ch5-光探测器原理及其系统性能-----光电下变频器原理与性能

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013/10/4,#,第五章,光,探测器原理及其系统性,能,光,电下变频器原理与性能,1,几句话,光信号经光纤传输到目的端，需要下变频至电频信号。,将光频信号下变频至电频信号的器件,-,光电探测器。,光,电探测器属于强度检测器件,基于,包络检波原理，将光波承载的电信号包络检测出来，完成下变频的功能。,电信号的包,络检,波方式多种多样：,无,源的有二极管检,波；有,源的有三极管、运放等,；,还,有单向检波、桥式检波、同步检波等等,。,光,频段的包络检波如何实现？,2,几句话,联系到：,光本振：注入电流产生激光；,探测,器：注入激光产生电流？,引,出可以推测：,探测,器的工作原理和激光器恰好是相反的,探测器的基本原理：,吸收激光，输出电流。,3,主要内容,光探测器的结,构与基本特性,非,线,性,高带宽、大饱和功率探测器,4,主要内容,光探测器的结,构与基本特性,非,线,性,高带宽、大饱和功率探测器,5,光探测器的结,构与基本特性,典型的通信用光电探测器结构有：,PIN,APD,6,PIN,光电探测器,PIN,是,P,型和,N,型半导体中间夹着一层掺杂很轻的本征半导体,(I,型半导体,),典型的,双异质结结,构。,7,PIN,光电探测器,光电探测器施加反向电压，因而势垒升高,I,区厚度较大，大多数光生载流子集中在该区。,载,流子在该区强电场作用下，电子向,N,区漂移，空穴向,P,区漂移，流到外电路中产生光电流。,在,I,区（空间电荷区）载流子基本耗尽，因此,I,又称为耗尽区。,8,2024/9/22,PIN,光电二极管工作原理,此动画为,PIN,光电二极管工作原理,动画。,9,光电探测器的主要性能指标,响应波,(,频,),段,光子能量低于禁带宽度,E,g,，无光电效应,存在截止频率（最低频率）或截止波长（最长波长）。,h,E,g,，,c,=hc/,E,g,=,1.24/,E,g,光子能量,(,频率,),过高，材料的吸收系数很大，结果使大量的入射光子在光电二极管的表面层就被吸收。,半导体光电二极管的响应波长：,min,max,。,Si,光电二极管：,0.51.0m,；,Ge,和,InGaAs,光电二极管：,1.11.6m,；,InGaAsP,：,0.81.6m,。,10,光电探测器的主要性能指标：量子效率,光电转换效率：光电效应理想情况是一个光子产生一个电子。,入射功率为,P,in,时，光生电流可以表示为,光电转换效率又可写成,11,光电探测器的主要性能指标：响应度,量子效率高是接收机高灵敏度的关键。,量子效率和响应速度之间存在矛盾：,为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的宽度，使得可以吸收大部分的光子。,但是，耗尽区越宽，光生载流子漂移渡越反向偏置结的时间就越长。,由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度,/,响应时间，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。,一般而言，探测器带宽越宽，量子效率会相应降低。,12,例,一个,PIN,光电二极管，它的,P,接触层厚,1um,。假设仅仅在耗尽区中（,I,层）吸收的光子才能有效地转换成光电流。当波长为,0.9um,时，,=5104m,-1,，忽略反射损耗，求：, 该光电二极管可以得到的最大量子效率？, 为使量子效率达到,80%,，耗尽区厚度最小应为多少？,解： ,13,PIN,光电探测器,R,的典型值为：,Si800nm,，,R=0.64uA/uW,；,，,R=0.45uA/uW,；, R=0.6uA/uW,当入射光的功率比较低的情况下，,R,不随入射光功率的变化而变化；,R,和波长之间的关系通常被称为探测器的谱响应特性。