主要内容62 光检测器噪声 - Read.PPT

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 APD为0.3，对InGaAs APD为0.7，对Ge APD 为1.0。 噪声部分：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： 光检测器的总均方噪声电流为： 检测器的负载热噪声由RL的热噪声决定： 总噪声 其中KB为波尔兹曼常数，T是绝对温度。 InGaAs光电二极管在波长为1300 nm时有如下参数：初级体暗电流ID = 4 nA，负载电阻RL = 1000 W，量子效率h=0.90，表面暗电流可以忽略，入射光功率为300 nW (-35 dBm)，接收机带宽为20 MHz，计算接收机的各种噪声。 首先计算初级光电流： 量子噪声均方根电流： 例 光检测器暗电流： 负载均方热噪声电流为： 例 (续) 小结： 对于 pin ，主要噪声来自检测器电路中的电阻和有源器件 对于APD，电路噪声不占重要地位，主要噪声来源于检测器被 雪崩区放大了的量子噪声和体暗电流 信噪比 光电二极管物理原理及其参数 雪崩倍增管的原理及其参数 光电检测器的噪声分析 光电检测器的带宽 主要内容 6.3 检测器响应时间 光电二极管的响应时间是指它的光电转换速度。影响响应时间的主要因素： 1 耗尽区的光载流子的渡越时间 2 耗尽区外产生的光载流子的扩散时间 3 光电二极管以及与其相关的电路的RC时间常数 影响这三个因素的参数有：耗尽区宽度w、吸收系数as、等效电容、等效电阻等 在耗尽区高电场加速的情况下，光生载流子可达极限速度 例如：耗尽层为10 mm的Si光电二极管 电场强度：20000 V/cm 电子最大速度：8.4 x 106 cm/s 空穴最大速度：4.4 x 106 cm/s 光载流子渡越时间 耗尽区内产生的光生载流子 光载流子扩散时间 耗尽区外产生的光生载流子 p区或n区产生的载流子 向耗尽区扩散 在耗尽区内快速漂移到电极 存在问题：较长的扩散时间会影响光电二极管的响应时间 解决办法：尽量扩大耗尽层宽度 扩散速度 漂移速度 当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响应时间可使用输出脉冲的上升时间tr和下降tf时间来表示。 在理想情况下tr = tf，但是由于非全耗尽性中载流子扩散速度远小于漂移速度，使得tr≠tf，造成脉冲不对称。 上升时间和下降时间 光电二极管脉冲响应 1. 为了获得较高的量子效率，耗尽区宽度w必须大于1/as ， 以便可以吸收大部分的光 2. 同时如果w较大，会让二极管结电容C变小，于是RLC常数 变小，从而得到较快的响应 3. 但是过大的w会导致渡越时间的增大：td = w/vd 折衷取值范围：1/as w 2/as 带宽 设RT是检测器电路电阻，CT是光电二极管结电容和放大器输入电容之和，则检测器可以近似为一个RC低通滤波器，其带宽为： 例：如果光电二极管的电容为3 PF，放大器电容为4 PF，负载电阻为1 K欧姆，放大器输入电阻为1欧姆，则CT = 7 PF，RT =1 K欧姆，所以电路带宽： 如果将负载电阻降为50欧姆，电路带宽增加为455 MHz。 6.4 InGaAs APD结构 金属电极 InP 倍增层 InGaAs 吸收层 InP 缓冲层 InP 衬底 光输入 一种广泛应用的吸收和倍增分离的结构 特点： 工作波长在1100~1700 mm 高量子效率 低暗电流 高雪崩增益 6.5 温度对雪崩增益的影响 温度降低，电离速度变快，APD增益会增加。为保证温度变化时增益不变，需要增加一个补偿电路，根据温度变化调整偏置电压。 其中，VB与温度的关系： 参数n也随温度变化： a, b为常数。 回顾M与VB的关系： * 5 * * 3 入射波长小的时候，产生的载流子寿命过短，还来不及被收集成为光生电流就发生复合 * * 在没有遭遇接收机电路热噪声之前就被放大。产生的光生电子在高电场区与价带电子发生激烈碰撞，从而激发出更多的空穴-电子对，这个过程称为碰撞电离。新产生的载流子在高电场 下继续碰撞，导致越来越多的碰撞电离，即雪崩效应。 * * 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。 * * 5 第六章 光检测器 光电检测器的要求 - 能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换 常用的半导体光电检测器：光电二极管和雪崩光电二极管 -