PIN和APD介绍

饱和光功率又称饱和光功率即指最大负载。指在一定

的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～

10-12）时的光模块接收端最大可以探测到的输入

光功率。当光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，

当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。因此对于发射光功率大的光模块不加衰

减回环测试会出现误码现象。当APD输入光功率达到一定强度的时候，输出的光电流将趋于饱和。随着温度的升高，APD的击穿电压VBR也随着上升，如果APD的工作电压（即高压）不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。 APD的倍增因子代表倍增后的光电流与首次光电流之比。如图：

由图可知，倍增因子M与反向偏置电压有关（反偏电压

越大，斜率越大，M越大。理论上反偏电压接近击穿电压时，M趋于无穷大。），所以说他是可调的。同时可以看到APD雪崩光电二极管还存在一个雪崩电压（击穿电压）VB。当反偏电压大于击穿电压时，M会急剧增大处于雪崩状态。但此时产生的倍增噪声会远远大于倍增效应带来的好处。因此实际使用中，总是把反偏电压调到略小于雪崩电压的地方。

APD倍增因子M的计算公式很多，一个常用的公式为 M=1/1-(v/vB)n

式中: n 是由P-N 结材料决定的常数; V B 为理想反向偏压; V 为反向偏压的增加值。对于Si 材料,

n =1. 5 ～ 4 ;对于Ge 材料n = 2. 5～8 。由式中还可看出,当| V | → | V B | 时, M → ∞, P-N结将发生雪崩击穿。

由公式可知，同样材料的APD管，同样偏置电压情况下，击穿电压越大，倍增因子越

小。 三、光电检测器

光电检测器是把光信号功率转换成电信号电流的器件。光纤通信使用的是PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。对这些半导体光检测器的基本要求是：

① 光电转换效率高， ② 噪声低， ③ 响应速度高， ④ 工作电压尽量低， ⑤ 具有良好的温度特性和稳定性， ⑥ 寿命长。

1.PIN光电二极管（PIN-PD）

如图3-25所示，它工作于反偏压。器件由P、I、N三层组成，基本结构是PN结。如果在PN结上加反向电压，在结上形成耗尽层，当光入射到PN结上时，产生许多电子空穴对，在电场作用下产生位移电流，如果两端加上负载阻抗就有电流流过，常称这种电流为光电流，光信号就转变成电信号。 在PN结中间加上的本征半导体层称为Ⅰ层，

图3-25 PIN管工作原理示意图其示意图

以展宽耗尽层，提高转换效率。

PIN管的灵敏度常以量子效率来表示。量子效率的意义是一个光子照射在检测器上所产生的电子数。因此， PIN管在光功率P的照射下，产生的光电流为

式中，η为量子效率，其数值总是小于1；e为电子电量，e≈1.6×10－19C。显然η的含义就是平均一个光子激发的电子数。光电检测器的量子效率与器件材料、光波长有关。

通常也采用响应度R表示PIN管的性能，它代表PIN光电二极管在光照下产生的光电流I与入射的光功率P之比，由式（3-15）即可得出响应度为

由上可见，响应度R（和量子效率η）是描述器件光电转换能力的物理量，它与器件材料、光波长有关。

响应速度是指光电检测器对入射微弱调制光信号产生光电流的响应快慢，通常用响应时间（上升时间和下降时间）来描述。若从频域观点，当光电检测器在接收正弦调制光信号时，则以器件的极限工作频率（截止频率）fc来表示。可见响应速度直接关系到器件的频带宽度。就PIN光电二极管而言，为得到较快的响应速度，需要有较窄的耗尽层，以便缩短载流子在电场中的漂移时间，但这与为提高量子效率应有较宽耗尽层的要求有矛盾，因此两者必须兼顾。PIN管的响应速度一般都能满足实际要求。 无光照射时， PIN管具有的电流称为暗电流（Id），暗电流会引起噪声，要求尽量小。

表3-5列出了PIN光电二极管特性的典型数据。

表3-5 PIN-PD特性的典型值

2. 雪崩光电二极管（APD）

雪崩光电二极管内部因电子雪崩，具有对微弱的光电流产生放大的作用，即具有倍增特性。因此在电放大之前，恰当地利用APD的倍增作用，可以得到很高的灵敏度。 APD光电检测器件结构的基本部分与PIN光电二极管一样，仍是PN结，不同之处是在P层和N层中的掺杂量增大，在外加很高的反向偏压（一般为几十～200V）作用下， PN结区形成强电场区，在耗尽层内运动的载流子（一次电子空穴对），就可以在高场作用下获得足够的能量而加速，通过高速碰撞产生新的电子空穴对，这就是载流子的碰撞电离。新产生的二次电子空穴对在高电场作用下向相反的方向运动，在运动中又不断产生新的碰撞电离……，从而引起载流子的雪崩倍增，形成大的光电流。 APD在不同光强照射下的伏安（V-I）特性曲线如图3-26所示。图中VB称为雪崩电压。在APD上加上反偏压V大于VB时，便要击穿。一般应在V略小于VB状态下使用。当无光照（即输入光功率P＝0）时，APD的电流非常小，称为暗电流Id。 APD的倍增因子M定义为

