APD的雪崩增益与系统优化：全面解读APD-QE测试技术

近年来，硅光子（Silicon Photonics）技术快速兴起，成为光通信与光电集成领域的热门趋势。硅光子利用成熟的硅半导体制程，在芯片上制作光波导、调制器、检测器等光学组件，以实现高密度、低成本的光电融合。这项技术被视为连接电子与光子世界的桥梁，可大幅提升下一代芯片的数据传输速度与效率。例如在高速数据中心、5G网络和光学计算等应用中，硅光子芯片能提供低功耗且高带宽的光信号处理能力，预期将深刻影响未来的数字连接。

在硅光子系统中，用于将光信号转换为电信号的光检测器是关键组件之一。其中雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，简称 APD）因其高增益和高灵敏度，成为硅光子光接收端的核心器件。

与传统 PIN 光二极管相比，APD 能通过内部载子倍增（雪崩增益）显着提高光电转换增益，使其在极低光强下也能产生可观测的电流。

这使APD广泛应用于高灵敏度与高速响应场合，如光纤通信、激光测距（LiDAR）、光学雷达、单光子检测以及各种先进光传感器中。

APD 的存在，为硅光子技术带来了极低光功率检测的能力，提升了系统整体性能和应用范围。例如，在电信波长的光收发模块中，将锗或砷化镓等材料的 APD 集成在硅光子芯片上，可构成高灵敏度接收器，用于长距离高速光通信；在智能手机的 3D 感测和 LiDAR 中，硅基 APD 阵列可提升对远距目标的探测范围和精度。

然而，APD 的优异性能也伴随复杂的物理机制和测试挑战。为了充分发挥 APD 在硅光子系统中的作用，工程师和研究人员必须深入了解并监控APD的各项关键性能参数，包括外部量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）、光谱响应（Spectral Response, SR）、电流-电压特性曲线（I–V Curve）、噪声等效功率（Noise Equivalent Power, NEP）、比探测率（Specific Detectivity, D*）、以及噪声随频率的行为，如闪烁噪声（Flicker Noise, 1/f Noise）、约翰逊噪声（Johnson-Nyquist Noise）和肖特基噪声（Shot Noise）等。

这些参数直接决定了APD作为光电探测器的效能上限，进而影响整个硅光子系统的信号质量和性能表现。

我们将在下文逐一探讨这些指标的物理意义、对系统的影响、典型的测试方法与应用价值，同时介绍如何利用先进的测试设备（例如 Enlitech 光焱科技的 APD-QE 量子效率与参数分析系统）有效而精确地表征APD的各项性能，提升研发效率。

来源: https://www.glgyzn.com/product/34

雪崩光电二极管（APD）的工作原理与性能优势

APD 是一种类似于光电二极管的半导体光检测器，但具有"内部增益"机制。当光子射入APD的光吸收区时，被吸收的光子会产生电子-空穴对（光生载子）。在APD施加的强大反向偏置电场下，这些初级载子被加速并碰撞晶格原子，触发碰撞电离（Impact Ionization），进而产生更多二次电子-空穴对。如此的链式反应称为雪崩倍增效应，导致单个入射光子激发的电流被放大数十倍乃至上百倍。

换言之，APD 能在内部将光产生的电流 M 倍增益（增益 M 可能从几倍到上百倍，取决于材料与偏置）。这种内建放大让APD即使在极微弱的光信号下，仍能产生超过噪声水平的响应信号。

与没有内部增益的 PIN 光二极管相比，APD 的高增益可以在前级不使用电子放大器的情况下提高信噪比。例如，滤除同样大小的噪声后，APD对弱光的信号输出远高于PIN二极管，从而实现更高的灵敏度。正如滨松公司技术说明所指出："APD内部倍增信号的能力降低了噪声影响，实现比PIN二极管更高的信噪比，同时仍保持优良的线性度"。

因此在光纤通信接收端，采用APD可以比PIN检测器获得更低的接收灵敏度（通常改善数个dB），延长无中继传输距离。在LiDAR中，APD的增益让系统得以探测更远距离或更暗的目标。由于这些优势，APD已成为硅光子领域各种高灵敏光接收模块的首选探测器。

当然，APD的雪崩增益并非免费午餐：雪崩过程本身具有随机性，会引入额外噪声（通常以过剩噪声因子F来表征）。此外APD需要高偏置靠近击穿点才能运作，其暗电流和温度稳定性等也需关注。为在系统中有效应用APD，工程师必须综合考虑各项参数，找到灵敏度与噪声、速度之间的最佳平衡。

