（3.6）
一般规定光发送机的SMSR大于30dB，即主纵模的光功率是最大边模光功率的1000倍以上。
4 光检测器件与光接收机
4.1 光纤通信的光检测器件的要求
与光源器件一样，光检测器件在光纤通信中起着十分重要的作用。光检测器件的作用就是把信号（通信信息）从光波中分离（检测）出来，即进行光/电转换。光检测器件质量的优劣在很大程度上决定了光接收机灵敏度的高低。而光接收机的灵敏度和光源器件的发光功率、光纤的衰耗三者一起便决定了光纤通信的中继距离（在系统受衰耗限制而不是受色散限制时）。 光纤通信对光检测器件有如下要求： 1. 响应度高
所谓响应度是指单位光功率信号所产生的电流值。因为从光纤传输来的光功率信号十分微弱，仅有毫微瓦（nw）数量级，要想从这么微弱的光信中检测出通信信息，光检测器必须具有很高的响应度，即必须具有很高的光/电转换量子效率。 2. 噪声低
光检测器在工作时会产生一些附加噪声如暗电流噪声、倍增噪声等。这些噪声如果比较大，就会附加在只有毫微瓦数量级的微弱光信号上，降低了光接收机的灵敏度。 3. 工作电压低
与光源器件不同，光检测器是工作在反向偏置状态。有一类光检测器件APD，必须处在反向击穿状态才能很好的工作，因此需要较高的工作电压（100伏以上）。工作电压过高。会给使用者带来不便。 4. 体积小、重量轻、寿命长
需要指出的是，由于光检测器件的光敏面（接收光的面积）一般都可以做到大于光纤的纤芯，所以从光纤传输来的光信号基本上可以全部被光检测器件接收，故不存在它们与光纤的耦合效率问题，这一点与光源器件不同。
在光纤通信中使用的光检测器件有二大类，即PIN光二极管与APD雪崩光二极管。
4.2 PIN光二极管
1. PIN光二极管的工作机理
我们知道，具有PN结结构的二极管由于内部载流子的扩散作用会在P型与N型材料的交界处形成势垒电场，即所谓耗尽层。当二极管处于反向偏置状态时由于势垒电场的作用，载流子在耗尽层区域中的运动速度要比在P型或N型材料区中快得多。
构成PIN光二极管的材料如硅、锗、Ⅲ－Ⅴ族化合物在光的作用下产生光生载流子，它们定向流动就形成了光电流。
理论研究与实验表明，光二极管的量子效率（光生载流子与光子数量之比）和耗尽层的宽度成正比。因此为了保证在同样入射光的作用下能获得较大的光电流，总是希望把光二极管的耗尽层做得宽一些（也不能太宽，否则会降低其响应速度）。 根据半导体物理理论，降低半导体材料的掺杂浓度可以增加耗尽层的宽度。因此人们在设计、制造光二极管时，往往在P型材料与N型材料的中间插入一层掺杂浓度十分低的I型半导体材料（接近本征型）以形成较宽的耗尽层。这就是PIN光二极管的由来，其构造如图26所示。
图
26 PIN光二极管构造与内部电场
从图中可以看出，PIN光二极管中的I区之电场强度远远大于P区与N区中的电场，从而保证了光子载流子的定向运动以形成光电流。 2. PIN光二极管的特性参数
PIN光二极管的等效电路如图27所示。
图
27 PIN光二极管的等效电路
在图中，Is（t）为电流源即由入射光作用产生的光电流；Cd为光二极管的结电容，其值甚小；Rb为PIN光二极管的偏置电阻，它可以与其负载电阻共用一个。 ① 响应度
所谓响应度，是指单位光功率信号入射到光二极管时所产生的首次光电流，其值为
（安培/瓦特）。 因此首次光电流可以写为
（4.1）
其中：
Is（t）为由光入射产生的光信号电流（A） Ip（t）为PIN光二极管的首次光电流（A） η为PIN光二极管的量子效率 e为电子电量，e=1.6310-19库仑 h为普朗克常数，h=6.62310-34焦耳2秒 υ为光波之频率（Hz） P（t）为入射光功率信号（瓦）
可以看出，PIN光二极管的响应度大小主要是由其量子效率决定的。目前，优质的光二极管的量子效率可达到90％。 ② 响应时间（或频率特性）
PIN光二极管的响应时间，主要是光生载流子在耗尽层区域内的渡越时间和包括PIN光二极管结电容在内的检测电路的RC常数所决定的。因此耗尽层的宽度必须取量适中。其值大固然能提高PIN光二极管的量子效率，但会使光生载流子的渡越时间增长，影响其频率特性，使之不能在高码速率时使用。PIN光二极管响应时间一般为1ns左右。 ③ 结电容Cd
