光检测器介绍详细讲解.ppt

文档介绍：光检测器介绍详细讲解
第1页，共37页，编辑于2022年，星期四
光电二极管的物理原理
光检测器噪声
检测器响应时间
雪崩倍增噪声
InGaAs APD结构
温度对雪崩增益的影响
主要内容
第2页，共37页，编辑于202期四
响应度、量子效率 vs. 波长




给定波长，h与Pin无关
给定波长，R为常数
造成原因：1) 材料对短波长吸收强烈；
2) 高能量载流子寿命短
由光子能量不足造成
第13页，共37页，编辑于2022年，星期四
如上图所示，波长范围为1300 nm - 1600 nm，InGaAs的量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
当波长为1300 nm时：
当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子， = eV，故截止波长为：
当波长<1100 nm时，光子在接近光电二极管的表面被吸收，所产生的电子空隙对的复合寿命很短，很多载流子并没有产生光电流。所以在短波长段，响应度的值迅速降低。
例
第14页，共37页，编辑于2022年，星期四
雪崩二极管 (APD)
设计动机：在光生
电流尚未遇到后续
电路的热噪声时已
经在高电场的雪崩
区中得到放大，因
此有助于显著提高
接收机灵敏度
耗尽区
高阻材料
第15页，共37页，编辑于2022年，星期四
工作过程
第16页，共37页，编辑于2022年，星期四
拉通型雪崩二极管 (RAPD)
“拉通”来源于其工作情况，当施加一个较低的反向电压时，大部分电压降在pn+结上。当电压增加时，耗尽区宽度增加，直到pn+结上的电压低于雪崩击穿电压5%~10%时才停止，此时耗尽区正好拉通到整个本征p区。
高阻材料
带有少量p掺杂的本征材料
p+ppn+结构
第17页，共37页，编辑于2022年，星期四
光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M定义为：
其中，IM 是雪崩增益后输出电流的平均值，而 Ip是未倍增时的初级光电流，V是反向偏压，VB为二极管击穿电压，n一般为 ~7。实际上，雪崩过程是统计过程，并不是每一个光子都经历了同样的放大，所以M只是一个统计平均值。

类似于pin，APD的性能也由响应度来表征：
倍增因子和响应度
第18页，共37页，编辑于2022年，星期四
一种硅APD在波长900 nm时的量子效率为65%， mW的光功率产生的倍增电流为10 mA，试求倍增因子M。初级光电流为：
倍增因子M为：
例
第19页，共37页，编辑于2022年，星期四
光检测器噪声
输出端光信噪比：
S/N = 光电流信号/(光检测器噪声功率+放大器噪声功率)
为了得到较高的信噪比：
1. 光检测器具有较高的量子效率，以产生较大的信号功率
2. 使光检测器和放大器噪声尽可能的低
第20页，共37页，编辑于2022年，星期四
噪声来源
第21页，共37页，编辑于2022年，星期四
信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的初级光电流为：
对于pin，均方信号电流为：
对于APD，均方信号电流为：
信号部分：光生电流信号
第22页，共37页，编辑于2022年，星期四
光信号照射到检测器时，光电子产生和收集过程具有随机性，从而带来量子噪声。对于接收带宽为B的接收机，量子噪声均方根电流由下式决定：
其中F(M)  Mx是噪声系数，它与雪崩过程的随机特性有关。
另外暗电流是指，没有光入射时流过检测器偏置电路的电流，它是体暗电流iDB和表面暗电流iDS之和。iDB来自于检测器的pn结内因为热运动而产生的电子空穴。对于APD，iDB为：
表面暗电流由表面结构(缺陷、清洁程度、面积大小)和偏置电压决定：
噪声部分：量子噪声和暗电流噪声
会被雪崩区放大
不会被雪崩区放大
第23页，共37页，编辑于2022年，星期四
因子F用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声的增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在0~1之间变化，x对于Si ，对InGaAs ，对Ge APD 。
雪崩倍增噪声
APD中的雪崩过程具有统计特性，不同的光生载流子的放大倍数可能不同，给放大后的信号带来了幅度上的随机噪声。这里定义F为过剩噪声因子，它近似等于：
第24页，共37页，编辑于2022年，星期四
光检测器的总均方噪声电流为：
放大器输入阻抗一般远大于负载电阻RL，因此检测器的负载热噪声由RL的热噪声决定：
总