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        在科學上，每一條道路都應該走一走，發現一條走不通的道路，就是對科學的一大貢獻。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），以及高速接收機用到的波導光探測器（WG-PD）和行波光探測器（TW-PD）。嚴格地說，光電二極管是光子轉變為電子的二極管，即光/電轉換二極管。

一、光探測機理——吸收光子產生電子

        光探測過程的基本機理是光吸收，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每次吸收一個光子，將產生一個電子-空穴對，發生受激吸收，如圖7.1.1b所示。在PN結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，電子向N區漂移，空穴向P區漂移，空穴和從負電極進入的電子復合，電子則離開N區進入正電極。從而在外電路形成光生電流IP。當入射光功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉變成電流信號。為了比較，也畫出了光的自發輻射圖。吸收過程也遵守能量守恒，不同能量的光子，也產生不同種類的電子。

圖7.1.1光的自發輻射和吸收

a）發光二極管——光的自發輻射b）光探測器——光的吸收

二、響應度、量子效率和響應帶寬 1.響應度、量子效率和截止波長

       光生電流IP與產生的電子-空穴對和這些載流子運動的速度有關，也就是說，直接與入射光功率Pin成正比，即

式中，R是光探測器響應度（用A/W表示），由此式可以得到

響應度R可用量子效率η表示，其定義是光信號產生的電子數與入射光子數之比，即

式中，q是電子電荷，h是普朗克常數，ν是入射光頻率。由此式可以得到響應度

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）表示光探測器響應度隨波長增長而增加，這是因為光子能量hν減小時可以產生與減少的能量相等的電流。R和λ的這種線性關系不能一直保持下去，因為光子能量太小時將不能產生電子。當光子能量變得比禁帶能量Eg小時，無論入射光多強，光電效應也不會發生，此時量子效率η下降到零，也就是說，光電效應必須滿足條件。

式中，λ就是截止波長。圖7.1.2表示各種探測器的響應度和截止波長。

圖7.1.2各種光探測器的波長響應曲線

a）PIN光探測器b）APD光探測器

2.響應帶寬

        光電二極管的本征響應帶寬由載流子在電場區的渡越時間ttr決定，而載流子的渡越時間與電場區的寬度W和載流子的漂移速度υd有關。由于載流子渡越電場區需要一定的時間ttr，對于高速變化的光信號，光電二極管的轉換效率就相應降低。光電二極管的本征響應帶寬Δf的定義為：在探測器入射光功率相同的情況下，接收機輸出高頻調制響應與低頻調制響應相比，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。

與半導體激光器一樣，光電二極管的實際響應帶寬常常受限于二極管本身的分布參數和負載電路參數，如二極管的結電容Cd和負載電阻RL的RC時間常數，而不是受限于其本征響應帶寬，所以為了提高光電二極管的響應帶寬，應盡量減小結電容Cd。受RC時間常數限制的帶寬為

圖7.1.3 PN結光探測原理說明