一文读懂探测器如何把光转化成电流

翻开通往光通信与光测量的器件目录，探测器那一栏同样是一长串：PIN、APD、平衡探测器、单光子探测器、位置传感探测器、热敏探测器、光电倍增模块，再往下还有跨阻放大器、偏压探测器、放大探测器……

它们干的是同一件事：把光信号变成电信号。既然目标相同，为什么也分出这么多花样？

答案在三个绕不开的问题上——要测的光有多弱、要跟多快的信号、噪声底线在哪里。每多加一个约束，就得换一种结构。和光源那边一样，缩写不是随便起的，每个都对应着一个具体的麻烦。

一、最基础的那一层：PIN

半导体探测器最根本的一步，是光子被吸收、激发出一对电子与空穴，在外加电场下分别跑向两极，形成电流。这叫光电二极管。

光电流通常极小，微安已经算大的，弱光场合常常在纳安甚至更小。所以第一个要紧的问题是：进来一个光子，能出来几个电子？这个比例叫量子效率 η。

换成更好用的量，是响应度 R——一瓦的光能换出多少安培的电流。两者只差一个换算：

R = η · λ / 1240（A/W，λ 以纳米计）

举个直观的数：1550 纳米下，量子效率做到 0.8 上下，响应度大约是 1 A/W。

图1：多出来的那一层，是为了兼顾效率与速度

早期的光电二极管就是个简单的 PN 结。后来在中间加了一层不掺杂的本征层（I 层），于是有了 PIN。这一层的作用很实在：它把耗尽区拉宽，让光子有更多地方被吸收，同时把结电容压下来。

但厚度是个两难的选择。I 层越厚，光吸收得越充分，量子效率越高；可载流子要走的路也越长，渡越时间变大、带宽往下掉。反过来，做薄了速度快，光却吸不干净。

至于能测哪个波段，则由材料决定，不是结构能改的。硅管覆盖可见到近红外，通信波段得换成铟镓砷，再往远红外走又是另一套材料。

二、要不要内部增益：APD

光实在太弱的时候，PIN 出来的电流会小到被后级电路的噪声盖住。这时候有两条路：要么在外面加一级很干净的放大，要么让探测器自己先放大一遍。

APD（雪崩光电二极管）走的是第二条。它工作在相当高的反向偏压下，光生载流子被强电场加速，撞出新的电子空穴对，新载流子再接着撞——一次雪崩，电流被放大 M 倍。

图2：增益抬起了信号，也抬起了噪声

问题在于，倍增是个随机过程。每一次雪崩放大的倍数并不相同，于是凭空多出一份噪声。这份额外用过剩噪声因子 F(M) 描述：增益越大，F 涨得越快。

所以增益不是白拿的——信号放大 M 倍，噪声还要多放大一些。要不要上 APD，得看在当前的增益下，把信号抬到噪声之上到底划不划算。

此外还得接受三件事：一是温度敏感，击穿电压随温度漂移，偏压必须跟着补偿，所以常配温控；二是增益带宽积有限，增益拉高则带宽往下掉；三是工作偏压动辄几十到上百伏，电路比 PIN 复杂得多。

三、两个一起用：平衡探测器

有些场合，噪声并不是来自探测器，而是来自光源本身——光的强度一直在微微起伏。这种起伏会原封不动地进入输出，再好的探测器也躲不掉。

平衡探测器的解法很巧：用两只参数配对的管子，让光分成两路分别照上去，再把两路电流相减。

图3：把共有的噪声对消掉

光源的强度起伏对两路是一样的，相减后被消掉；而真正的信号只存在于其中一路，减完之后依然保留。能不能消干净，取决于两路配得有多齐，这个能力用共模抑制比（CMRR）衡量，做得好能到几十分贝。

相干探测、外差测量、微弱吸收——凡是噪声主要来自光源的场合，这一招都非常划算。换个说法：PIN 管只是把光变成电流，平衡探测器则是在替你做减法。

四、数单个光子：SPAD

再往弱走，就到了要数单个光子的地步。这时候 SPAD（单光子雪崩二极管）登场：偏压略微超过击穿电压，进入盖革模式，一个载流子就能触发一次自持雪崩，输出一个可数的脉冲。