式中Iph是倍增后的光电流；I和Id分别为倍增后的总电流和暗电流；Iph0是无倍增时的光电流，即由光子直接产生的平均一次电流；I0和Id0分别为无倍增时的总电流和暗电流。暗电流的大小影响光电检测器的噪声大小。暗电流一般很小，这里可忽略不计。

图3-26 APD的伏安特性

倍增因子M随外加反偏压V接近击穿电压VB时迅速增大，当V＝VB时M值达最大（Mmax），随后出现增益饱和效应，如图3-27所示。

图3-27 倍增因子与反偏压的关系

两者关系可以近似用下式表示

式中n为一常数，由半导体材料、半导体掺杂分布和入射光波长决定。显然通过调整偏压V可获得需要的增益值M，但M值并不是愈大愈好，因为信增噪声随倍增因子M的增大而增大，结果导致光接收机信噪比恶化，灵敏度降低。M值的选取应使倍噪比最大值为最佳倍增因子。实用中常取值在几十至一百之间。 PIN光电管无雪崩倍增，故M＝1。

此外，使用雪崩光电二极管可以提供一定的动态范围，即当进入APD的光功率过强时，可以通过降低其偏压使M值减小，反之光功率较弱时，可提高偏压使M值增大。 当光接收端机采用APD做光检测器时，检测器的信号功率正比于M2（这里的M为平均的雪崩增益值）；而倍增噪声功率却正比于M2·F，这里F称为过剩噪声系数，这是由于倍增过程的随机性引起的附加噪声，一般情况下（M＜100＝，F可近似表示为

F＝Mx （3-19）

式中x称为过剩噪声指数，x＝0.2～1，与材料与工艺等有关。因此倍增噪声功率可用过剩噪声指数x近似描述 N∝M2＋x （3-20）

APD管脉冲响应上升时间可做到小于1ns； APD的增益带宽乘积可做到； Si管为200GHz，Ge管为30GHz，InGaAs管为60GHz。可以满足高速率传输系统的要求。 表3-6列出了Si、Ge、InGaAs-APD特性的典型数据。

表3-6 APD特性的典型值

温度变化对APD的特性特别是倍增因子M的影响十分严重， M值随温度升高而降低，为此需要相应地改变偏压值，故实际应用中须采用自动控制温度补偿措施。 关于PIN-PD和APD使用的半导体材料，在0.8～0.9靘的短波长区域内使用Si，Si-PIN和Si-APD工艺成熟、性能优良，雪崩噪声最小，故采用该器件的光接收机灵敏度高，在带宽公里积为1000（Mb/s）·km的情况下得到广泛应用。当工作波长＞1.0μm时，硅的响应度太低，因而不能作为光检测器使用。在1.0～1.6μm的长波长区域内，PIN管使用InGaAs材料，InGaAs-PIN工艺成熟，性能优良，它常与场效应管（FET）前置放大器构成集成接收组件，PIN/FET组件与APD比较，简单、价廉、温度稳定性好，在数百Mb/s的码速范围内具有很好的灵敏度，因而被广泛采用。对于长波长带的APD，主

要使用Ge-APD和In-GaAs-APD，二者相比，前者结构简单、工艺成熟，但暗电流和过剩噪声指数大，可用的电流倍增低（10左右），因而接收机灵敏度受到；后者性能优良，并适用于整个长波长范围，但制造困难，随着工艺和技术的进步，InGaAs-APD将在长波长接收机中得到愈来愈广泛的应用。

一般来说，APD适用于接收灵敏度要求高的长距离传输和高速率通信系统； PIN适用于中、短距离和中、低速率系统，尤以PIN/FET组件使用广泛。

图3-28示出误码率BER＝10－9时，码速率在10～1000Mb/s范围内，使用PIN/FET（1.1～1.6μm）和Si-APD（λ≤1μm）光接收机灵敏度（Pr）的典型值， Pr大体在－60～－30dBm之间，长波长、高码速下的InGaAs-APD的灵敏度可比PIN/FET高7dB以上。图中还同时示出了光发送机的发送功率（PT），在已知码速条件下，收与发功率之差（PT－Pr，dB）就是收、发间所能允许的最大光损耗值，不论何种原因，若系统损耗超过此值，则意味着BER将大于10－9。关于这方面内容后面将进一步讨论。

图3-28 实用中的光接收机灵敏度和光发送机平均输出功率