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光通信系统高速光探测器浅析

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张湛

摘要光通信系统的快速发展，推动了关键光电子器件包括光探测器性能的不断提升。文章对光通信系统应用的高速光探测器进行了分析，介绍了典型高性能光探测器的原理及特性，着重于探讨其性能参数及影响，总结展望了高速光电探测器的前沿应用。

关键词高速光探测器；结构特性；性能测量

中图分类号 TN91 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）230-0149-02

随着光通信技术的快速发展，传统光探测器由于灵敏度低、抗干扰性差及操作繁琐等原因已不适应当今光通信系统高速、大容量的要求。在商业需求和技术创新的推动下，光探测器向着更加全面的性能方向发展，其结构方面也进行了各种有益的尝试，如灵敏性、响应速度等主要性能大幅提升，为光通信系统整体性能的跃升提供了技術支撑。而在高性能光探测器的研究中，通过科学方法获取其主要性能参数，是一项重要的基础性工作。经过系统分析及整理后的数据将为高速光探测器的设计、优化提供重要参考。本文从光探测器在光通信系统的应用出发，将着重探讨高速光探测器的原理特性、性能测量及其发展应用[ 1 ]。

1 高速光探测器概述

1.1 高速光探测器特性

光器件性能、设计水平和工艺是实现高性能光通信系统的必要保障，也是整个光通信产业链的硬实力和基石。光通信系统中光探测器的主要功能是实现光电变换，其工作原理是利用半导体结区的光电效应来工作。根据光探测器的用途及分类，又有光电压、光电导、电吸收和雪崩效应等。高速光探测器的显著特性表现为响应度高、响应速度快和噪声低。DC云互联、超宽视频及5G业务将引领光通信系统朝超带宽、低时延、高可靠性、开放协同四大网络特性演进，而未来高速光探测器技术发展也必然与之相匹配。

1.2 高速光探测器分类

基于传统光通信领域光探测器材料及结构的优化与设计，常应用于光通信系统中的高速光探测器有：PIN光电二极管光探测器，APD雪崩二极管光探测器，MSM光探测器，UTC高速单行载流子光探测器以及在PIN结构基础上优化衍生的波导型光探测器，谐振腔增强型光探测器等[ 2 ]。

1.2.1 PIN光电二极管光探测器

PIN光电二极管光探测器结构简单易于制作，光电二极管结构设计上，本征层的引入，缩短了载流子的扩散过程。耗尽层的加宽，使电路时间常数减小，有利于对长波区光辐射的吸收。PIN结构提供了较大的灵敏体积，能有效改善量子效率。性能良好的PIN光电二极管在光通信领域得到了非常广泛的应用。不足之处是存在空间电荷效应，将限制饱和光电流的输出，以及带宽与量子效率的相互制约等问题[ 3 ]。

1.2.2 APD雪崩二极管光探测器

APD雪崩二极管探测器利用光电二极管的雪崩效应来工作，可使光电流得到倍增的高灵敏度。在结构设计上，APD雪崩二极管在PN结内部形成一个高电场区。光生电子或空穴通过高电场区使载流子快速增加，反向电流增大，形成雪崩倍增效应，使APD雪崩二极管光探测器具有较高的响应率和探测灵敏度。不足之处在于：雪崩过程本身会引入噪声；又存在碰撞电离与倍增过程，固有带宽受到限制，比PIN结构更容易受到干扰。

1.2.3 MSM型光探测器

MSM型光探测器的金属-半导体-金属结构与PN结二极管不同，但光电转换的基本原理相同。入射光子产生电子-空穴对，电子空穴对在两个反向电压金属电极产生的电场下作定向移动，形成光生电流，光电流由金属电极导出。MSM光探测器的优点是结电容小，响应速度快，制造成本低。不足之处在于金属材料的吸收系数高，且没有P、N层，金属与半导体直接接触，光的吸收损耗较大。随着材料及集成技术的发展，其带宽特性得到长足进步[ 4 ]。

1.2.4 UTC单行载流子光探测器

UTC单行载流子光探测器是基于降低空间电荷效应对光器件性能影响的优化设计。UTC结构具有高速、高饱和特性的优点，但对材料生长质量有严格要求，P型吸收层对光生载流子也存在复合效应，吸收层的厚度较薄，因而影响了响应度。