因此，深入理解APD的关键性能指标并进行准确测量，是硅光子研发中不可或缺的一环。

下面我们将探讨APD的主要性能参数，阐述其物理意义和对系统性能的影响，并说明如何通过适当的测试手段获取这些参数。在每个部分，我们也会介绍先进测试系统（如Enlitech光焱科技的APD-QE）在相关测量上的技术优势与应用价值，说明现代自动化测试设备如何协助研发人员更有效地表征APD性能。

量子产率是描述材料将入射光子转化为光子的能力的量。量子产率计算每秒有多少发射光子除以吸收光子。

外部量子效率（EQE）与光谱响应（SR）

外部量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）描述光电器件将入射光子转换成电荷载流子的效率。更正式的定义是：在特定波长下，每单位时间由探测器产生的光电子数与入射光子数之比。

EQE通常以百分比表示，例如EQE = 80%表示每100个入射光子中有80个转化为有用电荷被收集形成光电流。对APD而言，EQE主要取决于入射光在敏感区的吸收率和载子收集效率。如果有些光子穿透或被反射未产生电子-空穴对，或产生的载子未成功漂移到增益区，则会降低外部量子效率。

EQE 通常随波长而变化，因此我们关注光谱响应（Spectral Response, SR），亦即 EQE 或响应度随波长的函数曲线。光谱响应可用响应率（Responsivity）来量化，定义为探测器的光电流对应入射光功率的比值，单位为 A/W。响应率与量子效率密切相关：

其中 q 为电子电荷，h 为普朗克常数，c 为光速，λ 为波长。因此，在给定波长下，较高的EQE意味着较高的光电流响应率。

光谱响应曲线通常用于描述探测器对不同波长光的敏感程度及有效波长范围。例如，硅材料的APD在可见光至近红外（约300nm–1100nm）范围内有响应，而锗或InGaAs材料的APD则覆盖电信波长（~1310nm、1550nm）甚至更长的红外波段。

物理意义与影响

外部量子效率直接反映APD对光子的利用能力，是衡量探测器"吃进"光子的本领。高EQE意味着大部分入射光子都被转化为电信号，这对于光通信接收端或感测应用至关重要——更高的EQE能在相同入射光功率下产生更强的电流信号，提高信噪比和灵敏度。

若APD在目标波长下的EQE较低，则系统需要更强的光输入才能达到所需信号水平，这可能要求发射端提高光功率或在接收端增加后续电子放大，从而增添功耗和成本。

同样地，光谱响应告诉我们APD对不同颜色光的偏好。如果系统工作于多个波段（例如DWDM多波长通信或环境光感测），APD的光谱响应是否平坦将影响各波长信号的均衡接收。

如果在某些波长存在响应下降或"盲区"，设计者需采取补偿措施（如增加该波长的光功率或选用不同材料的探测器）。

另外，在光谱分析或成像应用中，探测器的光谱响应曲线常需要进行校正，以确保在整个波段内测量的准确性。

测试方法

测量EQE/SR通常使用单色光源扫描特定波长范围，记录对应的光电流，再结合光功率计校准入射光强度来计算效率。

这需要宽波长且稳定可调的光源（如氙灯配单色仪、可调激光等）、高灵敏度的电流测量装置，以及为防止环境光和反射影响的暗室环境。特别是当测量微小面积的APD（例如几十微米尺寸的光检测像素）时，传统聚焦光斑法在不同波长下的色差会导致焦点位置偏移数百微米乃至毫米。

这意味着同一组光学配置难以将所有波长的光精确聚焦到一个几微米大小的区域，从而造成部分波长照射不到器件或者入射光通量不足，最终导致测得的全光谱QE曲线不准确。

为克服这一挑战，专业的量子效率测试系统采用平行均匀光束照射样品，使不同波长的光在器件处都具有均匀的光强分布和一致的照射区域。

例如，Enlitech光焱科技的APD-QE系统利用独家专利的傅里叶均光光学组件产生高均匀度单色光斑，可在10×10 mm范围内实现小于1%的光强不均匀度（在470 nm、530 nm、630 nm、850 nm等波长均如此）。下图展示了不同波长下光斑强度分布的均匀性：