,14,PIN,光电探测器,15,光电探测器的主要性能指标,：,响,应速度,/,响应时间,响应速度：描述,半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的情况。,用响应时间或响应带宽表示。,定义：,响应时间：光生电流脉冲前沿由最大幅度的,10%,上升到,90%,，或后延由,90%,下降到,10%,，分别用脉冲上升时间,r,和脉冲下降时间,f,表示。,若,脉,冲上升时间,r,和脉冲下降时间,f,相同，则前后沿相同,，则光,电二极,管可用单一时,间常数,0,描述，此时有接,近指数函数,exp(t/ ,0,),或,exp( -t/ ,0,),，则：,16,光电探测器的主要性能指标,：,响,应带,宽,从频域角度看，响应时间即意味这个器件的带宽，响应时间短，则带宽宽。,响应带宽定义：,探测器带宽通常定义为输出信号下降到功率的,3dB,处的频率。简单的估算法：,17,光电探测器的主要性能指标,：暗,电流,暗电流：,在无光情况下，光电探测器的输出电流。,热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，严格地说，暗电流还应包括器件,表面的漏电流,。,暗电流是光电探测器,附加噪声,的主要来源，影响光接收机的灵敏度，所以暗电流越小越好。,对于,PIN,管，其暗电流甚小，产生的附加噪声很低，所以对光接收机灵敏度产生的影响并不显著,。,18,光电探测器的主要性能指,标,:,噪,声,噪声是光电探测器很重要的参数，直接影响光接收的灵敏度,。,噪声：,散粒噪声,（,shot noise,）：信号电流和暗电流产生的,热噪声：,由负载电阻和后继放大器输入电阻产生的,噪声的表示方法,在,1,负载上消耗的,噪声功率,来描述噪声,-,均方噪声电流,功率,噪声等效功率,NEP,产生等于探测器或接收机均方根噪声的电流所需的输入功率。定义为,SNR=1,时，每单位带宽的最小光功率，并由,NEP=P,in,/(f),1/2,表示,。,19,光电探测器的主要性能指标,:,噪声,NEP,是产生探测器平均噪声所需的光功率，即直接将噪声,与光功率进行比较,，衡量了可探测到的最小信号功率。,均方散粒噪声电流,入射光功率产生的光电探测器电流为,I(t)=I,p,+,i,s,(t),i,s,(t),：散粒噪声的电流起伏，与之有关的均方散粒噪声电流为,=2eI,p,B,，,B,是放大器的带宽,当暗电流,I,d,的存在不可忽略时，均方散粒噪声电流为,=2e(I,p,+I,d,)B,20,光电探测器的主要性能指标,:,噪声,均方热噪声电流,=4,k,TB/R,，,R,是负载电阻与放大器输入电阻的并联（,=R,L,R,i,）。,因此，光电探测器的总均方噪声电流为：,=2e(I,p,+I,d,)B + 4,k,TB/R,21,光电探测器的主要性能指标,:,噪声,22,PIN,的特点,优点：,噪声小、工作电压低（仅十几伏）、工作寿命长，使用方便和价格便宜。,缺点：,没有倍增效应。即在同样大小入射光的作用下仅产生较小的光电流，所以用它做成的光接收机之灵敏度不高；,PIN,光电二极管只能用于较短距离的光纤通信（,小容量与大容量皆可,）。,23,PIN,光电探测,器的使用,电阻越大，输出信号大，信噪比高。,但电阻大，,输入端,RC,时间常数加大，,3dB,带宽减小。,3dB,带宽,=1/(2R,i,C,t,),C,t,:,输入端的总电容；,R,i,:,等,效到输入端的电阻。,24,光探测器的结构,典型的通信用光电探测器结构有：,PIN,APD,25,雪崩光电二极,管,APD,: avalanche photodiode,APD,的工作原理也是基于光电效应。,PIN,光电二极管的,1,个光子只产生,一对,电子,-,空穴对，无增益；,APD,利用电离碰撞，,1,个光子产生,多对,电子,-,空穴对，有增益，因此，,APD,不但具有光,/,电转换作用，而且具有内部放大作用，其内部放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应而完成的。