CATV光接收機(jī)原理及應(yīng)用

1、catv光接收機(jī)原理及應(yīng)用第一部分光探汝! 9器的結(jié)構(gòu)及性能光探測(cè)器在光纖傳輸系統(tǒng)中的任務(wù)是光電轉(zhuǎn)換。在信號(hào)的光傳輸鏈路中，光探測(cè)器是 光接收機(jī)的心臟部件，對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)，光探測(cè)器把輸入的光束的強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的 電流變化；對(duì)于外差檢測(cè)系統(tǒng)，光探測(cè)器把信號(hào)光束電場(chǎng)與木振光束電場(chǎng)之積轉(zhuǎn)化為電流， 其變化規(guī)律反映信號(hào)光的頻率變化或相位變化。另外，在光傳輸鏈路的監(jiān)測(cè)、探測(cè)系統(tǒng)中， 光探測(cè)器還廣泛用作光強(qiáng)傳感器，例如，在激光器組件中包含光探測(cè)器，用以實(shí)現(xiàn)發(fā)送光功 率的自動(dòng)控制；在光纖放大器中，用光探測(cè)器感知輸入輸出光功率的大小，以實(shí)現(xiàn)放大器的 狀態(tài)控制。在catv光傳輸系統(tǒng)中對(duì)光探測(cè)器有如下要求：

2、a、在系統(tǒng)工作的波段范圍內(nèi)有很高 的響應(yīng)效率，即對(duì)工作波段內(nèi)入射的光信號(hào)，光探測(cè)器能輸出較人的光電流，實(shí)際上不同材 料對(duì)各種波反的光的響應(yīng)效率是不一樣的，在使用光探測(cè)器時(shí)必須合理選擇所用的器件，才 能滿足系統(tǒng)要求。b、冇足夠的響應(yīng)度，輸出電流與輸入光功率是線性關(guān)系，以保證信號(hào)不火 真。c、噪聲低，頻帶寬。光探測(cè)器在光電變換中引入的噪聲應(yīng)盡量小，因?yàn)楣馓綔y(cè)器的入射 光信號(hào)一般相當(dāng)微弱，又是光接收機(jī)的最前級(jí)，對(duì)系統(tǒng)的載噪比影響較大。d、可靠性高、壽 命長、性能穩(wěn)定，能適應(yīng)一定的溫度等環(huán)境條件變化，另外還要求光探測(cè)器體積小、價(jià)格低、 偏置簡(jiǎn)單等。為了滿足上述系統(tǒng)要求，日前一般都采用半導(dǎo)體光探測(cè)器。一

3、、光探測(cè)器的結(jié)構(gòu)光纖通信系統(tǒng)中所使用的半導(dǎo)體光電探測(cè)器都是利用光電效應(yīng)原理制成的，所謂光電 效應(yīng)就是指一定波長的光照射到半導(dǎo)體的pn結(jié)時(shí)，價(jià)帶上的電子吸收光子能量而躍遷到導(dǎo) 帶，使導(dǎo)帶中有了電子，價(jià)帶中有了空穴，從而使pn結(jié)中產(chǎn)生光生載流子的一種現(xiàn)象。 當(dāng)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)（不是機(jī)械結(jié)合，而是分子問結(jié)合），能構(gòu)成一個(gè)p-n結(jié), 在p、n型半導(dǎo)體的交界將發(fā)生載流子相互擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)；p型材料中的空穴區(qū)比"型材料多， 空穴將從p區(qū)擴(kuò)散到n區(qū)；同樣n型材料中的電子遠(yuǎn)比p型材料的多，也要擴(kuò)散到p區(qū)，達(dá) 到平衡時(shí)，這些向?qū)Ψ綌U(kuò)散的載流了將積聚在p區(qū)和n區(qū)交界面的附近，形成空間電荷區(qū)， 稱