不同波长下APD-QE系统产生的均匀光斑强度分布热图，显示在5×5mm区域内光强不均匀度 <1%，确保各波长对微小探测器的均匀覆盖。

通过这种符合 ASTM E1021 国际标准辐照模式的均匀光源来测量微米级组件的光谱响应，可避免焦点偏差带来的误差，确保得到真正反映器件本质的EQE曲线。

此外，一些先进系统还具有多波长同测能力，例如内建多个激光/LED光源或快速扫描单色仪，使得从紫外到近红外甚至中红外的光谱响应都可在一套装置上完成测试。

APD-QE 即是一个范例：其测量光谱范围覆盖 300 nm 到 1100 nm，并可延伸至 2500 nm，以满足不同材料探测器的需求。更重要的是，该系统配备全光谱自动校正功能，通过内建校正探测器和标准光源，确保各波长光功率的准确可溯源，免除了使用者手动校正的繁琐。

值得一提的是，Enlitech光焱科技APD-QE独有的定光子数（Constant Photon Flux）控制技术（PEM 技术）为光谱响应测试提供了新的精确度。一般的光谱扫描中，不同波长的光源输出功率可能差异很大（例如氙灯经单色仪后在绿光区可能比红外区强数倍），即使经过功率校正，各波长的入射光子数也往往不同。如果器件的响应具有非线性或饱和效应，或者我们希望严格比较不同波长下单光子触发的响应差异，那么保持每个波长的入射光子流率相同就非常重要。APD-QE 的定光子数模式允许用户调控每一个波长的单色光强度，使得各波长照射在样品上的光子数完全相等，再进行测量。

这项技术在其他厂商的QE系统中是无法实现的。下图显示了在普通模式（灰线）下氙灯光源随波长的光谱强度起伏，以及在定光子数模式（橙线）下经调控后，各波长输出的光子数都被维持在相同水平（例如每秒每平方微米15,000个光子）：

Enlitech光焱科技APD-QE系统的定光子数控制：灰色曲线为氙灯单色光源的原始光谱分布，橙色曲线为开启定光子数（CP）模式后各波长调节为相同光子流率（例：15,000 photons/s/μm²）的结果。在CP模式下，各波长光子数变异 <1%。

通过这种方式，可以精细研究APD在不同光子入射率下的响应差异，或确保在整个光谱范围内测量条件的一致，提升光谱响应测试的严谨性和可信度。

精确掌握APD光谱响应：APD-QE双光学引擎技术

Avalanche Photodiode（APD）作为硅光子系统中的高性能光接收组件，往往具有极小的有效光感应面积（通常仅数百微米甚至更小），因此在实际测量APD性能参数时，最常遇到的挑战之一，便是如何将光源精确且一致地投射于微小的组件上。

为解决此问题，Enlitech光焱科技的APD-QE系统特别搭载了独家的"双光学引擎"设计，可在两种模式间快速进行切换，全面满足不同APD器件的测试需求：

（1）Irradiance Mode：高度均匀光斑，符合ASTM国际规范

APD-QE第一种光学引擎为符合国际ASTM E1021标准的"照度模式（Irradiance Mode）"，这种模式专为高精密且微小尺寸的APD检测而设计。

通过内建的专利傅里叶均匀化光学模块，可在5 mm × 5 mm区域内达到光强不均匀度低于1%的极佳水平，彻底克服了传统光学系统在不同波长下产生的色散色差（Chromatic Aberration）和光斑对位误差问题。

所谓色散色差，是指当传统光学系统使用单色仪扫描不同波长时，光焦点位置会因波长变化而略有偏移，使微米级组件无法精准对焦。

而Enlitech光焱科技APD-QE系统通过专业光学设计，能在各种波长下提供极高的均匀光强与一致光斑位置。

这种优势确保无论测试波长落在可见光还是近红外（300 nm~2500 nm）甚至中红外（可延伸至3000 nm）区域，皆能精确地测量APD组件的EQE和SR等性能指标，避免人为误差或设备光学偏差的干扰，充分反映器件本质表现。

（2）Falcon光学引擎：微米级超小光斑，宛如"手术刀"般精准测量

除了Irradiance Mode外，APD-QE系统更特别搭载了专为微小尺寸（500 µm 以下）APD设计的Falcon高光强光学引擎。

与前者的均匀光场不同，Falcon模式主打极小、极精密的高光强功率模式光斑，标准设定下光斑直径仅约100 µm（且可进一步缩小），可以如同"手术刀"般精准地将光束精确投射于APD组件极小的有效收光区内，完全避免多余光线落在组件之外的无效区域。

Falcon引擎另一项关键优势便是超高的光强密度。由于APD测试通常需精确区分光电流与背景暗电流及各种系统噪声，而通过Falcon极小面积、高密度的光束，可大幅提高入射区域的光功率密度，使得APD的光电流信号明显增加，与背景噪声区隔度极大提升。

