光纖傳感器器件之一光電檢測器概況

　　在光纖傳感器中，光電檢測器是必不可少的器件，它起著把光信號變為電信號的關鍵作用。這里只簡單地介紹幾種常用光電檢測器的主要性能及其選用原則。

　　1.半導體光電檢測器

　　這是光纖傳感器常用的一種光電檢測器，主要有HN光電二極管、雪崩式光電二極管，以及PIN-FET微型組件等。它們的結構雖有所不同，但檢測過程基本相同，即在入射光子作用下，產生電子-空穴對，然后受強電場作用而分離出自由電子，最后收集起來形成光電流。因此，實際上它們就是光子計數器。

　　硅光電二極管價廉、性能良好(量子效率高達90%以上，響應時間1 ns以下，暗電流在10 -10 A以內)，使用方便，是理想的傳感器用光檢測器。其最佳響應波長在0.8-0.9 μm波段(這正好是GaAs-LD和LED的工作波段)，其反偏壓為10〜50 V。當傳感器的工作波段較長時，可用Ge光電二極管和III-V族三元(Ga，As，Sb)或四元(如In，Ga，As，P)合金光電二極管，適用于近紅外波段。主要噪聲源有量子噪聲、暗電流噪聲、表面電流噪聲和表面漏電流噪聲。前者由光生載流子的本征起伏引起，是器件所固有的，它決定了光纖傳感器的極限靈敏度。

　　雪崩光電二極管(APD)的優點是其本身具有增益，從而提髙了系統的靈敏度，其增益一般為10〜100倍，最大可達1000倍以上。由于這種增益特性嚴重地依賴于溫度，因此它的偏置電路需要有適當的熱漂移補償。又由于增益對電場也極為敏感，因此即使在恒溫下，其偏壓也必須保持恒定，一般要求穩定到幾十mV數量級。此外，雪崩增益是個隨機過程，增益的均方值(m2)大于其平均值的平方(M2)，于是就產生了所謂過剩噪聲(通常用噪聲因子F(m)=m2/M2來描述)。穿透型雪崩光電二極管(RAPD)的過剩噪聲十分小，增益為100時，過剩噪聲因子僅為5。Si-APD的量子效率幾乎高達100%，響應時間約1 ns，暗電流為10-11A，過剩噪聲相當小。Ge-APD可工作在1.2〜1.6 μm波段，但噪聲較大，增益為10時，過剩噪聲因子可達到7。

　　PIN-FET微型組件是小面積低電容二極管與高輸出阻抗場效應管前置放大器的復合體。由于其電容小、輸人阻抗高，因此它具有熱噪聲小的優點，這對于長波段更為突出。

　　2.光電倍增管

　　這是一種最靈敏的光電檢測器，它能檢測出每秒鐘只有一個光子的光電流。與雪崩二極管的區別在于，可很好地控制光電倍增管的倍增過程，因此它不存在過剩噪聲問題。這種檢測器的噪聲源來自倍增信號的閃爍噪聲。器件的響應波長從近紅外到近紫外波段，主要由陰極材料決定。

　　3.光電檢測器的選擇原則

　　選擇光電檢測器的主要依據是：獲得理想的光信號強度、光背景電平和所需要的信噪比等因素。信噪比由所要求的信號分辨率決定，為了獲得足夠大的信噪比，檢測必須滿足下列條件：

　　①在工作波段內靈敏度要高。Si-LED適用于0.8〜0.9μm波段，鍺器件則適用于紅外波段。

　　②由檢測器引入的噪聲必須最小，因此應當選用暗電流、漏電流和并聯電導盡可能小的器件。

　　③可靠性高，穩定性好。

　　硅光電二極管的溫度系數較小，是比較可靠、穩定的光檢測器;而雪崩二極管和光電倍增管的增益都隨偏壓而變，尤其是雪崩二極管的增益是溫度的函數，因此需要髙度穩定的偏壓和溫度補償裝置。表列出了上述光檢測器的主要性能。此外，檢測器還應具有尺寸小，便于組裝，容易與光纖耦合，偏壓或偏流不宜過高，價格低廉等條件。