1、 光电技术与系统 课程学习报告班 级： 机自 141班 小 组： 第一组 学 号： 2014040703 姓 名： 王琬瑢 日 期： 2017.12.20 0光电导探测器的应用光通讯系统摘要本文叙述一种光电导探测器，通过应用微波偏压，它能解调信息带宽大于 1 兆赫的低电平信号。文中叙述了工作原理和它同强辐照直流偏压光电导体相比的优点，并讨论了光电流增益与半导体特性的关系以及性能极限。本文介绍一种采用耿氏振荡器和小型微波元件、工作在 1 微米波长的系统。这种用锗作光电导体的探测器在噪声带宽为 10 兆赫时的噪声等效功率为 510-9 瓦，上升时间（10%90%）为 80 毫微妙。该系统也曾采用硅
2、和砷化锢工作。最后，对微波偏压光电导探测器和雪崩光电二极管进行了比较。1. 引言已经证明，当光电导探测器用微波电场供给的高频偏压源工作时，它能在宽的信息带宽中获得有效的增益。这种技术如图 1 所示。图中表明光电导体被装在一个凹型微波腔的高电场区中。因吸收入射光而引起光电导体电导率的变化，从而使微波腔的反射的微波功率，它的幅度起伏与入射光束的幅度起伏成比例。然后对这种信号进行探测、放大和显示。图 1 微波偏压光电导体示意图2.探测系统图 2 所示为泼立塞系统的方框图。由耿氏振荡器产生的微波功率被 3 分贝耦合器分开，从一端输出由环形器送入光电导体的腔中。叠加调制的反射功率由环形器的第三臂1返回到
3、混频器，在这里与 3 分贝耦合器的直接输出功率混合。探测的信号被放大和显示。这种零差探测系统比超外差系统的优点在于使用单一耿氏振荡源使得稳定性得到提高，而且由于在混频器上混合的信号是相干的，使得噪声性能得到改善。图 2 零差探测系统示意图3. 光电导探测器的组成1）微波腔设计将光电导体装入一个凹形横向电磁波型腔的高电场区中，由此把微波偏压加到光电导体上。该腔谐振于 x 波段的频率上。光通过腔侧壁上的入口投射到光电导体上。光入口的几何形状允许采用 1/4 的光学系统。微波通过环耦合到腔中，此环是可调的，以便获得最佳的阻抗和带宽。当腔达到临界耦合，即对 50 欧传输线呈现一个匹配负载时，会得到最佳
4、的性能。从概念上讲，腔的设计应使静电能量集中于光电导体中。资料1证明，光电流增益正比于 E2/W 的比。这里 E 是峰值电场，W 是腔中储存的能量。这个比值是空腔的一种性能，它可用实验方法通过测量由于缝隙中场的扰动引起的谐振频率改变来确定。从分析和实验中已对因子 E2/W 的关系进行了研究，结果证实，用短路阻抗最大的同轴线腔可获得最佳性能。2）扩展 1.5 微米波长微波偏压光电导体的一个重要特点就是不需要特殊的材料工艺，样品采用通常的研磨和腐蚀技术制备。因此，当微波偏置和探测电路学得到发展时，系统就可以工作在一个合适半导体提供的任何波长上。对 10 微米的碲锡铅或碲镉汞探测器的应用进行了估计。
5、这两种材料具有适合 10 微米探测的禁带宽度，而且不必要引进会降低增益-带宽乘积的陷阱。目前所有工作在 1.5微米以上的快速探测器都在低温下工作。在大多数材料中，故意引进陷阱以产生正确的波长响应，例如锗掺汞。这些材料需冷却到 4.2K，而本征探测器则工作在 77K，微波偏置的一个优点在于用它提高灵敏度的同时，可在较高的环境温度下工作，因此大大减少了系统的复杂性。4. 应用微波偏压光电导体具有超过主要噪声源的内部光电流增益，所以它适用作低电平的宽带探测器，明显的应用是在光通讯系统和激光雷达中。在采用纤维光学线路的通讯系统中，光电导体的灵敏面积可以比目前系统中采用的小得多，这样既可以增加理论上所得
6、的电流增益，又能减少需要的微波激励功率或振荡器的噪声电平。另方面，激光雷达系统要求探测器典型的直径为 0.5 毫米（0.02 时）。增加探测器的面积而不降低系统性能的办法是让辐照通过腔的端面的光孔进入，这样需要用高导电率的半导体窗以免电场出现畸变而减小。2当考虑这种探测器的应用时，将它与雪崩光电二极管进行比较是必需的。这两种器件都具有内部电流增益，然而二极管中的雪崩增益过程由于它的统计学的本质从根本上来说是有噪声的。在高倍增度时雪崩噪声超过了放大器输入阻抗中的热噪声。一般来说，这使有用的倍增增益限制在 100 倍以下。然而，雪崩光电二极管的增益-带宽乘积一般超过 50 千兆赫。在微波偏压光电导
7、体中，高灵敏度是由渡越时间增益产生的，这个增益中唯一的噪声作用是散粒噪声，但它并不严重。实际上已实现了大于 1000 倍的光电流增益，而增益- 带宽乘积为 5 千兆赫。假定极限噪声电平为热噪声的二倍，计算表明在 100 兆赫带宽中可获得的带宽限制在 50 赫左右。更大的带宽将需要接近 20 千兆赫的偏压频率。5. 结语到目前为止，尽管对微波偏压光电导系统的研究还很有限，然而在高达 50 兆赫的带宽范围中，它们的性能可同雪崩光电二极管相比。低压电源和所需的简单的半导体工艺以及因光电导体尺寸减小而产生的性能改进，使这种探测器明显地用于纤维光电通讯系统。此外，简单的制作程序和现有的材料范围将微波偏压光电导体成为许多带宽应用场合优先采用的探测器。参考文献1 江文杰,施建华,谢文科,马浩统,曾学文.光电技术（第二版）.科学出版社,2014.1.2 陈荔群,李成.硅基波导共振增强型光电探测器的设计与模拟.半导体学报,2006,27(8):14761479.3 史常析.金属-半导体-金属光电探测器.上海: 上海交通大学出版社,2000,81-87.4 孙亚春,王庆康.金属-半导体 -金属光电探测器的瞬态特性分析 .光电子技术,2003,23(2):6-7