雪崩必须及时淬灭——把偏压拉回击穿电压以下，让器件复位。复位需要时间，这段时间里它看不见任何光子，称为死时间。死时间决定了探测器能数多快。

图4：抓一个光子，代价是死时间与暗计数

单光子探测器不再谈响应度，改看四个数：探测效率（PDE，一个光子有多大概率真被记下）、暗计数率（没光时自己误报多少次）、后脉冲（上次雪崩残留的载流子引发误触发）、时间抖动（响应时刻的散布，测距精度就看它）。

材料上也有分工：硅管在可见与近红外效率高、暗计数低；通信波段要用铟镓砷，但暗计数明显偏高，通常得用门控的方式工作——只在预期光子会来的那一小段时间内打开。

五、弱信号的第一道关：跨阻放大器

光电流实在太小，直接拿去采集是不现实的。标准做法是先就近用跨阻放大器（TIA）把它转成电压：输出电压等于光电流乘以反馈电阻，也就是跨阻增益。

微妙之处在于，反馈电阻 Rf 的取值牵动三件事，方向还不一致：

Rf 取大，增益高；

反馈电阻的热噪声反而变小，更灵敏；

但 Rf 与寄生电容凑成一个低通，把高频砍掉，带宽变窄。

图5：增益、带宽、噪声，三者做买卖

于是增益、带宽、噪声构成一个三角，谁也别想同时拿满分。选 Rf 就是按用途定这个平衡点。

更省事的做法是买放大探测器：把探测器和跨阻放大器封在同一个壳子里，屏蔽与寄生都在厂里处理好了，不必自己在电路板上跟飞安级的电流较劲。APD 需要的高压偏置也是同理，偏压探测器把偏置电路连同温控一起集成进去，开箱即用。

六、另外几位：位置、热与倍增

还有几位各有各的专长，靠的不是增益而是别的路子。

位置传感探测器（PSD）不测光有多强，而测光斑落在哪儿。它靠的是光生电流在两个电极间的分配比例——光斑往哪边挪，电流比例就跟着变，输出的是连续的位置量。对准、位移、角度测量常用它。

热敏探测器走的完-全是另一条路：先让光被吸收转成热，再测温度变化。好处是响应几乎与波长无关，从可见一直覆盖到远红外都很平坦；代价是慢，跟不上快速变化的信号。光功率计里常见的就是它。

光电倍增模块则把外光电效应与打拿极倍增结合起来，增益极-高、光敏面积大，在极弱光场合仍是主力。它需要高压供电、怕强光照射，体积也比半导体器件大得多——这些正是单光子探测器试图取代它的地方，但大面积这一条，目前还不好替。

七、选型时究竟看什么

把上面这些串起来，选型其实是在依次问五个问题。

图6：一张表看懂各自的地盘

波长多少——先定材料，硅、铟镓砷还是别的，这一条往往就把范围砍掉大半；

光有多弱——纳安级用 PIN 加外放大就够，再弱考虑 APD，弱到要数光子就上 SPAD；

信号有多快——带宽要求越高，可用的增益越少；

噪声底线在哪——真正的灵敏度指标是噪声等效功率（NEP），也就是信噪比等于 1 时所需的光功率；

噪声从哪来——若主要来自光源而非探测器，平衡探测器往往比换一只更贵的管子有效。

剩下的问题——封装形式、带不带尾纤、要不要温控、输出是电流还是电压——多半是这五条的延伸。

八、几句实在话

探测器分出这么多种，跟光源那边是一个道理：没有一种结构能在所有指标上同时拿满分。

先由波长定材料，再由光强弱决定要不要增益（PIN 无增益、APD 有增益但附过剩噪声、SPAD 进盖革模式数单光子）；

增益、带宽、噪声构成一个三角，只能按用途取平衡；

而真正的灵敏度看 NEP，噪声若来自光源，平衡探测器的两路相减往往比换管子更划算。

要快就得把吸收层做薄，接受效率下降；要灵敏就得上增益，接受额外噪声和高压偏置；要数光子就得接受死时间。所谓选型，说到底就是先想清楚哪一条最不能让步，然后接受其他方面的妥协。

下次再看那一串缩写，不妨先问一句：它是为了解决哪一个麻烦才被做出来的。想通了这一层，目录就没那么难读了。