光通信系統高速光探測器淺析

張湛

摘 要 光通信系統的快速發展，推動了關鍵光電子器件包括光探測器性能的不斷提升。文章對光通信系統應用的高速光探測器進行了分析，介紹了典型高性能光探測器的原理及特性，著重于探討其性能參數及影響，總結展望了高速光電探測器的前沿應用。

關鍵詞 高速光探測器；結構特性；性能測量

中圖分類號 TN91 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）230-0149-02

隨著光通信技術的快速發展，傳統光探測器由于靈敏度低、抗干擾性差及操作繁瑣等原因已不適應當今光通信系統高速、大容量的要求。在商業需求和技術創新的推動下，光探測器向著更加全面的性能方向發展，其結構方面也進行了各種有益的嘗試，如靈敏性、響應速度等主要性能大幅提升，為光通信系統整體性能的躍升提供了技術支撐。而在高性能光探測器的研究中，通過科學方法獲取其主要性能參數，是一項重要的基礎性工作。經過系統分析及整理后的數據將為高速光探測器的設計、優化提供重要參考。本文從光探測器在光通信系統的應用出發，將著重探討高速光探測器的原理特性、性能測量及其發展應用[ 1 ]。

1 高速光探測器概述

1.1 高速光探測器特性

光器件性能、設計水平和工藝是實現高性能光通信系統的必要保障，也是整個光通信產業鏈的硬實力和基石。光通信系統中光探測器的主要功能是實現光電變換，其工作原理是利用半導體結區的光電效應來工作。根據光探測器的用途及分類，又有光電壓、光電導、電吸收和雪崩效應等。高速光探測器的顯著特性表現為響應度高、響應速度快和噪聲低。DC云互聯、超寬視頻及5G業務將引領光通信系統朝超帶寬、低時延、高可靠性、開放協同四大網絡特性演進，而未來高速光探測器技術發展也必然與之相匹配。

1.2 高速光探測器分類

基于傳統光通信領域光探測器材料及結構的優化與設計，常應用于光通信系統中的高速光探測器有：PIN光電二極管光探測器，APD雪崩二極管光探測器，MSM光探測器，UTC高速單行載流子光探測器以及在PIN結構基礎上優化衍生的波導型光探測器，諧振腔增強型光探測器等[ 2 ]。

1.2.1 PIN光電二極管光探測器

PIN光電二極管光探測器結構簡單易于制作，光電二極管結構設計上，本征層的引入，縮短了載流子的擴散過程。耗盡層的加寬，使電路時間常數減小，有利于對長波區光輻射的吸收。PIN結構提供了較大的靈敏體積，能有效改善量子效率。性能良好的PIN光電二極管在光通信領域得到了非常廣泛的應用。不足之處是存在空間電荷效應，將限制飽和光電流的輸出，以及帶寬與量子效率的相互制約等問題[ 3 ]。

1.2.2 APD雪崩二極管光探測器

APD雪崩二極管探測器利用光電二極管的雪崩效應來工作，可使光電流得到倍增的高靈敏度。在結構設計上，APD雪崩二極管在PN結內部形成一個高電場區。光生電子或空穴通過高電場區使載流子快速增加，反向電流增大，形成雪崩倍增效應，使APD雪崩二極管光探測器具有較高的響應率和探測靈敏度。不足之處在于：雪崩過程本身會引入噪聲；又存在碰撞電離與倍增過程，固有帶寬受到限制，比PIN結構更容易受到干擾。

1.2.3 MSM型光探測器

MSM型光探測器的金屬-半導體-金屬結構與PN結二極管不同，但光電轉換的基本原理相同。入射光子產生電子-空穴對，電子空穴對在兩個反向電壓金屬電極產生的電場下作定向移動，形成光生電流，光電流由金屬電極導出。MSM光探測器的優點是結電容小，響應速度快，制造成本低。不足之處在于金屬材料的吸收系數高，且沒有P、N層，金屬與半導體直接接觸，光的吸收損耗較大。隨著材料及集成技術的發展，其帶寬特性得到長足進步[ 4 ]。

1.2.4 UTC單行載流子光探測器

UTC單行載流子光探測器是基于降低空間電荷效應對光器件性能影響的優化設計。UTC結構具有高速、高飽和特性的優點，但對材料生長質量有嚴格要求，P型吸收層對光生載流子也存在復合效應，吸收層的厚度較薄，因而影響了響應度。