这不仅让使用者在测量EQE、SR曲线时能更加准确，对低QE器件或微弱响应的材料，更能提高信号与背景之间的差异，避免信噪比不足导致的测量误差。

以硅光子芯片上的小面积锗基APD为例，若使用传统光源，可能因光斑大于组件有效面积，或光功率不足，导致信号微弱、数据不准确；但通过APD-QE的Falcon模式，研究者可以轻松地完成高信噪比的EQE曲线测量，迅速获得精确可靠的数据，协助判断组件设计与制程优劣，进一步提升产品开发效率与成功率。

I–V 特性曲线与击穿电压

电流–电压特性曲线（I–V Curve）是描述APD在不同偏置下电流行为的重要曲线。通常我们关心两种状态下的I–V曲线：暗电流（没有光照时的漏电流）随偏置的变化，以及在固定光照下光电流随偏置的变化。APD 的 I–V 曲线具有典型的二极管反向偏置特性：在低偏置时，暗电流主要由材料的本征漏电流决定，通常随偏置上升略有增加；当偏置提高接近某一临界值时，电流会急剧增大，出现雪崩式上升，这个临界偏置称为击穿电压（Breakdown Voltage）。

击穿点附近，少量光生电流也会被放大数百倍，导致光照下的I–V曲线同样在击穿电压处急剧上升。对于特定APD组件而言，其击穿电压是固定的（受材料和结构影响，不同APD类型可能从几十伏到上百伏不等），因此通常将工作偏置选在略低于击穿点的范围，以取得高增益同时避免不受控的击穿。

除了击穿电压，I–V曲线还能提供增益和暗电流等信息。通过比较有光照与无光时电流的差异，可计算出在不同偏置下的光电流增益 M。

例如在低偏置区（无雪崩增益，可视为M≈1）测得一微瓦光功率产生的电流，与在接近击穿偏置时同样光功率产生的电流相比，其比例即为增益倍数。

一般而言，APD的增益随偏置升高而增加，但在接近击穿时增益趋于无穷大而失控，此时APD将进入雪崩击穿状态，不再适合作为线性探测器使用。工程上常选取增益在10倍、50倍或适当范围内的偏置作为正常工作点，以平衡增益和噪声。

物理意义与影响

I–V曲线刻画了APD的工作区间和安全范围。击穿电压是设计电路时必须考虑的参数：读出电路需提供高于此电压的偏置才能驱动APD达到所需增益，但又不可超过太多以免器件永久性损坏或产生不稳定噪声。

不同APD器件击穿电压差异很大，例如硅APD常见击穿在100–200 V以上，而InGaAs APD可能在数十伏左右，因此对应的偏置电源和隔离措施都需调整。

暗电流则直接影响系统灵敏度：在工作偏置下，若APD的暗电流较高（可能来自表面漏电或材料缺陷），不但形成直流偏移，也会引入显着的肖特基噪声（因暗电流产生的随机散粒噪声，见下节），降低可检测的最低光功率。

随着偏置升高，暗电流往往随增益被放大（例如体漏电流I_db在增益M下等效为I_db·M，被加到总漏电中），因此选择工作点时要权衡增益带来的信号增强与暗电流放大的噪声惩罚。

此外，I–V曲线的线性程度也很重要——理想上，光电流与入射光强应成正比，但在接近击穿区工作时，APD可能出现非线性现象，即输出电流不再与光功率线性对应（例如光功率较大时，由于空间电荷效应，增益会下降，导致曲线趋平）。

这会影响系统对强光信号的测量准确性。因此了解APD I–V曲线的形状，可帮助我们确定线性动态范围。

测试方法

测量APD的I–V特性需要可调高压电源和低电流测量装置（如皮安电流计或源测量单元 SMU）。通常将APD置于暗盒中，逐步扫描反向偏置，同步测量电流，记录暗电流随电压的变化曲线。

同样地，在给定恒定光照（可用稳定激光二极管）下重复偏置扫描，得到光照下的I–V曲线。通过比较，可明确击穿电压位置及增益曲线。

如果配合快速测量和高分辨率电流读取，可检测到击穿电压附近电流的细微转折点，以更加准确地判定击穿点。

值得注意的是，高压扫描存在潜在风险（如器件过热击穿），因此测试时通常会从低到高慢慢增加偏置，并在接近预期击穿点时缩小步进，必要时加装限流电阻以保护器件安全。Enlitech光焱科技APD-QE等先进测试系统内建了I–V扫描功能：通过软件即可自动控制SMU执行暗态与光照态的I–V扫描，并可同时显示多组曲线以方便比较。