为了优化长波长PIN结构物理特性以适应长距离高比特率光通信的系统，对器件的结构做了系列改进，例如背入射结构，双异质结结构，双耗尽层结构，多模波导或台面波导结构，腔谐振腔增强型结构等。InP基高速PIN倏逝耦合结构光探测器即是将PIN探测器与倏逝合波导结构结合，可以有效提高器件的饱和特性和响应度。在未来发展中，将有更多的高性能光探测器不断被研制和投入应用[ 4 ]。

2 关键参数

2.1 光电转换效率

式中q为电子电荷，h为普朗克常量，v为光子频率。由式（1）和（2）得到响应度和量子效率的关系为：R=ηq/hv，二者呈正相关。

光探测器对光的吸收能力，由材料的吸收光谱决定。不同的材料吸收波长段不一样，响应度和量子效率都是波长的函数。为了获得高响应度和高量子效率，一方面可以在光探测器入射面镀一层抗反射膜，以减小入射面的反射；另一方面光入射面要做的很薄，以提高光生载流子转移速度。响应度和量子效率这两个参数分别在宏观及微观方面表征光电转换效率。光电流和入射光功率分布用万用表和光功率计测量，便能算出光电转换效率值[ 5 ]。

2.2 高速特性

光探测器的高速特性是指当入射光功率被调制的时候，光生电流相应的反应能力，可用响应时间或响应频率来表征。响应时间越短，性能越好；频率响应带宽越高，对高速变化的信号的响应能力越强。目前光探测器频率响应测量的常用测量方法有网络分析仪频率扫描测试法，光脉冲频谱分析法，干涉的频率调制边带谱分析法和光外差法。实验室主要采用网络分析仪频率扫描测试法和光外差法两种方案。高速特性的限制主要来源于响应时间和响应频率的限制，时间限制意味着频率限制[ 4 ]。

2.3 暗电流

在没有入射光的状态下，工作在反向偏压下的探测器产生的电流称为暗电流。其影响因素包括偏置电压，工作温度，结面积平整度等。暗电流太大，会严重影响探测器的灵敏度，通常在器件设计及加工过程中应严格避免缺陷或不均匀，以降低暗电流的大小。暗电流的测量亦可采用光探测器芯片光生电流的测量装置，只是不需要入射光[ 6 ]。

2.4 噪声特性

光探测器在进行光电转换过程中所引入的噪声，主要有散粒噪声、热噪声和低频噪声。散粒噪声由光探测器本身引入，散粒噪声对接收机的噪声性能有着非常重要的影响，噪声过大的话，会影响整个接收机的误码率，从而降低通信质量。热噪声由负载电阻内部载流子的不规则热运动产生，其对探测能力的影响最大，若温度过高，则大幅降低系统的信噪比。低频噪声主要出现在大约1kHz以下的低频领域，与探测器表面平整度相关。低频噪声可通过调控低频段调制频率改善。

除了上述重要性能及参数外，实际使用中还应注意包括光敏面积、探测器电阻、电容等其他特性参数，并确保在规定的工作电压、电流、温度以及光照功率允许范围内。通过测量分析光探测器芯片关键参数，既可衡量性能指标，又助于探索与验证光探测器的优化方法，为器件设计及系统集成提供参考数据资料[ 6 ]。

3 结论

随着光通信系统的发展和升级，信道传输速率不断提高，高速光探测器的性能优劣，直接决定了通信系统的高速性能实现与否。同时，高速光探测器在通信、航空、医疗等领域具有广阔的应用前景。未来新材料及STEM领域的不断突破，会继续推动高速光探测器的快速发展，对高速光探测器的性能研究及结构改善是未来的重要研究方向。

参考文献

[1]崔秀国，刘翔，操时宜，等.光纤通信系统技术的发展、挑战与机遇[J].电信科学，2016（5）：34-43.

[2]雷肇棣.光电探测器原理及应用[J].物理，1994，23（4）：220-226.

[3]陳庆涛.光通信系统中新型单行载流子光探测器的研究[D].北京：北京邮电大学，2018.

[4]贺达敏.光通信中高性能光探测器的性能分析及其测试方法的研究[D].北京：北京邮电大学，2013.

[5]雒伟伟.波分复用系统中高性能光探测器高速性能和测量方法的研究[D].北京：北京邮电大学，2009.

[6]王睿.高速光探测器性能的测量研究[D].北京：北京邮电大学，2008.

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