4、為結(jié)區(qū)，如下圖所示：空間電荷區(qū)內(nèi)，因多數(shù)載流子（指p區(qū)中的空穴，n區(qū)中的電子），幾乎已消耗盡了， 故又稱它為耗盡區(qū)。耗盡區(qū)內(nèi)形成了內(nèi)建電場(chǎng)ei以及接觸電勢(shì)或勢(shì)壘va, ei或va的存在阻 止多數(shù)載流子繼續(xù)向?qū)Ψ綌U(kuò)散，達(dá)到了平衡狀態(tài)。如果p-n結(jié)接收相當(dāng)能量的光波照射，進(jìn) 入耗盡區(qū)的光子就會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，并且受內(nèi)電場(chǎng)ei的加速，空穴順ei方向漂向p 區(qū)，電子則逆ei方向漂向n區(qū)，光照的結(jié)果打破了原有結(jié)區(qū)的平衡狀態(tài)。光牛載流子的運(yùn)動(dòng), 同樣要在結(jié)區(qū)形成由場(chǎng)ep和電壓vp,而ep和vp的方向和極性正如與ei和va相反,起到 削弱ei和陽的作用。電壓vp稱為光牛伏特，當(dāng)光照是穩(wěn)定的，將p-n結(jié)兩端用

5、導(dǎo)線連接, 串入電流計(jì)就能讀出光電流ipop-n結(jié)中的光電流是靠耗盡區(qū)中的內(nèi)電場(chǎng)形成的。當(dāng)以適當(dāng)能量的光照射p-n結(jié)且 光強(qiáng)很大，能使光生電場(chǎng)ep二ei,介成電場(chǎng)e二ei-ep=0,即ei已被削減為零，耗盡區(qū)也不存 在了。這時(shí)光生載流子雖仍可在p-n區(qū)中產(chǎn)生，但無電場(chǎng)導(dǎo)引和加速，在雜亂的擴(kuò)散過程中， 大部分光生空穴和光生電子相繼復(fù)合而消失，不能形成外部電流。這是不加偏置的p-n結(jié)可 能出現(xiàn)的問題；零偏置有兩大弊?。海?）器件的響應(yīng)速度很差，并且很容易飽和；（2）依靠 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的光電流響應(yīng)速度很慢。若在p7結(jié)上加反向偏置電壓v,則勢(shì)壘高度增加到 va+v,負(fù)偏壓在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建場(chǎng)方向

6、一致，使勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng)，加強(qiáng)了漂移運(yùn)動(dòng), 而fl 7區(qū)的電子向正電極運(yùn)動(dòng)并被中和，p區(qū)的空穴向負(fù)電極運(yùn)動(dòng)也被中和，這樣耗盡層就 被加寬了，響應(yīng)率和響應(yīng)速度都可以得到提高。除了加負(fù)偏壓的方法外，還可以通過減小p 區(qū)和n區(qū)的厚度來減小載流子的擴(kuò)散時(shí)間；減少在p區(qū)和n區(qū)被吸收的光能以及降低半導(dǎo)體 的摻雜濃度來加寬耗盡層的方法來提高器件的響應(yīng)速度，這種結(jié)構(gòu)就是常用的pin光電二極 管。前面講述了光探測(cè)器的原理及結(jié)構(gòu)?？偟恼f來，ptn無增益、靈敏度稍低、要求偏 壓小、喑電流小、動(dòng)態(tài)范圍人，適用于模擬電視傳輸；在catv應(yīng)用屮以ptn光探測(cè)器居多, 因而此處重點(diǎn)講述pin光探測(cè)器的性能指標(biāo)及在光接收機(jī)中的

7、應(yīng)用。二、pin光探測(cè)器的技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用pin光電二極管在p和n層z間夾冇一個(gè)本征層（i層），p層做得很薄。p和i層z間的結(jié)區(qū) 靜電容做得極小，為0. 5-2pf,因此能獲得高速脈沖或射頻電視信號(hào)的優(yōu)良特性。ptn光電二 極管的主要技術(shù)指標(biāo)主要由下列參數(shù)來表征：1. 光電轉(zhuǎn)換效率。衡量光電轉(zhuǎn)換效率的特性參數(shù)有量子效率和響應(yīng)度。量子效率n 定義為光電子產(chǎn)牛率re與光子入射率rpz比，即每1秒鐘內(nèi)，光電二極管的電極所收集到 的電子數(shù)與入射到光電二極管的光子數(shù)z比，n=re/rp= （ip/e） /（po/hv） 式中：e是電子 電荷，v為光頻，波長越大，tp越大，n就越大，故量子效率有波長依賴性；