由于此类系统将I–V测量与光源控制整合，甚至允许同步记录各偏置点下的光电流增益，使用者可以一键取得暗电流、光电流和增益随偏置的完整关系曲线，极大地方便了APD特性的评估。

灵敏度指标：NEP 与 D*

在评价光检测器的弱光探测能力时，噪声等效功率（Noise Equivalent Power, NEP）和比探测率（Specific Detectivity, D*）是两个常用的关键指标。

简单来说，NEP 表示探测器在给定噪声水平下所能刚好辨识出的最小光功率；而 D* 是NEP的倒数（经标准化后），用于比较不同尺寸或不同带宽探测器的本征探测能力。

噪声等效功率（NEP）：NEP 定义为使探测器输出信号等于自身噪声输出（信噪比为1）时所需的输入光功率。通常NEP的单位为W/√Hz（表示在1 Hz带宽下的等效功率），NEP越小，代表探测器越敏感，能在极低光功率下区分出信号高于噪声背景。例如

表示每√Hz带宽内1皮瓦级的光就足以与噪声相当。NEP 综合了探测器的响应度和噪声特性：定量地，

其中 i_n 是探测器输出的等价噪声电流（A/√Hz），R 是响应度（A/W）。响应度越高（探测同样光功率产生更多电流），或噪声电流越低，都有助于降低NEP、提升灵敏度。

比探测率（D）**：D 常用于不同面积或不同类型探测器灵敏度的比较。由于较大面积的探测器收集光子多，有利于降低NEP，但同时大面积往往伴随较大本底噪声，因此需要一个标准化的指标。D* 定义为在1 Hz带宽、1平方厘米有效受光面积规范下的探测器探测度，其与NEP的关系为

其中 A 为探测器感光面积，Δf 为带宽（通常取1 Hz）。因此本质上

（在规范条件归一化后）。D* 的单位为"Jones"（等价于 cm·√Hz/W）。D越大表示探测器越敏感。例如，热探测器的D可能在10^8–10^10量级，而光电二极管/雪崩二极管在可见光的D*常达10^12–10^14量级甚至更高，这反映出半导体光电探测具有更高的本征灵敏度。

物理意义与影响

NEP 是直接与系统应用相关的参数——若我们知道APD的NEP，我们就能估算在给定带宽内最小可探测的光功率。

举例而言，在光通信接收器中，为了实现某个误码率要求，需要接收端在数GHz带宽内能可靠分辨出微瓦甚至纳瓦级的光信号，那么APD模块的NEP必须低于对应值才能满足要求。

同样地，在LiDAR系统中，目标物距离和反射率决定了返回光的强度，APD的NEP将限制可探测的最远距离——NEP越低，意味着系统能检测到越微弱的回波光，换算成距离就越远。D* 则常用于科研比较，例如评估新型探测材料（如铅卤钙钛矿、量子点、2D材料等）时，以D与已知的商用探测器进行对比，可以直观显示其在探测性能上的优劣。对系统设计者而言，D高的探测器意味着不需很大面积就能达到足够灵敏度，有助于缩小器件尺寸和电容，进而提高速度；反之，若使用D较低的探测技术，可能需要做大面积来收集光，却可能增加电容限制带宽。

因此NEP和D综合了响应与噪声两方面，直接影响系统在灵敏度-速度-面积之间的取舍。

测试方法

传统上，NEP的获取需要先测量探测器在目标波长下的响应度R（例如通过前述的EQE测试得到），同时测量探测器的输出噪声电流谱密度 i_n（A/√Hz）。然后

其中噪声电流通常由探测器在暗态下的电流波动决定，可使用电流放大器加FFT频谱分析仪测得特定频率或频带内的噪声功率，再换算为等价的电流密度。然而此方法较为繁琐，需要多步测量和计算。一些现代测试设备已能直接测出NEP和D*。

例如APD-QE系统将光源扫描与低噪声电流读取结合，软件可以实时计算对应每个波长的NEP与D*。实务中，为测试NEP/D*，我们会在暗室中将APD偏置至工作点，使用频谱分析仪获取暗电流的噪声谱（特别关注1 Hz带宽附近的密度），同时用已校正的单色光弱光照射器件测量响应度。

由于NEP极小，测试环境必须非常安静并屏蔽噪声源（如电磁干扰）。APD-QE 这类设备的优势在于将这套流程自动化：在测量完光谱响应后，立即自动进行暗态噪声读取，计算出全光谱范围内各波长的NEP与D*曲线。这不仅减轻了使用者计算负担，也降低了人工错误，提高数据的可靠性。

