7、光探测器：原理、特性与发展

光探测器：原理、特性与发展

1. 光探测器基础

光探测器在光纤通信等领域有着至关重要的作用。光探测主要有两种机制：
- 外部光电发射效应 ：以光电倍增管（PMT）为代表。当PMT的光阴极受到光子轰击时，若光子能量大于光阴极的功函数，就会发射电子。这些电子被加速到二次电极（打拿极），每个入射电子的撞击会使打拿极发射更多电子，经过多级放大，增益可高达$10^6$。但PMT不适合光纤通信，因为它与这些系统中的微电子单片集成不兼容，且没有适合1.3 - 1.6μm波长光的光阴极金属。
- 内部光电发射效应（吸收） ：能量等于或大于半导体禁带能量$E_{g}$的光子可以激发电子 - 空穴对。基于这种效应的光探测器被称为固态探测器，主要由半导体材料制成。半导体光探测器具有性能良好、结构简单、尺寸小、坚固耐用以及易于集成等优点，是可见光和近红外光纤通信的理想选择。

光探测器的主要性能特征包括：
|性能特征|定义|
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|量子效率和响应度|量子效率$\eta$是收集的电子 - 空穴对数量（无增益）与入射光子数量的比值，始终小于100%，由吸收系数$\alpha$、表面反射系数和收集前的载流子复合机制决定。响应度$R$是产生的光电流$I_{p}$（无内部增益）与入射光功率$P_{0}$的比值，可通过$\eta$计算得出。|
|电带宽|电信号功率比其直流功率低3dB时的频率。|
|增益|光探测器的内部增益，即收集的电子 - 空穴对数量与初级光生载流子对数量的比值，也称为倍增增益（光增益）。|
|噪声|产生的电信号的波动，用相应的电流或电压