8、在應(yīng)用上口然 要求量子效率越高越好?，F(xiàn)在商用的pin光電二極管的量子效率為70%90%,其至有接近100% 的產(chǎn)品。響應(yīng)度表示單位入射光功率所產(chǎn)生的光電流，常用r表示:r=ip/po°r的單位為a/w, 利用上式就得到響應(yīng)度與量子效率的止比關(guān)系：r二en/ hv =e x n/hc 式中c為光速。運(yùn)用 直流電流表和光功率計(jì)，很容易的測(cè)量出一個(gè)pin光電二極管的響應(yīng)度，日前商用的pin光 電二極管的響應(yīng)度為0.80.9a/w。響應(yīng)度同樣是波長的函數(shù)，隨看波長的增加，響應(yīng)度會(huì) 變?nèi)?；因此，同一只光電二極管在接收不同波長的信號(hào)時(shí)響應(yīng)度不一樣，接收1550nm信號(hào)時(shí) 的響應(yīng)度就比接收1310

9、nm信號(hào)的響應(yīng)度高。制作一個(gè)高量子效率或高響應(yīng)度的光電二極管需要有以下工藝和技術(shù)來保證。（1） 光敏面要做得很曲。因?yàn)楣饷裘媸歉邠诫s的材料，這里產(chǎn)牛的光牛載流子需在零場(chǎng)區(qū)經(jīng)過緩 慢擴(kuò)散，才能達(dá)到耗盡區(qū)成為外部光電流，一些載流子在擴(kuò)散過程屮常常被復(fù)介而消失，極 薄的光敏面可使光生載流了復(fù)合的機(jī)率減小，大部分能順利的到達(dá)耗盡區(qū)，從而提話了量了 效率。（2）耗盡區(qū)要足夠?qū)?，使入射光的全光程都能產(chǎn)生載流子。厚度小了，量子效率將降 低。（3）為了減小光敏面的光反射損火，可在其表面鍍一層抗反射膜（增透膜），以提高量子 效率。2. 結(jié)電容。光電二極管町視作一個(gè)電流源，其等效電路如下圖所示：英中cd為光電二極

10、管的結(jié)電容，它可以看作為一個(gè)平板電容，其與耗盡層寬度w和結(jié)區(qū)面積 a有關(guān)，有：cd= e a/w式中£為耗盡層中半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)。rs為光電二極管的串聯(lián) 電阻，一般很小可以忽略；rp為光電二極管的跨接電阻，其阻值很大，它的影響也町以忽略; rl為負(fù)載電阻。因此結(jié)電容對(duì)光電二極管響應(yīng)速度的影響主要由cd和負(fù)載電阻rl決定。從 等效電路可以看出，結(jié)電容cd起著旁路作用，因而在高頻時(shí)使輸出電流減小，結(jié)電容限制的 截止頻率（即為帶寬）為fc=l/ （2nrlcd）o顯然，快速的響應(yīng)（高截止頻率）要求降低 時(shí)間常數(shù)rl、cdo因此要求盡可能的降低結(jié)電容cd。降低cd有兩種方法：一是增加耗盡

11、層 寬度w,二是減小結(jié)面積a。實(shí)際上增加耗盡層寬度w會(huì)降低響應(yīng)速度，這是一對(duì)矛盾，因此 對(duì)耗盡層寬度應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)而積的減小也不是無限的，它受到與之耦合的光纖截而尺 寸的限制，日前實(shí)用化的pin光電二極管的結(jié)電容一般都能做到小于1pf,結(jié)電容越小，其 截止頻率就越寬，高頻特性就越好。實(shí)際上pin光電二極管的帶寬除了受cd的影響以外，還受器件封裝電容cp的影響， 同樣的pin光電二極管管芯由于各生產(chǎn)廠家封裝工藝水平的差異，帶寬也有較人不同，這主 要是封裝電容太大，導(dǎo)致帶寬變窄。因而在選用pin光電二極管時(shí)，應(yīng)選用有實(shí)力的廠家的 產(chǎn)品。3. 擊穿電壓與暗電流卜圖為反向偏置的光電二極管的伏安特性

12、曲線無光照時(shí)，pin作為一種pn結(jié)搟件，在反向偏壓下也有反向電流流過，這一電流 稱為pin光電二極管的暗電流。它主要由pn結(jié)內(nèi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)形成。當(dāng)偏壓增大 時(shí)，暗電流增大。當(dāng)反偏壓增大到一定值時(shí)，暗電流激增，發(fā)牛了反向擊穿（即為非破壞性 的雪崩擊穿，如果此時(shí)不能盡快散熱，就會(huì)變?yōu)槠茐男缘凝R納擊穿）。發(fā)生反向擊穿的電壓值 稱為反向擊穿電壓，以vb表示，si-pin的典型擊穿電壓值為100多伏。pin工作時(shí)的反向偏 置電壓一般都遠(yuǎn)離擊穿電壓，一般為10-30v,實(shí)際光接收機(jī)中的實(shí)用化應(yīng)用典型值一般為 15v。暗電流的大小與光電二極管的結(jié)面積成止比，故常用單位面積上的ii咅電流（暗電流密度