噪声来源与频率响应：闪烁噪声、约翰逊噪声与肖特基噪声

任何光电探测器在运作时都会有各种内在的电子噪声，对APD而言尤其如此。主要的噪声来源包括：

• 肖特基噪声（Shot Noise）：由载流子的离散性引起的统计波动噪声。

• 热噪声/约翰逊噪声（Thermal or Johnson-Nyquist Noise）：由电阻中电子热运动导致的随机电压/电流扰动。

• 闪烁噪声（Flicker Noise）：频谱密度与频率成反比的低频噪声，又称1/f噪声。

• 产生-复合噪声（Generation-Recombination Noise）：由载子在半导体中的捕获与释放动力学引起，通常表现为特定频率处的扰动。

• 倍增噪声（Excess Avalanche Noise）：雪崩倍增过程引入的额外随机增益波动，可视为肖特基噪声被放大的结果。

其中前三种是较常讨论的噪声类型，我们逐一说明：

肖特基噪声（Shot Noise）：肖特基噪声来源于电流是由单个电子（电荷子）构成的事实。电流并非连续平滑地流动，而是许多电子在随机时间通过的统计结果。

因此即使光照强度恒定，探测器中的光电流在微观上也会有随机起伏。对于平均值为I的直流电流，其肖特基电流噪声密度约为

其中 q 是单位电荷，Δf是观察带宽。肖特基噪声的特点是频谱呈白噪声（与频率无关的平坦谱），在整个电子带宽内皆存在。

APD中的肖特基噪声包括光生电流的散粒噪声和暗电流的散粒噪声两部分。由于APD将光生电流放大M倍，连带地光生肖特基噪声也被放大。

同时，暗电流中的体漏电流部分也会被增益放大，成为主要的噪声来源之一。实际上，在大多数APD应用中，暗电流所引致的肖特基噪声往往主导了整体噪声——因此降低APD暗电流（例如通过优化制程或冷却器件）对提升灵敏度非常有效。

Shot Noise 是探测器在高频段（通常数百Hz以上）最主要的本底噪声来源，也被视为光电探测的根本量子极限（因其无法完全消除，只能通过增加平均光信号或缩短带宽改善信噪比）。

约翰逊噪声（Johnson-Nyquist Noise）：约翰逊噪声是由电阻热扰动引起的白噪声。在任何有电阻的电路中（包括APD的等效串联电阻、偏置电阻、前级放大器反馈电阻等），都存在由电子热运动产生的随机电压电流波动。

其均方值与电阻值R、温度T及带宽成正比，频谱密度为平坦的：

（表示为等效电流噪声），其中 k_B 为玻尔兹曼常数。对APD本身而言，若不考虑外电路，只在其p-n结内部，约翰逊噪声主要来自寄生电阻或结电导。

但实务上读出APD信号必然涉及外部电阻（如偏置电路中的限流电阻、TIA放大器反馈电阻等），因此约翰逊噪声通常由读出电路决定。

约翰逊噪声同样是白色频谱，并且独立于电流大小——也就是说，即便没有光（I=0）或不工作（无偏置），只要处于T>0K环境，电路里就存在约翰逊热噪声。

对于APD接收器，约翰逊噪声一般在高频区也是恒定背景，与肖特基噪声一起决定了高频端的噪声底限。降低约翰逊噪声的方法包括减小相关电阻值、降低温度或者缩小带宽等。

闪烁噪声（1/f Noise）：闪烁噪声是一种在低频段显着的噪声，特征是其功率谱密度与频率成反比（约为1/f^α, α接近1）。在图形上表现为频谱随频率降低而急剧升高，通常在几十Hz或更低频率开始变得突出。

1/f 噪声的物理起因相当复杂，多与材料中的缺陷、杂质陷阱有关。于半导体组件中，1/f噪声常源于载流子被缺陷能级捕获与释放所造成的电导波动——不同能级的陷阱具有不同的特征时间常数，综合起来统计分布可产生近似于1/f的连续频谱。

