第5章 复习思考题参考答案
5-1 光探测器的作用和原理是什么
答：光探测器的作用是利用其光电效应把光信号转变为电信号。光探测器的原理是，假如入射光子的能量h ν超过禁带能量E g ，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子-空穴对，发生受激吸收，如图5.1.1（a ）所示。在PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向N 区漂移，空穴向P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N 区进入正电极。从而在外电路形成光生电流P I 。当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变
成电流信号。
5-2 简述半导体的光电效应
答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）c E 的电子跃迁到低能带（价带）v E 上，就将其间的能量差（禁带能量）v c g E E E -=以光的形式放出，如图4.2.2所示。这时发出的光，其波长基本上由能带差E ∆所决定。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收
反之，如果把能量大于hv 的光照射到占据低能带v E 的电子上，则该电子吸收该能量后
被激励而跃迁到较高的能带c E 上。在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高
能带c E 上的电子，使光能转变为电流，这就是光接收器件的工作原理。
5-3 什么是雪崩增益效应
答：光生的电子-空穴对经过APD 的高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子-空穴对，如图5.2.4所示。这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对，称为二次电子-空穴对。新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。APD 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。
图5.2.4 APD雪崩倍增原理图
5-4光接收机的作用是什么
答：光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电探测器。
5-5光纤通信中最常用的光电探测器是哪几种？比较它们的优
缺点
答：光纤通信中最常用的光电探测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD），以及高速接收机用到的单向载流子光电探测器（UTC-PD）、波导光电探测器（WG-PD）和行波光电探测器（TW-PD）。
PIN光电二极管的响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。增加W可使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速度变慢。
雪崩光电二极管（APD）利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以灵敏度高。因工作速度高，并能提供内部增益，已广泛应用于光通信系统中。
在PIN光电二极管中，对光电流作出贡献的包括电子和空穴两种载流子，在耗尽层（吸收层）中的电子和空穴各自独立运动都会影响光响应，由于各自速度不同，电子很快掠过吸收层，而空穴则要停留很长时间，因而总的载流子迁移时间主要取决于空穴。另外，当输出电流或功率增大时，其响应速度和带宽会进一步下降，这是因为低迁移率的空穴在输运过程中形成堆积，产生空间电荷效益，进一步使电位分布发生变形，从而阻碍载流子从吸收层向外运动。而单行载流子光电探测器（UTC-PD），只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比PIN的小。
波导型探测器（Waveguide PD，WG-PD）和行波型探测器（Traveling Wave PD，TW-PD）采用边耦合方式，光行进方向与载流子的渡越方向互相垂直，如图5.2.11（c）和（d）所示，吸收区长度沿光的行进方向，吸收效率提高了；而载流子渡越方向不变，渡越距离和所需时
间不变，这样就很好地解决了吸收效率和电学带宽之间对吸收区厚度要求的矛盾。边耦合光
电探测器比面入射探测器（PIN 和APD ）可以获得更高的3 dB 响应带宽。
(a) PIN-PD (c) WG-PD
入射光价带
导带νh (b)PIN 探测器能带图
(d) TW-PD
入射光P I N 图5.2.11 面入射光电探测器和边耦合光电探测器（WG-PD 、TW-PD ）的比较
5-6 PIN 和APD 探测器的主要区别是什么
答：雪崩光电二极管（APD ）利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以灵敏度比PIN 高。
5-7 单行载流子光电探测器（UTC-PD ）为什么能够在高速系统中使用
答：因为UTC-PD 结构使光生空穴不能扩散形成光生电流，只有电子能够形成光生电流，而UTC-PD 结构又使电子在收集层中的迁移速度非常快，所以能够在高速系统中使用。另外在收集层中减少的空间电荷与常规的PIN 管相比，允许大的工作电流密度通过，这样就在取得高速响应的同时，实现了大的饱和电流输出。
图5.2.12 电子载流子光电探测器（UTC-PD ）
5-8 简述波导型探测器（WG-PD ）和行波型探测器（TW-PD ）的工作原理
答： 在WG-PD 中，光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子-
空穴对，实现了对光信号的探测。其次，WG-PD 的光吸收是沿波导方向进行的，其光吸收长度远大于传统型光电探测器。WG-PD 的吸收长度是探测器波导的长度，一般可大于10 μm ，而传统型探测器的吸收长度是InGaAs 本征层的厚度，仅为1 μm 。所以WG-PD 结构的内量子效率高于传统型结构PD 。但是，和面入射探测器相比，WD-PD 的光耦合面积非常小，导致光耦合效率较低，同时也增加了和光纤耦合的难度。为此，可采用分支波导结构增加光耦合面积，如图5.2.11（a ）所示。
n 3>单模波导光经过光匹配层
进入 吸收层(分支波导)PD
(a)(VMP TW-PD)
串行光反馈速度匹配周期分布式行波探测器（b）
图5.2.11 增加光耦合面积的分支波导探测器
行波探测器如图5.2.11（b ）所示，它的波导长度等于探测信号的波长。行波探测器是在波导探测器的基础上发展起来的，它的响应不受与有源面积有关的RC 常数的限制，而主要由光的吸收系数、光的群速度和电的相速度不匹配决定。这种器件的长度远大于吸收长度，但它的带宽基本与器件长度无关，所以具有更大的响应带宽积。串行或并行光馈送的TW-PD 可得到高速和大饱和光电流的器件，如图5.2.16所示。
图5.2.16 光串行馈送速度匹配周期分布式行波探测器（VMP TW-PD ）
5-9 数字光接收机主要由哪几部分组成
答：数字光接收机的原理由三部分组成，即由光电探测和前置放大器部分、主放大（线