為了優化長波長PIN結構物理特性以適應長距離高比特率光通信的系統，對器件的結構做了系列改進，例如背入射結構，雙異質結結構，雙耗盡層結構，多模波導或臺面波導結構，腔諧振腔增強型結構等。InP基高速PIN倏逝耦合結構光探測器即是將PIN探測器與倏逝合波導結構結合，可以有效提高器件的飽和特性和響應度。在未來發展中，將有更多的高性能光探測器不斷被研制和投入應用[ 4 ]。

2 關鍵參數

2.1 光電轉換效率

式中q為電子電荷，h為普朗克常量，v為光子頻率。由式（1）和（2）得到響應度和量子效率的關系為：R=ηq/hv，二者呈正相關。

光探測器對光的吸收能力，由材料的吸收光譜決定。不同的材料吸收波長段不一樣，響應度和量子效率都是波長的函數。為了獲得高響應度和高量子效率，一方面可以在光探測器入射面鍍一層抗反射膜，以減小入射面的反射；另一方面光入射面要做的很薄，以提高光生載流子轉移速度。響應度和量子效率這兩個參數分別在宏觀及微觀方面表征光電轉換效率。光電流和入射光功率分布用萬用表和光功率計測量，便能算出光電轉換效率值[ 5 ]。

2.2 高速特性

光探測器的高速特性是指當入射光功率被調制的時候，光生電流相應的反應能力，可用響應時間或響應頻率來表征。響應時間越短，性能越好；頻率響應帶寬越高，對高速變化的信號的響應能力越強。目前光探測器頻率響應測量的常用測量方法有網絡分析儀頻率掃描測試法，光脈沖頻譜分析法，干涉的頻率調制邊帶譜分析法和光外差法。實驗室主要采用網絡分析儀頻率掃描測試法和光外差法兩種方案。高速特性的限制主要來源于響應時間和響應頻率的限制，時間限制意味著頻率限制[ 4 ]。

2.3 暗電流

在沒有入射光的狀態下，工作在反向偏壓下的探測器產生的電流稱為暗電流。其影響因素包括偏置電壓，工作溫度，結面積平整度等。暗電流太大，會嚴重影響探測器的靈敏度，通常在器件設計及加工過程中應嚴格避免缺陷或不均勻，以降低暗電流的大小。暗電流的測量亦可采用光探測器芯片光生電流的測量裝置，只是不需要入射光[ 6 ]。

2.4 噪聲特性

光探測器在進行光電轉換過程中所引入的噪聲，主要有散粒噪聲、熱噪聲和低頻噪聲。散粒噪聲由光探測器本身引入，散粒噪聲對接收機的噪聲性能有著非常重要的影響，噪聲過大的話，會影響整個接收機的誤碼率，從而降低通信質量。熱噪聲由負載電阻內部載流子的不規則熱運動產生，其對探測能力的影響最大，若溫度過高，則大幅降低系統的信噪比。低頻噪聲主要出現在大約1kHz以下的低頻領域，與探測器表面平整度相關。低頻噪聲可通過調控低頻段調制頻率改善。

除了上述重要性能及參數外，實際使用中還應注意包括光敏面積、探測器電阻、電容等其他特性參數，并確保在規定的工作電壓、電流、溫度以及光照功率允許范圍內。通過測量分析光探測器芯片關鍵參數，既可衡量性能指標，又助于探索與驗證光探測器的優化方法，為器件設計及系統集成提供參考數據資料[ 6 ]。

3 結論

隨著光通信系統的發展和升級，信道傳輸速率不斷提高，高速光探測器的性能優劣，直接決定了通信系統的高速性能實現與否。同時，高速光探測器在通信、航空、醫療等領域具有廣闊的應用前景。未來新材料及STEM領域的不斷突破，會繼續推動高速光探測器的快速發展，對高速光探測器的性能研究及結構改善是未來的重要研究方向。

參考文獻

[1]崔秀國，劉翔，操時宜，等.光纖通信系統技術的發展、挑戰與機遇[J].電信科學，2016（5）：34-43.

[2]雷肇棣.光電探測器原理及應用[J].物理，1994，23（4）：220-226.

[3]陳慶濤.光通信系統中新型單行載流子光探測器的研究[D].北京：北京郵電大學，2018.

[4]賀達敏.光通信中高性能光探測器的性能分析及其測試方法的研究[D].北京：北京郵電大學，2013.

[5]雒偉偉.波分復用系統中高性能光探測器高速性能和測量方法的研究[D].北京：北京郵電大學，2009.

[6]王睿.高速光探測器性能的測量研究[D].北京：北京郵電大學，2008.