APD中，1/f噪声主要在偏置电流存在时出现，电流越大（包括光电流和暗电流）往往导致1/f噪声更明显。

因此在直流或低频应用（例如某些环境光感测器需要侦测缓慢变化的光强），APD的1/f噪声可能成为限制因素。

与PIN二极管相比，APD在高增益偏置下可能引入额外的低频噪动，设计电路时需注意滤除极低频成分或进行背景扣除。

除了上述噪声之外，APD特有的倍增噪声值得一提。由于雪崩倍增是一种随机过程，每个光生载子引发的次级载子数量不定，增益M本身有统计分布（通常以过剩噪声因子F量化其方差）。倍增噪声使得APD的总输出噪声比单纯把PIN噪声乘以M稍高一些，即F ≈ M^2时为Poisson极限，优秀的APD可以通过材料工程将F压低（理想情况F接近1，称为"无噪声"雪崩）。

最新研究也着力于降低APD的倍增噪声，例如掺入锗化合物以抑制统计波动。

对系统的影响

噪声频谱特性决定了APD在不同应用频段的表现。对于高速数Gbps的光通信接收，信号频率高（MHz–GHz），因此1/f噪声几乎可以忽略，主要噪声是白噪声（约翰逊+肖特基），需要确保APD的暗电流和电路热噪声足够低，使在预定码率带宽内NEP达标。而在需要测量稳态或低频光信号的应用（如光学稳频、光学传感），APD的1/f噪声将限制信号的稳定分辨能力。

例如，在用APD监测激光强度稳定度时，长时间漂移和1/f噪声可能掩盖真实变化。因此研发人员需针对应用频率范围，选择噪声特性合适的APD并设计匹配的读出电路。

通常，降低温度可以同时减少暗电流（降肖特基噪声）和热噪声，但对1/f噪声影响不一定明显，需要通过工艺控制缺陷。

还有一点是，APD的噪声不仅来自器件本身，也受到后续放大电路的影响，完整的接收机噪声分析要将前置放大器的噪声折合到输入看待。如果APD内阻抗较高且容量较大，会使得放大器的噪声更难抑制。因此从系统角度，要综合考虑APD+放大器的整体噪声频谱，才能预测整机灵敏度。

测试方法

测量APD的噪声频谱需要高灵敏度的噪声分析装置。通常做法是将APD偏置至工作点，遮光（测暗噪声）或在稳定恒定光照下（测总噪声），使用低噪声前置放大器将其电流噪声转换成电压，再由频谱分析仪或FFT分析工具取得从极低频到几十kHz甚至MHz范围的电流噪声密度 vs 频率曲线。

结果常以对数-对数图表示，可清楚看出1/f区和白噪声区，以及在某些频率是否有明显的突出（例如共振或周期干扰）。

为避免外界干扰，这类测试通常在屏蔽良好的暗箱中进行，并多次取样平均提高信噪比。值得庆幸的是，现代APD测试系统（如APD-QE）已将噪声频谱测量纳入自动流程。该系统通过整合低噪声放大模块和扫频分析，在软件界面即可生成探测器的频率-噪声电流图（以 A/√Hz 对 Hz）。

这意味着使用者按下一个按键，就能获得例如1 Hz–100 kHz范围内APD噪声随频率的曲线，直观看出1/f噪声在何处成为主导、白噪声平台的水平，以及任何异常噪声峰值。

通过与光谱响应测试结合，还可以计算在不同频率下APD对应的NEP，为系统设计提供全面参考。

自动化APD-QE测试系统对研发的价值

掌握了以上各项APD性能指标的意义和测试手段，我们可以体会到要完整表征一颗APD并非易事。传统上，研究人员可能需要分别搭建光谱扫描装置、I–V扫描电路、以及低噪声放大与频谱分析系统，才能逐一测得EQE、I–V、噪声等曲线。

不仅设备需求繁杂，而且对每项测试结果的校准和比对也极耗时间。尤其对于微小面积、高灵敏度的先进光传感器（正如硅光子领域常见的器件），测试难度更高。

然而，现代的光电测试设备厂商已经针对这些挑战提供了一体化的解决方案。Enlitech光焱科技推出的APD-QE光传感器量子效率与参数分析系统就是其中的代表。

该系统将光学光谱源、精密光学均光/聚光模块、电学测试单元以及控制分析软件深度整合，能对APD等光探测器进行全方位的自动化性能测试。具体来说，APD-QE系统具备以下技术优势：

• 1.符合 ASTM E1021 标准的均匀光斑照明：利用专利傅里叶均光技术产生高均匀度单色光斑（例如10×10 mm区域内不均匀度 <1%），并可依需求切换为微米级聚焦模式，满足不同尺寸器件的照明要求。对于面积极小的硅光子探测器，可采用均匀光场覆盖整个器件，避免色差失焦问题；而对于需要逐点扫描的图像感测阵列，亦可转换为微米级光斑逐像素测试。这种灵活的光斑模式切换能力，确保各种场景下都能将光准确地耦合进器件。