,入射光,一对,电子,-,空穴对,(,一次光生电流,), ,与晶格碰撞电离，产生雪崩增益, ,多,对,电子,-,空穴对,(,二次光生电流）,吸收,外电场加速,26,雪崩光电二极管,APD: avalanche photodiode,APD,可看成一个,二级器件,：,第一级是一个,PIN,光电二极管，光在其中产生一次光生载流子；,第二级是一个基于雪崩增益的内置放大级，在高电场作用下，载流子近似雪崩（几十,200,伏的偏置电压）。,第一级：,耗尽层仍为,I,层，起产生一次电子空穴对的作用。,第二级：,增加了一个附加层：高电场区,(,增益区,),，以实现碰撞电离产生二次电子空穴对。,N,+,P,P,+,电场,E,高电场区,耗尽区,+,-,雪崩区,雪崩电离需要,的最小电场,27,APD,的场分布,动画：由于高电场区的雪崩电离，外电路形成,倍增的,光生电流。,雪崩光电二极管,APD: avalanche photodiode,28,APD,特征参数：倍增因子,除了,PIN,的特性参数必须考虑外，还必须考虑,:,（,1,）倍增因子,雪崩增益的整个过程都是,随机,的，倍增因子,G,是个,平均量,。,平均雪崩增益倍增因子：,G=I,M,/I,p,I,p,：雪崩之前的初始光生电流，,I,M,：雪崩增益后输出的平均光生电流。,APD,的倍增因子,G,在,40,100,之间。,PIN,光电管因无雪崩倍增作用，所以,G,=1,。,29,APD,特征参数：倍增因子,G,V,V,B,(,击穿电压,),Rs,是,APD,串联电阻或,APD,的体电阻；,n,是材料的结构系数，一般为,36,。,对应地，,APD,响应度有,30,APD,特征参数：过剩噪声,/,附加噪声,PIN,光电二极管的噪声主要是量子噪声和暗电流噪声，,APD,管还有过剩噪声,。,雪崩过程的复杂随机性对噪声电流同样也起放大作用（,每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具有随机性，这将导致倍增增益的波动,），使得总噪声增加，,这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，一般称为,过剩噪声,/,附加噪声,。,过剩噪声可以用,过剩噪声系数,F,(,G,),来描述,。,31,APD,特征参数：过剩噪声,/,附加噪声,是均方值，表示的是功率，所以噪声功率, =F(G)G,2,。,G,有一个最佳值，此时信噪比最高。在工程上，为简化计算，常用,过剩噪声指数,x,表示过剩噪声系数,符号“,”,表示平均值,g,是每个载流子产生倍增的随机倍增数，因此,=G,；,对于,Si,光电二极管：,x,=0.30.5,；,Ge,光电二极管：,x,=0.81.0,；,InGaAs,的,APD,：,x,=0.50.7,。,32,主要内容,光探测器的结,构与基本特性,非,线性,高带宽、大饱和功率探测器,33,探测器中的非线性,在大功率入射的情况下,，探测器的响应度,R,出现非,线性效,应：,R,受入射光功率的影响。,总,的说来，探测器的非线性没有激光器、调制器的非线性效应大，因此探测器的非线性效应一般都被忽略。,但是当激光器、调制器的非线性得到补偿后，为了进一步减少系统的非线性，就必须考虑探测器的非线性效,应了。,特,别是大饱和功率探测器的出现，它们的非线性效应不能忽视。,探,测器的非线性特点：,物,理原因多；,非线,性的补偿需要有针对性。,34,探测器中的非线性,载流子传送产生的相关效应,对于模拟光纤链路，大功率的激光有利于链路,RF,效率的提高和,SFDR,的改善。这时探测器的线性度就必须考虑。,大功率激光照射下，高速探测器出现饱和效应。,饱和的原因：,吸收饱和；,本征区空间电荷产生电场屏蔽效应。