结电容也是PIN光二极管的重要参数。一方面它影响PIN二极管的响应时间，另一方面以后会知道，它对光接收机的灵敏度起重要作用。 结电容越小越好，一般为几个PF。结电容可用下式表示
（4.2）
其中
ε为PIN光二极管材料的介电系数 S为PIN光二极管的结面积 W为PIN光二极管耗尽层的宽度。 ④ 暗电流Id
暗电流是PIN光二极管附加噪声的主要来源。它由两部分组成，一是由构成PIN光二极管材料的能带结构决定的体电流，二是制造工艺过程所产生的泄漏电流。 PIN光二极管的暗电流一般在几个毫微安（nA）以下。
由于PIN光二极管没有倍增效应（即光放大作用），加上其暗电流甚小，本身产生的附加噪声很低，所以对光接收机灵敏度产生的影响并不显著。
3. PIN光二极管的特点及应用范围
PIN光二极管的优点是：噪声小、工作电压低（仅十几伏）、工作寿命长，使用方便和价格便宜。
PIN光二极管的缺点是，没有倍增效应。即在同样大小入射光的作用下仅产生较小的光电流，所以用它做成的光接收机之灵敏度不高。
因此，PIN光二极管只能用于较短距离的光纤通信（小容量与大容量皆可）。
4.3 APD光二极管
1. APD光二极管的工作机理
APD光二极管的工作机理就是，光生载流子──空穴电子对在高电场作用下高速运动，在运动过程中通过碰撞电离效应产生二次、三次新的空穴电子对，从而形成较大的光信号电流。
APD光二极管的构造和场强分布如图28所示。
图
＋
28 APD光二极管的构造与电场分布
图中，P与N+分别为重掺杂的P型材料与N型材料，π为近似本征型的材料。 当外加反向偏压较低时，它与PIN光二极管相似，即入射光仅能产生较小的光电流。然而随着反向偏压的增大，其耗尽层的宽度也逐渐增加，当反向偏压增加到一定数值（如100伏以上）时，则耗尽层会穿过P区而进入π区形成了高电场区与漂移区。 在高电场区，由入射光产生的空穴电子对在高电场作用下高速运动。由于其速度很快而具有很大的动能，所以在运动过程中会出现“碰撞电离”现象而产生新的二次空穴电子对。同样，二次空穴电子对在高电场区运动又可以通过“碰撞电离”效应产生三次、四次空穴电子对。这样以来，由入射光产生的一个首次空穴电子对，可能会产生几十个或几百个空穴电子对，即所谓“倍增”效应，如图29所示。
图
29 高电场区中的碰撞电离效应
在漂移区，虽不具有象高电场区那样的高电场，但对于维持一定的载流子速度来讲，该电场是足够的。
总之，在同样大小入射光的作用下，由于倍增效应，APD光二极管可以产生比PIN光二极管高得多的光电流。
但是，正是由于APD光二极管的倍增效应也产生了一种新的噪声──倍增噪声。这是因为在高电场区发生的碰撞电离效应是一个随机过程。也就是说，一个首次空穴电子对在运动过程中产生的新空穴电子对的数量是随机的。这一个首次空穴电子对可能会产生50个新的空穴电子对，而另一个首次空穴电子对可能在会产生100个新空穴电子对等等，而我们只能用其平均效应即平均增益G来描述APD光二极管的倍增性能。倍增效应的起伏性就使APD光二极管产生了一种特殊的噪声──倍增噪声。 APD光二极管的倍增效应，能使在同样大小光的作用下产生比PIN光二极管大几十倍甚至几百倍的光电流，相当于起了一种光放大作用（实际上不是真正的光放大），因此能大大提高光接收机的灵敏度（比PIN光接收机提高约10dB以上）。 然而，正是由于这种倍增效应产生的倍增噪声也会降低光接收机的灵敏度，因此在实际使用中要权衡两者的关系，使APD光二极管处于最佳使用状态──最佳增益，以后我们会进行较详细的介绍。 2. APD光二极管的特性参数
APD光二极管的等效电路如图30所示。
图
30 APD光二极管的等效电路
在图中，Is（t）仍为信号电流源，只不过它是经过倍增后的信号电流，与PIN光二极管的Is（t）大不相同；IN为倍增噪声电流源；Cd为结电容, Rb为偏置电阻，可以与APD的负载电阻共用一个。
作为一种光检测器件，APD光二极管也具有一些和PIN光二极管相类似的通用特性参数，如响应度（量子效率）、响应时间、结电容和暗电流等，其物理意义完全相同，在此不再一一叙述。