简介光通讯之Photo Diode & PD的工作原理与应用

光通讯受光二极管（Photo Diode， PD）的工作原理与应用

在光通讯系统中，受光二极管（PD） 是光接收端的核心组件，负责将光讯号转换为电讯号。 其基本运作原理是利用 逆向偏压 （Reverse Bias） 使 PN 接面形成 空乏区 （Depletion Region）。 当光子入射并被吸收后，会产生电子与电洞对 （Electron-Hole Pair），在内部电场的作用下分离并形成光电流，这股电流的大小正比于光强度。

空乏区的厚度对 PD 的效能影响极大：

• 厚的空乏区 → 可吸收更多光子、量子效率高，但响应速度较慢;
• 薄的空乏区 → 响应快，但吸收能力较低。
  因此，实际设计时需要在量子效率（Quantum Efficiency）与响应速率（Response Speed）之间取得最佳平衡。

⚡ 光电二极管的特性与作参数

在实际作中，PD 会施加适当的逆向偏压，使其内部几乎不导通。 当光子进入内部的 i 层 （Intrinsic Layer）时，便会激发载子形成电流输出。 其主要特性参数包括：

• 截止频率 （Cutoff Frequency）：决定可侦测的最短波长;
• 暗电流 （Dark Current）：在无光时由热效应产生的漏电流，会随温度与老化上升;
• 光灵敏度 （Photo Sensitivity）：光强变化所引起的电流变化量;
• 反应时间 （Response Time）：输出电流响应光变化的速度。

在高灵敏度应用中，系统通常会通过校正或补偿方式消除暗电流对测量的影响。

🔬 PIN 与 APD 的结构与比较

光通讯常用的 PD 结构主要分为两类：
PIN Diode 与 APD（Avalanche Photo Diode）。

1️⃣ PIN 型受光二极管

PIN 结构由 P 层、I 层与 N 层组成，其中 I 层即为空乏区。 透过设计适当厚度的 I 层，可在吸收效率与响应时间之间取得最佳化。
此类 PD 通常表面会加上 抗反射镀膜 （AR coating） 以提升量子效率。
硅 PIN 二极管常用于 0.85 μm 波段，而 InGaAs PIN 则广泛应用于 1.3–1.55 μm 的光纤通讯波段。

2️⃣ APD 崩潰光二極體

APD 在高逆向偏压下运作，内部形成强电场。 当光子产生的载子通过此区时，会因冲击游离 （Impact Ionization） 而产生次级载子，形成类似雪崩效应的放大作用。
此结构可提供高增益与高速响应，适合长距离或弱光讯号应用。 但其缺点是 噪声较大且偏压控制需精准。
现今APD的增益带宽乘积已达70 GHz，能对应微波级光调变速率。

🌈 新型光偵測技術：量子井光檢測器 (Quantum Well Photodetector)

随着半导体技术发展，量子井结构光侦测器（QWIP）已成为新兴方案。

此器件利用量子局限效应，让电子在能带间进行子能阶跃迁，从而检测中红外（3.5–12 μm）光波。
这类器件在红外成像、军事与环境监测等领域具有高度应用潜力。

🔗 PD 与接收放大电路的整合趋势

传统光电接收模块通常将PD与放大电路分别制作在不同芯片上，但随着速率提升与封装简化的需求增加，PD与TIA（Transimpedance Amplifier）整合于同一芯片已成为主流。
此整合方式可：

• 提升频率响应;
• 改善信号噪声比（SNR）;
• 提高整体可靠度与一致性。

这项集成技术对于100G/400 G/800G光模组尤为关键。

💡 问答

Q1：为什么光通讯系统中需要在 PD 上施加逆向偏压？

A：
逆向偏压能扩大空乏区并形成电场，使光子产生的电子与电洞能迅速分离，转换为外部可侦测的光电流。 没有逆向偏压时，响应速度与灵敏度都会大幅下降。

Q2：PIN 与 APD 的主要差别是什么？ 该如何选择？

A：
PIN 结构简单、噪声低、线性佳，适合短距离与中速应用;
APD 具高增益与高速特性，适用于长距离或低光功率环境，但成本与设计难度较高。 选择取决于系统灵敏度与速率需求。

Q3：什么是暗电流？ 对光接收系统有何影响？

A：
暗电流是 PD 在无光时由热激发产生的漏电流，会造成基准电流偏移与噪声上升。 若未补偿，可能导致微弱光讯号的误判，因此需透过校正机制或温度控制减轻影响。

Q4：为什么 APD 能达到高灵敏度？

A：
APD 在高电场中会发生「雪崩放大效应」，使光生载子在通过时触发更多电子-电洞对，形成增益。 这种内部放大机制使其能侦测极低光功率讯号。

Q5：PD 与 TIA 整合有什么优势？

A：
PD 与放大电路共封装可缩短信号路径、减少寄生电容与电感效应，显著提升频率响应与讯噪比，同时简化模块设计与封装流程，是高速光模组的关键发展方向。

本篇作者-诠鼎集团-卢卡斯

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