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【醫(yī)院叫號排隊系統(tǒng)廠家】光探測器(光電探測器原理及應(yīng)用)

2023-10-21 09:15

        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,就讓我來做吧。—愛因斯坦(A.Einstein)

        光纖通信中,最常用的光探測器是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)光探測器(WG-PD)和行波光探測器(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、光探測機(jī)理——吸收光子產(chǎn)生電子

        光探測過程的基本機(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)每次吸收一個光子,將產(chǎn)生一個電子-空穴對,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,在電場作用下,受激吸收過程生成的電子-空穴對,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,光生電流也隨之線性變化,從而把光信號轉(zhuǎn)變成電流信號。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

       光生電流IP與產(chǎn)生的電子-空穴對和這些載流子運(yùn)動的速度有關(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,c=3×108m/s是真空中的光速。式(7.1.4)表示光探測器響應(yīng)度隨波長增長而增加,這是因為光子能量hν減小時可以產(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,因為光子能量太小時將不能產(chǎn)生電子。當(dāng)光子能量變得比禁帶能量Eg小時,無論入射光多強(qiáng),光電效應(yīng)也不會發(fā)生,此時量子效率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。圖7.1.2表示各種探測器的響應(yīng)度和截止波長。

圖7.1.2各種光探測器的波長響應(yīng)曲線

a)PIN光探測器b)APD光探測器

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區(qū)的渡越時間ttr決定,而載流子的渡越時間與電場區(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區(qū)需要一定的時間ttr,對于高速變化的光信號,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,電信號功率下降50%(3dB)時的頻率,如圖7.1.3b所示。Δf與上升時間τtr成反比

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

與半導(dǎo)體激光器一樣,光電二極管的實際響應(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時間常數(shù)限制的帶寬為

圖7.1.3 PN結(jié)光探測原理說明

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