13、）來衡 量。-般取偏壓為0.9vb時(shí)，對(duì)應(yīng)的電流值為器件的電流值；現(xiàn)在商用的短波長si材料pin 光電二極管的喑電流一般小于5na,而長波長的ge材料pin光電二極管的喑電流小到0. 2 0.5uao應(yīng)用上總是希望暗電流越小越好。為了尋找暗電流更小的長波長pin光電二極管， 人們利用了 ingaas和ingaasp材料，使長波長的pin的暗電流減小到了 15na的水平，由 于這兩種pin管暗電流較小，因此得到了廣泛的應(yīng)用，在catv系統(tǒng)中光接收機(jī)中的pin管基 本上都是ingaas材料。暗電流除了與偏置電壓有關(guān)外，暗電流述隨器件溫度的增加而增加， 從室溫到70°c,喑電流將增人一個(gè)數(shù)

14、量級(jí)。要減小器件的喑電流，首先應(yīng)選擇好的單-晶材料, 并要嚴(yán)格工藝規(guī)程；其次要選定良好的表而飩化層，隔絕周圍氣體對(duì)器件的污染，在異質(zhì)結(jié) 光電二極管的設(shè)計(jì)中，冇意將高場(chǎng)區(qū)移到寬禁帶材料區(qū)，也是減小暗電流的冇效措施。在piv光二極管中，除了暗電流以外，還有表面漏電流。表面漏電流是由于器件表面物理特 性不完善，如表面缺陷、不清潔以及表面積大小和加有偏置電壓而引起的。與喑電流一樣， 漏電流也是在冇偏壓的條件下產(chǎn)生的，它需要通過合理的設(shè)計(jì)、良好的結(jié)構(gòu)和嚴(yán)格的工藝來 降低。4. 響應(yīng)速度。作為光檢測(cè)器，在光纖通信中要能夠檢測(cè)高頻調(diào)制的光信號(hào)， 因此響應(yīng)速度是光電二極管的一個(gè)重要參數(shù)，響應(yīng)速度通常用響應(yīng)時(shí)間

15、來表示，響應(yīng)時(shí)間的 長短，反映光電轉(zhuǎn)換的速度，它對(duì)系統(tǒng)的傳輸速率有極大的影響，是反映調(diào)制速率的主要指 標(biāo)。響應(yīng)速度主要受光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間、光生載流子通過耗盡層的渡越時(shí)間及其結(jié)電容 的影響。（1）結(jié)電容對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響。由于pi7是一個(gè)pn結(jié)二極管，因此有一定的結(jié)電容。 山前而所講的光電二極管的等效電路町知，結(jié)電容c是和電流源及負(fù)載電阻rl并聯(lián)，它對(duì)負(fù) 載電阻起到了分流的作用，對(duì)調(diào)制信號(hào)來說，結(jié)電容c越大，分流作用就越強(qiáng)，負(fù)載上的電 流就越小，也就是說，光電檢測(cè)器輸出光生電流越小，這相當(dāng)于電二極管接了一個(gè)低通濾波 器，其通帶上限為wc=1/ （rlc）其中rl為負(fù)載電阻，c為結(jié)點(diǎn)容。顯然c越

16、小，wc越高， 光電二極管的頻帶響應(yīng)特性就越好。（2）載流子渡越時(shí)間（t）對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響。由于渡越 時(shí)間的存在，對(duì)信號(hào)的高頻成份產(chǎn)生兩方面的不良影響：一是冇較大的相位滯后；二是信號(hào) 幅度受到較人削弱，也就是說渡越時(shí)間引起了高頻失真，限制了器件的帶寬。通常減少渡越 時(shí)間的方法是減小耗盡層的寬度和加大反偏壓，加大反偏壓是為了提高載流了的平均漂移速 度。但是這兩種方法并不能無限制的增人漂移速度，因?yàn)樵诎雽?dǎo)體晶格中，載流子有一定的 飽和速度。由載流子渡越時(shí)間限制的光電二極管的截止頻率為fd=0. 44v/w二0. 44/t ,可以通 過對(duì)耗盡層寬度w和載流子的平均漂移速度v的優(yōu)化得到較高fd的光電二極管，目前,ingaas ptn的帶寬可