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        在科學(xué)上，每一條道路都應(yīng)該走一走，發(fā)現(xiàn)一條走不通的道路，就是對(duì)科學(xué)的一大貢獻(xiàn)。那種證明“此路不通”的吃力不討好的工作，就讓我來(lái)做吧。—愛因斯坦（A.Einstein）

        光纖通信中，最常用的光探測(cè)器是PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD），以及高速接收機(jī)用到的波導(dǎo)光探測(cè)器（WG-PD）和行波光探測(cè)器（TW-PD）。嚴(yán)格地說，光電二極管是光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥亩O管，即光/電轉(zhuǎn)換二極管。

一、光探測(cè)機(jī)理——吸收光子產(chǎn)生電子

        光探測(cè)過程的基本機(jī)理是光吸收，假如入射光子的能量hν超過禁帶能量Eg，只有幾微米寬的耗盡區(qū)每次吸收一個(gè)光子，將產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，發(fā)生受激吸收，如圖7.1.1b所示。在PN結(jié)施加反向電壓的情況下，在電場(chǎng)作用下，受激吸收過程生成的電子-空穴對(duì)，分別離開耗盡區(qū)，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，空穴和從負(fù)電極進(jìn)入的電子復(fù)合，電子則離開N區(qū)進(jìn)入正電極。從而在外電路形成光生電流IP。當(dāng)入射光功率變化時(shí)，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)。為了比較，也畫出了光的自發(fā)輻射圖。吸收過程也遵守能量守恒，不同能量的光子，也產(chǎn)生不同種類的電子。

圖7.1.1光的自發(fā)輻射和吸收

a）發(fā)光二極管——光的自發(fā)輻射b）光探測(cè)器——光的吸收

二、響應(yīng)度、量子效率和響應(yīng)帶寬 1.響應(yīng)度、量子效率和截止波長(zhǎng)

       光生電流IP與產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)和這些載流子運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)，也就是說，直接與入射光功率Pin成正比，即

式中，R是光探測(cè)器響應(yīng)度（用A/W表示），由此式可以得到

響應(yīng)度R可用量子效率η表示，其定義是光信號(hào)產(chǎn)生的電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即

式中，q是電子電荷，h是普朗克常數(shù)，ν是入射光頻率。由此式可以得到響應(yīng)度

式中，λ=c/ν是入射光波長(zhǎng)，c=3×108m/s是真空中的光速。式（7.1.4）表示光探測(cè)器響應(yīng)度隨波長(zhǎng)增長(zhǎng)而增加，這是因?yàn)楣庾幽芰縣ν減小時(shí)可以產(chǎn)生與減少的能量相等的電流。R和λ的這種線性關(guān)系不能一直保持下去，因?yàn)楣庾幽芰刻r(shí)將不能產(chǎn)生電子。當(dāng)光子能量變得比禁帶能量Eg小時(shí)，無(wú)論入射光多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，此時(shí)量子效率η下降到零，也就是說，光電效應(yīng)必須滿足條件。

式中，λ就是截止波長(zhǎng)。圖7.1.2表示各種探測(cè)器的響應(yīng)度和截止波長(zhǎng)。

圖7.1.2各種光探測(cè)器的波長(zhǎng)響應(yīng)曲線

a）PIN光探測(cè)器b）APD光探測(cè)器

2.響應(yīng)帶寬

        光電二極管的本征響應(yīng)帶寬由載流子在電場(chǎng)區(qū)的渡越時(shí)間ttr決定，而載流子的渡越時(shí)間與電場(chǎng)區(qū)的寬度W和載流子的漂移速度υd有關(guān)。由于載流子渡越電場(chǎng)區(qū)需要一定的時(shí)間ttr，對(duì)于高速變化的光信號(hào)，光電二極管的轉(zhuǎn)換效率就相應(yīng)降低。光電二極管的本征響應(yīng)帶寬Δf的定義為：在探測(cè)器入射光功率相同的情況下，接收機(jī)輸出高頻調(diào)制響應(yīng)與低頻調(diào)制響應(yīng)相比，電信號(hào)功率下降50%（3dB）時(shí)的頻率，如圖7.1.3b所示。Δf與上升時(shí)間τtr成反比

式中，上升時(shí)間τtr定義為輸入階躍光脈沖時(shí)，探測(cè)器輸出光生電流最大值的10%～90%所需的時(shí)間。

與半導(dǎo)體激光器一樣，光電二極管的實(shí)際響應(yīng)帶寬常常受限于二極管本身的分布參數(shù)和負(fù)載電路參數(shù)，如二極管的結(jié)電容Cd和負(fù)載電阻RL的RC時(shí)間常數(shù)，而不是受限于其本征響應(yīng)帶寬，所以為了提高光電二極管的響應(yīng)帶寬，應(yīng)盡量減小結(jié)電容Cd。受RC時(shí)間常數(shù)限制的帶寬為

圖7.1.3 PN結(jié)光探測(cè)原理說明