,在外部电路和几何效应影响下，会进一步恶化。,35,探测器中的非线性,严重的吸收饱和来源于：带填充效应。,电子和空穴对作为,费米子,，填充在每一个量子态上，必须遵循,泡利不相容原理,。因此半导体带中的,每个态,只能被,两,个自旋方向相反的载流子占据。,根据能量最小原理，,准平衡下,的载流子首先从带的,底部,占据的可能的态，因此能量最低的态最先占据。这样靠近带底部的态被电子占据，价带顶部的态被空穴占据。,对于,InGaAs,材料，这对应着电子浓度超过,210,17,cm,-3,，空穴浓度超过,10,18,cm,-3,。,36,探测器中的非线性,37,探测器中的非线性,电场屏蔽效应,假设半导体中有限个电子被从价带激励到导带，这些被激励的载流子之间存在屏蔽作用：,屏蔽,处在同一带内载流子的,库仑作用,屏蔽,不同带间电子空穴的,相互作用,屏蔽的理解：一个电荷的库仑势因存在其他电荷的存在而减少。这是光学非线性的一个来源。,由于载流子密度取决于入射光强，因此材料的响应是光学非线性的。,38,探测器中的非线性,空间电荷屏蔽效应所对应的载流子浓度要比带填充所需要的载流子浓度低几个量级。,非屏蔽的库仑势,屏蔽势,39,探测器中的非线性,电路效应：,外部电路的屏蔽效应主要来源于探测器结区外面的串接电阻。,例如,50,负载，,10mA,的光电流可以导致本征区,0.5V,电压的下降。,这种下降随着光电流的增加而增加。,40,探测器中的非线性,外加电场的屏蔽效应,对于光电二极管，为了加速光生载流子的渡越，本征区的电场相当高。,当光生载流子流量很高时，电子空穴的分离所产生的电场将屏蔽外加电场。,本征区内部电场的重新分布（伴随着空间相关的空穴和电子速度分布）将导致探测器的非线性。,结果产生谐波畸变；当光强继续升高，会影响到基频信号。,为避免这种效应，可以给探测器施加较高的反向偏压。,41,探测器中的非线性,非均匀的屏蔽效应：,PIN,非线性的一个来源,当光生空穴和电子对达到一定浓度，能够部分地屏蔽偏置电场，导致同一截面上产生的载流子速度严重的不一致：,探测器处在一种饱和状态，非线性畸变严重。,42,探测器中的非线性,RF,频率,5GHz,，平均光电流,1mA,下，非线性和反向偏压的关系：实验结果,43,探测器中的非线性,RF,频率,5GHz,，反向偏压,5V,，非线性畸变和平均光电流的关系：理论和实验,44,探测器中的非线性,三种探测器的最大饱和电流与,3dB,截止频率之间的关系,45,探测器中的非线性,几何效应：,46,探测器中的非线性,47,主要内容,光探测器的结,构与基本特性,非线性,高带宽、大饱和功率探测器,48,宽,带、高饱和功率光电探测器（,1,）,部分耗尽吸收区光电探测器,(PDA-PD),传统的,PIN,中，光生电子,-,空穴对产生在,I,区，电子和空穴各自向相反的方向移动到达电极，在外电路中产生光电流。电子的速度远大于空穴的速度，速度不匹配导致了耗尽层中电荷的不平衡，这将引起空间电荷效应。,在,PDA-PD,中，为了达到电荷平衡，在,I,区两侧加入,P,型掺杂和,N,型掺杂的吸收区：,P,型吸收区向,I,区中注入电子，,N,型吸收区向,I,区注入空穴。,I,区两侧吸收区厚度的不同可以控制注入的电子流比空穴流强。,这种探测器在,48GHz,带宽下，可以获得,24mA,的饱和输出电流；在,300MHz,情况下，饱和电流可高达,430mA,。,49,宽,带、高饱和功率光电探测器（,2,）,单传输载流子光电探测器,(UTC-PD),传统,PIN,的响应时间主要由传输速度慢的空穴传输决定。,UTC-PD,，顾名思义，响应时间是由电子的传输决定，由于电子的传输速度远大于空穴的传输速度，因此其响应时间性能得到提升；,另外，通过结构的设计，该探测器具有极高的饱和输出电流。,单一载流子传输探测器的主要指标,3dB,带宽,310GHz,，,输出功率,20mW100GHz,50,UTC,与天线的集成：,310GHz/THz,光电探测器,天线,51,