-
PIN:positive-intrinsic-negative(P
型半导体
-
杂质
-N
型半导体
)
APD:avalanche
photodiode(
雪崩二极管
)
饱与光功率
又称饱与光功率
即指最大负载。指
在
一定得传输速率下
,
维持一
定得误码率
(10-10
～
10-12)
时得
光模块接收端最大可以探测到
得
输
入
光功率。当
光探测器在强光照射下会出现光电流饱
与现象
,
当出现此现象后
,
探测器需要一定得时间恢复
,
此时接收灵敏度下降
,
< br>接收到得信号有可能出现误判而
造成误码现象
,
而且还非常容易损坏接收端探测器
,
在使
用操作中应尽量避免超出其饱与光功率。
因此对于发
< br>射光功率大得光模块不加衰减回环测试会出
现误码现象。当
APD
输入光功率达到一定强度
得时候
,
输出得光电流将趋于饱与。
随着温度得
升高
,APD
得击穿电压
V
BR
也随着上升
,
如
果
APD
得工作电压
(
即高压
)
不变
,APD
得光电检测性能
会变弱
,
灵敏度降低。
APD
得倍增因子
代表倍增后得光电流与首次光
电流之比。如图
:
由图可知
,
倍增因子
M
与反向偏置电压有关
(
反偏电压越
大
,
斜率越大
,M
越大。理论上反偏电压接近击穿电压时
,M
趋于无穷大。
),
所以说她就是可调
得
。同时可以瞧到
APD
雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压
(
击穿电压
)V
B
。当反偏电压大于
击穿电压时
,M
会急剧增大处于雪崩状态。但此时产生得倍增噪声会远远大于倍增效应带来
< br>得好处。因此实际使用中
,
总就是把反偏电压调到略小于
雪崩电压得地方。
APD
倍增因子<
/p>
M
得计算公式很多
,
一个常用得公式为
M=1/1-(v/vB)n
式中
: n
就是由
P-N
结材料决定得
常数
; V B
为理想反向
偏压
; V
为反向偏压
得
增加值
。对于
Si
材料
,
n =1
、
5
～
4
;
对于
Ge
材料
n =
2
、
5
～
8
。由式中还可瞧出
,
当| V |
→
| V B |
时, M →
∞, P
-N
结将发生
雪崩击穿
。
由公式可知
,<
/p>
同样材料得
APD
管
,
同样偏置电压情况下
,
击穿电压
越大
,
倍增因子越小。
三、光电检测器
光电检测器就是把光信号功率转换成电信号电流得器件。
光纤通信使用得就是
PIN
光电
二极管与雪崩光电二极管
(APD)
。对这些半导
体光检测器得基本要求就是
:
①
光电转换效率高
,
②
噪声低
,
③
响应速度高
,
④
工作电压尽量低
,
⑤
具有良好得温度
特性与稳定性
,
⑥
寿命长。
1
、
PIN
光电二极管
(PIN-PD)
如图
3-25
所示
,
它工
作于反偏压。器件由
P
、
I
、
N
三层组成
,
基本结构就是
PN
结。如果
在
PN
结上加反向电压
,
在结上形成耗尽层
,
当光入射到
PN
结上时
,
产生许多电子空
穴对
,
在电
场作用下产生位移电流
,
如果两端加上负载阻抗就有电流流过
,<
/p>
常称这种电流为光电流
,
光信
号就转变成电信号。
在
PN
结中间加上得本征半导体层称为
Ⅰ层
,
图
3-25
PIN
管工作原理示意图其示意图
以展宽耗尽层
,
提高转换效率。
PIN
管得灵敏度常以量子效率来表
示。
量子效率得意义就是一个光子照射在检测器上所
产生得电子
数。因此
, PIN
管在光功率
P
得照射下
,
产生得光电流为
式中
,<
/p>
η为量子效率
,
其数值总就是小于
1;e
为电子电量
,e
≈
1
、
6
×
10
－
19C
。显然η得含
义就就是平均一个光子激发得电子数。光电检测器得量子效率与器件材料、
光波长有关。
< br>通常也采用响应度
R
表示
PIN
管得性能
,
它代表
PIN
光电二极管在光照下产生得光电流
I
与入射得光功率
P
之比
,
由式
(3-15)
即可得出响应度为
由上可见
,
响应度
R(
与量子效率η
)
就是描述器件光电转换能力得物理量
,
它与器件材料、
光波长有关。
响应速度就是指光电检测器对入射
微弱调制光信号产生光电流得响应快慢
,
通常用响应
时间
(
上升时间与下降时间
)
来描述。若从频域观点
,
当光电检
测器在接收正弦调制光信号时
,
则以器件得极限工作频率
(
截止频率
)fc
来
表示。可见响应速度直接关系到器件得频带宽度。
就
PIN
光电二极管而言
,
为得到较快得响应速度<
/p>
,
需要有较窄得耗尽层
,
以便缩短载流子在电场
中得漂移时间
,
但这与为提高量子效率应有较宽耗尽层得要求有矛盾
,
因此两者必须兼顾。
PIN
管得响应速度一般都能满足实际要求
。
无光照射时
, PIN
管具有得电流称
为暗电流
(Id),
暗电流会引起噪声
,
要求尽量小。
表
3-5
列
出了
PIN
光电二极管特性得典型数据。
表
3-5 PIN-
PD
特性得典型值
2
、
雪崩光电二极管
(APD)
雪崩光电二极管内部因电子雪崩
,<
/p>
具有对微弱得光电流产生放大得作用
,
即
具有倍增特
性。因此在电放大之前
,
恰
当地利用
APD
得倍增作用
,
可以得到很高得灵敏度。
APD
光电检测器件结构得基本部分
与
PIN
光电二极管一样
,
仍就是
PN
结
,
不同之处就是在
P
层与
N
层中得掺杂量增大
,
在外加很高得反
向偏压
(
一般为几十～
200V)
作用下
, PN
结区形成