光电探测器

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光电探测器

定义:用来探测光的装置。

光电探测器是用来探测光的装置,大部分情况下是探测光功率。由于实际应用的要求变化多样,因此存在很多种适合不同用途的光电探测器:

  1. 光电二极管是具有p-n结或者p-i-n结构的半导体器件(i代表本征层)(参阅PIN型光电二极管),其中光在耗尽层被吸收产生光电流。这一装置尺寸非常小,采用合适的电子装置情况下,该器件具有响应快,响应高线性以及很高的量子效率(即单个入射光子几乎可以产生一个电子),动态范围大的特点。其中非常灵敏的一类为雪崩光电二极管,有时甚至可以用于光子计数
  2. 金属-半导体-金属光电探测器包含两个肖特基接触。它比光电二极管响应更快,带宽为几百GHz。
  3. 光电晶体管与光电二极管类似,来使利用了光电流的内放大。它没有光电二极管常用。
  4. 光敏电阻器是利用了一些特定的半导体材料,例如,硫化镉(CdS)。它的价格比光电二极管低,那时响应慢,并且不灵敏,具有强的非线性响应。
  5. 光电倍增管采用的是真空管。它同时具有很高的灵敏度(甚至可用于光子计数)和很高的响应速度。但是,它的价格很高,尺寸较大,并且需要很高的工作电压。
  6. 热释电探测器利用非线性晶体(例如,LiTaO3)在吸收涂层处吸收光脉冲受热后产生的热释电压脉冲。它们通常用于测量调Q激光器中产生的毫焦耳脉冲能量。
  7. 热学探测器(功率计)可以测量吸收光引起的温度升高。这种探测器非常坚固,可以测量非常高的激光功率,但是灵敏度较低,中等的线性响应,相对较小的动态范围。
  8. 目前关于碳纳米管和石墨烯的光电探测器还在研发阶段,它有潜力可以提供很大的波长范围和很快的响应速度。将这一器件集成到光电芯片上的方法也在研究当中。


光电探测器的一些重要性质

根据实际要求,光电探测器需要满足一下要求:

  1. 探测器需要在某一给定波长范围具有很高的灵敏度。有些情况下,需要灵敏度不变,或者至少在给定波长区域内不变。有时也需要在一些其它波长区域没有响应;例如,日盲探测器,只在很短的紫外光波段是灵敏的,而对于太阳光不敏感。
  2. 探测器必须在某一功率范围内工作正常。限制探测器功率的最大值取决于非线性响应或者损伤问题,而最小功率则是由噪声决定。动态范围(最大探测功率与最小探测功率的比值用分贝表示)也非常重要。有些探测器在动态范围大于70dB时也具有很高的线性响应。
  3. 有些情况下,不仅需要很高的响应度,还需要很高的量子效率,否则会引入额外的量子噪声。这可以用来探测光的压缩态,也会影响单光子探测器的光子探测概率。
  4. 当探测激光二极管中发出的强发散光束时,需要考虑探测器的有源区大小。如果光源具有很大并且变化的光束发散角,很难在有源区全部探测到这些光。这时可以采用一个积分球来测量总功率。
  5. 探测带宽可能从0 Hz或者某一有限频率处开始,而峰值频率由内部过程(例如,半导体材料中载流子的速度)或者相关的电子学器件(例如,引入一些RC时间常数)来决定。某些谐振腔探测器只工作在很窄的频率范围内,非常适合锁相探测。
  6. 有些探测器(例如热释电探测器)非常适合探测脉冲,不适合探测连续光。
  7. 当探测脉冲(几个光子量级)时,计时精度非常重要。有些探测器探测一个脉冲后具有一段“死区时间”,在该时间内灵敏度很低。
  8. 不同类型的探测器需要不同的复杂电子学装置。当需要施加高电压或者探测非常小电压时,就会使器件尺寸变大,成本变高。
  9. 尤其是有些中红外光探测器需要冷却到很低的温度。因此它在很多情况下不适用。
  10. 有时需要采用一维或者二维光电探测器阵列。这时需要考虑一些其它的因素,例如,交叉干扰和读出技术。
  11. 很多应用都对器件尺寸、坚固性和成本有要求。

如上所列的各种不同类型的探测器具有很多不同的性质。在传统的应用领域,一些基本要求可以排除某些探测器类型,可供选择的探测器类型很有限。需要注意的是,在应用时也需要在一些方面进行权衡。例如,很难同时得到很高的探测带宽和高的灵敏度。


参阅:光电二极管PIN型光电二极管雪崩光电二极管金属-半导体-金属光电探测器速度匹配光电探测器光电倍增管功率计光子计数噪声特性噪声等效功率响应度