在科学上，每一条道路都应该走一走，发现一条走不通的道路，就是对科学的一大贡献。那种证明“此路不通”的吃力不讨好的工作，就让我来做吧。—爱因斯坦（A.Einstein）

        光纤通信中，最常用的光探测器是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波导光探测器（WG-PD）和行波光探测器（TW-PD）。严格地说，光电二极管是光子转变为电子的二极管，即光/电转换二极管。

一、光探测机理——吸收光子产生电子

        光探测过程的基本机理是光吸收，假如入射光子的能量hν超过禁带能量Eg，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7.1.1b所示。在PN结施加反向电压的情况下，在电场作用下，受激吸收过程生成的电子-空穴对，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IP。当入射光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。为了比较，也画出了光的自发辐射图。吸收过程也遵守能量守恒，不同能量的光子，也产生不同种类的电子。

图7.1.1光的自发辐射和吸收

a）发光二极管——光的自发辐射b）光探测器——光的吸收

二、响应度、量子效率和响应带宽 1.响应度、量子效率和截止波长

       光生电流IP与产生的电子-空穴对和这些载流子运动的速度有关，也就是说，直接与入射光功率Pin成正比，即

式中，R是光探测器响应度（用A/W表示），由此式可以得到

响应度R可用量子效率η表示，其定义是光信号产生的电子数与入射光子数之比，即

式中，q是电子电荷，h是普朗克常数，ν是入射光频率。由此式可以得到响应度

式中，λ=c/ν是入射光波长，c=3×108m/s是真空中的光速。式（7.1.4）表示光探测器响应度随波长增长而增加，这是因为光子能量hν减小时可以产生与减少的能量相等的电流。R和λ的这种线性关系不能一直保持下去，因为光子能量太小时将不能产生电子。当光子能量变得比禁带能量Eg小时，无论入射光多强，光电效应也不会发生，此时量子效率η下降到零，也就是说，光电效应必须满足条件。

式中，λ就是截止波长。图7.1.2表示各种探测器的响应度和截止波长。

图7.1.2各种光探测器的波长响应曲线

a）PIN光探测器b）APD光探测器

2.响应带宽

        光电二极管的本征响应带宽由载流子在电场区的渡越时间ttr决定，而载流子的渡越时间与电场区的宽度W和载流子的漂移速度υd有关。由于载流子渡越电场区需要一定的时间ttr，对于高速变化的光信号，光电二极管的转换效率就相应降低。光电二极管的本征响应带宽Δf的定义为：在探测器入射光功率相同的情况下，接收机输出高频调制响应与低频调制响应相比，电信号功率下降50%（3dB）时的频率，如图7.1.3b所示。Δf与上升时间τtr成反比

式中，上升时间τtr定义为输入阶跃光脉冲时，探测器输出光生电流最大值的10%～90%所需的时间。

与半导体激光器一样，光电二极管的实际响应带宽常常受限于二极管本身的分布参数和负载电路参数，如二极管的结电容Cd和负载电阻RL的RC时间常数，而不是受限于其本征响应带宽，所以为了提高光电二极管的响应带宽，应尽量减小结电容Cd。受RC时间常数限制的带宽为

图7.1.3 PN结光探测原理说明