光电探测器选型指南

光电探测器的关键参数主要有响应波长范围、带宽、响应时间、响应度以及入射光功率范围等，它们是光电探测器选型的重要依据，同时也是评估器件性能的指标。下面我们就一起来了解下光电探测器的关键参数吧！

01.波长响应范围·Wavelength Response Range·

当入射光的能量（hv）大于材料的禁带宽度时，价带电子跃迁到导带形成光电流，从而形成有效响应，其对光信号响应的波长范围即为光电探测器的工作波长。因此，探测器的工作波长主要取决于探测器材料类型。光电探测器中的光芯片通常由半导体材料制成，丰富的半导体材料使得探测器工作波长覆盖紫外至红外波段。

其中：

紫外波段（200 – 400 nm）的探测器材料包括氮化镓（GaN）、铝镓氮（AlGaN）和碳化硅（SiC）等；

可见光波段主要使用硅基材料，硅（Si）基探测器工作波长分布在可见波段到近红外波段（400 – 1100 nm）范围；

而近红外波段常用的材料包括铟镓砷（InGaAs，900 – 1700 nm）和锗（Ge，800 – 1800 nm），目前铟镓砷材料经过扩展探测范围可以达到 2700 nm；

在红外波段常用材料包括铟砷锑（InAsSb，2.0 – 5.5μm)和碲镉汞（MCT, 2.0 – 12.0 μm)。

如果波长选择不匹配，探测器将会无响应。因此，我们首先要根据应用需求选择工作波长适配且峰值响应波长相近的光电探测器。

02.响应度·Responsibility·

在选择光电探测器时，我们需要考虑光电二极管的峰值响应波长及响应度[A/W]。响应度是描述探测器灵敏度的参量，它代表探测器输出电信号和输入光信号的关系。响应度定义为每瓦入射辐射产生的光电流，直接反映了探测器的光电转换能力。响应度本身是波长的函数，因此，光电二极管的光谱响应度在待测入射光波长下应尽可能高。

Si：400~1100nm

InGaAs:900~2600nm

03.带宽·Bandwidth·

光电探测器的工作带宽(BW)是指光电探测器可探测的频率响应范围，即光电探测器能有效探测到的调制光信号的最大频率范围，也常表示为截止频率（Cutoff Frequency，f_c），单位是赫兹（Hz）。工作带宽越大，表明光电探测器对各种频率调制光信号的响应能力就越强。另外，光电探测器的响应带宽一般用3dB 带宽来表示，如下图所示，指频率谱线从顶峰下降3dB 时对应的频谱宽度，也表示功率降为最大值一半时对应的频带宽度。

需要注意的是，3dB带宽（f _3dB）是表征系统响应速度的重要参量，同时也受到其他因素的影响。带宽跟增益是相互矛盾的，所以无法同时满足高带宽和高增益，由此可见工作带宽并非越大越好，而是要根据具体应用需求平衡工作带宽和其他性能指标，如果您需要探测的输入光信号是恒定的，不需要高动态响应，那么便可以不考虑带宽参数。

04.响应时间·Response Time·

除3dB 带宽以外，还有一个衡量光电探测器响应速度的重要参量——响应时间，其包含上升时间（τ_r ）和下降时间（τ_f ）。其中，上升时间定义为光信号在输入到光电探测器后，信号强度从最终强度的10% 上升到90% 的过渡时间，下降时间以此类推。上升时间/下降时间越短，光电探测器的响应速度越快，从而可以快速捕捉到光信号的变化。

上升时间（τ_r ）和带宽（f_3dB ）均是反映探测器响应快慢的参数。对于许多基于光电二极管以及其他一阶、电和电光系统来说，二者的关系可以用如下公式表示：

其中，上升时间和3dB 带宽分别是相对于时域和频域测量的。上述公式以这种方式将时域和频域联系起来，有助于我们更好地评价探测器的性能。

05.增益 ·Gain·

增益是指光电探测器将光信号转换为电子信号后，对电信号的放大能力。表示为单位时间内收集的载流子与吸收光子之比，单位为V/W。一般来说，增益越大，探测器可探测弱信号的能力越强。光电探测器由光电二极管和低噪声跨阻放大器(TIA)组成，TIA 内部包含多个反馈电阻，可通过设置反馈电阻的阻值来改变跨阻增益的大小。

光信号转换成光电流后，放大器再对光电流进行跨阻放大，使其转换为电压信号。因此，跨阻放大器又称为电流电压转换器，电压与电流的比值即为跨阻增益(Transimpedance Gain)，单位是V/A 。

06.饱和光功率·Saturated Optical Power·

光电探测器的使用对输入光信号的能量也是有要求的，探测器只能在最小探测光功率(P_min)至饱和光功率(P_S)范围内正常工作。所谓“饱和光功率”是指该款探测器能响应的最大光功率，超过此功率范围后，探测器的输出信号便不再随着输入光功率的增强而增大。如果超过饱和光功率，会导致光电探测器无法输出准确的幅值，还可能会损坏光电探测器。目前市面上常见的光电探测器饱和光功率基本都在毫瓦量级，因此，对于大功率光探测一般都会有对应的光功率衰减方案配合使用。尤其对于空间光探测器，需要先调整输入光功率才可以进行探测，除此之外还要考虑入射光斑大小。因为光电探测器的光敏面一般都在毫米甚至微米级别，必要时还需要添加透镜组辅助探测。

07.噪声等效功率·Noise Equivalent Power·

反而言之，如果输入光功率小于最小探测光功率，会导致无响应信号输出。这是因为探测器是存在本底噪声的，微弱光功率输出的电信号完全被淹没在噪声里面，导致探测器将无法感知目标光信号。表示探测器输出的信号等于噪声电流所需的入射光功率，即为噪声等效功率（NEP），常以此来衡量光电探测器接收弱光信号的能力。NEP 越小，代表此型号PD 的探测下限越低，也就越适合于弱光探测，这个值也被用作最小可检测的入射光功率。

上述基本参数对于光电探测器的选型和使用具有重要的参考意义，了解如何在系统应用中规范使用光电探测器对于确保系统测量的准确性和提高系统的探测性能至关重要。