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?yōu)殡娦盘柕年P(guān)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(dǎo)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(jié)構(gòu)雖有所不同，但檢測過程基本相同，即在入射光子作用下，產(chǎn)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(shù)器。

　　硅光電二極管價廉、性能良好(量子效率高達90%以上，響應(yīng)時間1 ns以下，暗電流在10 -10 A以內(nèi))，使用方便，是理想的傳感器用光檢測器。其最佳響應(yīng)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(dāng)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(yōu)點是其本身具有增益，從而提髙了系統(tǒng)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(yán)重地依賴于溫度，因此它的偏置電路需要有適當(dāng)?shù)臒崞�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(wěn)定到幾十mV數(shù)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(chǎn)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(yīng)時間約1 ns，暗電流為10-11A，過剩噪聲相當(dāng)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(yīng)管前置放大器的復(fù)合體。由于其電容小、輸人阻抗高，因此它具有熱噪聲小的優(yōu)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(qū)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(yīng)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(jù)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(nèi)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(yīng)當(dāng)選用暗電流、漏電流和并聯(lián)電導(dǎo)盡可能小的器件。

　　③可靠性高，穩(wěn)定性好。

　　硅光電二極管的溫度系數(shù)較小，是比較可靠、穩(wěn)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(shù)，因此需要髙度穩(wěn)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(yīng)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。