簡介光通訊之Photo Diode ＆ PD的工作原理與應用

光通訊受光二極體（Photo Diode, PD）的工作原理與應用

在光通訊系統中，受光二極體（PD） 是光接收端的核心元件，負責將光訊號轉換為電訊號。其基本運作原理是利用 逆向偏壓 (Reverse Bias) 使 PN 接面形成 空乏區 (Depletion Region)。當光子入射並被吸收後，會產生電子與電洞對 (Electron-Hole Pair)，在內部電場的作用下分離並形成光電流，這股電流的大小正比於光強度。

空乏區的厚度對 PD 的效能影響極大：

• 厚的空乏區 → 可吸收更多光子、量子效率高，但響應速度較慢；
• 薄的空乏區 → 響應快，但吸收能力較低。
  因此，實際設計時需要在 量子效率 (Quantum Efficiency) 與 響應速率 (Response Speed) 之間取得最佳平衡。

⚡ 光電二極體的特性與操作參數

在實際操作中，PD 會施加適當的逆向偏壓，使其內部幾乎不導通。當光子進入內部的 i 層 (Intrinsic Layer)時，便會激發載子形成電流輸出。其主要特性參數包括：

• 截止頻率 (Cutoff Frequency)：決定可偵測的最短波長；
• 暗電流 (Dark Current)：在無光時由熱效應產生的漏電流，會隨溫度與老化上升；
• 光靈敏度 (Photo Sensitivity)：光強變化所引起的電流變化量；
• 反應時間 (Response Time)：輸出電流響應光變化的速度。

在高靈敏度應用中，系統通常會透過校正或補償方式消除暗電流對測量的影響。

🔬 PIN 與 APD 的結構與比較

光通訊常用的 PD 結構主要分為兩類：
PIN Diode 與 APD（Avalanche Photo Diode）。

1️⃣ PIN 型受光二極體

PIN 結構由 P 層、I 層與 N 層組成，其中 I 層即為空乏區。透過設計適當厚度的 I 層，可在吸收效率與響應時間之間取得最佳化。
此類 PD 通常表面會加上 抗反射鍍膜 (AR coating) 以提升量子效率。
矽 PIN 二極體常用於 0.85 µm 波段，而 InGaAs PIN 則廣泛應用於 1.3–1.55 µm 的光纖通訊波段。

2️⃣ APD 崩潰光二極體

APD 在高逆向偏壓下運作，內部形成強電場。當光子產生的載子通過此區時，會因 衝擊游離 (Impact Ionization) 而產生次級載子，形成類似雪崩效應的放大作用。
此結構可提供高增益與高速響應，適合長距離或弱光訊號應用。但其缺點是 雜訊較大且偏壓控制需精準。
現今 APD 的增益頻寬乘積已達 70 GHz，能對應微波級光調變速率。

🌈 新型光偵測技術：量子井光檢測器 (Quantum Well Photodetector)

隨著半導體技術發展，量子井結構光偵測器 (QWIP) 已成為新興方案。

🔗 PD 與接收放大電路的整合趨勢

傳統光電接收模組通常將 PD 與放大電路分別製作在不同晶片上，但隨著速率提升與封裝簡化的需求增加，PD 與 TIA（Transimpedance Amplifier）整合於同一晶片已成為主流。
此整合方式可：

• 提升頻率響應；
• 改善訊號雜訊比 (SNR)；
• 提高整體可靠度與一致性。

這項整合技術對於 100 G / 400 G / 800 G 光模組尤為關鍵。

💡 Q&A 

Q1：為什麼光通訊系統中需要在 PD 上施加逆向偏壓？

A：
逆向偏壓能擴大空乏區並形成電場，使光子產生的電子與電洞能迅速分離，轉換為外部可偵測的光電流。沒有逆向偏壓時，響應速度與靈敏度都會大幅下降。

Q2：PIN 與 APD 的主要差別是什麼？該如何選擇？

A：
PIN 結構簡單、雜訊低、線性佳，適合短距離與中速應用；
APD 具高增益與高速特性，適用於長距離或低光功率環境，但成本與設計難度較高。選擇取決於系統靈敏度與速率需求。

Q3：什麼是暗電流？對光接收系統有何影響？

A：
暗電流是 PD 在無光時由熱激發產生的漏電流，會造成基準電流偏移與雜訊上升。若未補償，可能導致微弱光訊號的誤判，因此需透過校正機制或溫度控制減輕影響。

Q4：為什麼 APD 能達到高靈敏度？

A：
APD 在高電場中會發生「雪崩放大效應」，使光生載子在通過時觸發更多電子－電洞對，形成增益。這種內部放大機制使其能偵測極低光功率訊號。

Q5：PD 與 TIA 整合有什麼優勢？

A：
PD 與放大電路共封裝可縮短訊號路徑、減少寄生電容與電感效應，顯著提升頻率響應與訊噪比，同時簡化模組設計與封裝流程，是高速光模組的關鍵發展方向。