因為其耗盡區(qū)厚度基本上是由I區(qū)的寬度決定的。當然，I區(qū)的寬度也不是越寬越好，由式（4.1.1）

5、和式（4.1.3）可知，寬度w越大，載流子在耗盡區(qū)的漂移時間就越長，對帶寬的限制也就越大，故需綜合考慮。由于不同半導體材料對不同波長的光吸收系數不同，所以本征區(qū)的寬度選取也各不相同。例如SiPIN光吸收系數比InGaAsPIN小兩個數量級，所以它的本征區(qū)寬度大約是40?m，而InGaAsPIN本征區(qū)寬度大約是4?m。這也決定了兩種不同材料制成的光檢測器帶寬和使用的光波段范圍不同，SiPIN用于850nm波段，InGaAsPIN則用于1310nm和1550nm波段。4.1.2APD光檢測器APD光檢測器也稱為雪崩光電二極管（AvalanchePhotodiode），其工作機理如下：

6、入射信號光在光電二極管中產生最初的電子-空穴對，由于光電二極管上加了較高的反向偏置電壓，電子-空穴對在該電場作用下加速運動，獲得很大動能，當它們與中性原子碰撞時，會使中性原子價帶上的電子獲得能量后躍遷到導帶上去，于是就產生新的電子-空穴對，新產生的電子-空穴對稱為二次電子-空穴對。這些二次載流子同樣能在強電場作用下，碰撞別的中性原子進而產生新的電子-空穴對，這樣就引起了產生新載流子的雪崩過程。也就是說，一個光子最終產生了許多的載流子，使得光信號在光電二極管內部就獲得了放大。從結構來看，APD與PIN的不同在于增加了一個附加層P，如圖4.1.3所示。在反向偏置時，夾在I層與N+層間

7、的PN+結中存在著強電場，一旦入射信號光從左側P+區(qū)進入I區(qū)后，在I區(qū)被吸收產生電子-空穴對，其中的電子迅速漂移到PN+結區(qū)，PN+結中的強電場便使得電子產生雪崩效應。圖4.1.3APD光電二極管與PIN光檢測器比較起來，光電流在器件內部就得到了放大，從而避免了由外部電子線路放大光電流所帶來的噪聲。我們從統(tǒng)計平均的角度設一個光子產生M個載流子，它等于APD光電二極管雪崩后輸出的光電流IM與未倍增時的初始光電流IP的比值（4.1.4）式中，M稱為倍增因子。倍增因子與載流子的電離率有