• 2.多波长宽光谱测试能力：内建宽频光源及单色光谱仪，覆盖可见光至红外的广泛波长范围（300 nm–1100 nm，可延伸至2500 nm）。这意味着无论是硅基探测器还是锗/砷化镓基器件，甚至X射线转光的闪烁体-光电探测器，都能在同一套系统中完成光谱响应和量子效率的测量。不需更换多套设备，即可获得全光谱的响应曲线。
• 3.光学与电学系统一体整合：APD-QE将所有光学组件（光源、滤光、均光、光纤导引等）和电测组件（高压偏置源、SMU、低噪声前放）集成在一个遮光屏蔽箱内。并可以结合先进的探针台系统，实现晶圆级组件在晶圆上的直接测试。整体系统的封装避免了外界光干扰和电磁噪声耦合，同时减少了光路对准和电路连接的人为误差。使用者无需花费时间在对齐光纤、调校焦距或构建放大电路上，开机后在软件界面设定参数即可开始测量。
• 4.全光谱自动校正：系统在出厂时已经过标准器件校准，软件内置校正曲线，可在扫描不同波长时自动补偿光源强度波动，提供可靠的绝对EQE数值。即便长时间使用光源老化，系统也提供快速重新校正的流程，确保数据的一致性和可溯源性。

• 5.定光子数（PEM）技术：正如前节讨论的，APD-QE的定光子数控制功能让各波长光子计数保持一致进行测试。这对于研究光谱响应的本征形状、比较不同材料或结构在单光子条件下的量子效率特性，非常有帮助。此独家技术能够满足科研人员对严格实验条件的要求，获得更具物理意义的对比结果。

• 6.多参数同步测量与分析：APD-QE的软件（PDSW平台）支持多种自动测量，如 EQE 光谱扫描、I–V 扫描、以及 NEP/D*计算和噪声频谱测试，一站式完成。相较于传统需要多台设备分步完成的方式，大幅提升了测试效率。例如，研究人员可以设定好测试流程，让系统自动先测EQE，再测I–V，最后测噪声频谱，所有数据集中保存并生成报告，免除了中间繁琐的人工介入。

通过上述功能，APD-QE系统为研发人员和工程师带来了实实在在的效益。首先是测试效率的提升：过去可能要耗费几天搭建和校正的测试，如今几个小时就能拿到完整可靠的数据。

其次是数据精准度与重复性的保证：由于仪器采用了标准化的方法和严谨的校准，每次测量结果都具有高度一致性，减少了因人而异或环境差异导致的误差。

在产学研合作或团队协作中，不同人员、不同期取得的数据都可直接比较，这对于加速研究进展非常关键。再者，专业门槛的降低：使用这类自动化系统，研发者无需成为光学或测试专家，就能获取高品质的器件性能信息。

他们可以将主要精力投入新器件结构设计、制程优化和应用开发上，而不用被冗长的测试开发工作分散注意力。正如俗话所说"工欲善其事，必先利其器"，APD-QE等专业测试仪器成为研发团队的"利器"，在激烈的硅光子技术竞赛中节省宝贵时间并掌握精确数据。

结论

硅光子技术的蓬勃发展推动了各种高性能光检测器的需求，其中雪崩光电二极管（APD）凭借其内建增益和高灵敏度，在光通信、LiDAR等应用中扮演愈发重要的角色。

要充分发挥APD在硅光子系统中的潜力，必须深入理解其各项性能参数——从外部量子效率和光谱响应，到I–V曲线和增益特性，再到NEP、D*这类灵敏度指标，以及涵盖各频段的噪声行为。这些参数分别从不同角度描述了APD的表现，彼此又有关联，共同决定了整体系统的性能极限。

通过现代精密测试设备的辅助，我们能以更高的效率和精度获取APD的全面特性。例如Enlitech光焱科技的APD-QE系统以其均匀光斑、多波长、定光子数控制等创新技术，为研究人员提供了一站式的解决方案，不仅保证数据品质，更让大家能专注于创新本身。

对于学术研究者、研发工程师乃至产品开发人员而言，这样的工具能将繁琐的测试转化为轻松的日常，为新一代硅光子器件的诞生保驾护航。

在未来，我们可以预期，随着测试技术与硅光子技术的相互促进，APD等光电器件将变得更加出色、可靠，硅光子系统的表现也将不断被推向新的高度，开启更智能便捷的光子时代。