光電檢測(cè)器與光接收機(jī)

1、由于受激輻射僅僅發(fā)生在由于受激輻射僅僅發(fā)生在PN結(jié)附近，結(jié)附近，遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離PN結(jié)的地方?jīng)]有電場(chǎng)存在，因此就決結(jié)的地方?jīng)]有電場(chǎng)存在，因此就決定了定了PN光電二極管光電二極管(PN Photodiode，PNPD)或或PN光電檢測(cè)器的光電變換效率非光電檢測(cè)器的光電變換效率非常低下及響應(yīng)速度很慢。常低下及響應(yīng)速度很慢。PIN光電二極管光電二極管(PINPD)的結(jié)構(gòu)如圖的結(jié)構(gòu)如圖6.1所示。所示。圖圖6.1 PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)光電二極管的結(jié)構(gòu)當(dāng)光照射到當(dāng)光照射到PIN光電二極管的光敏面光電二極管的光敏面上時(shí)，會(huì)在整個(gè)耗盡區(qū)（高場(chǎng)區(qū)）及耗盡上時(shí)，會(huì)在整個(gè)耗盡區(qū)（高場(chǎng)區(qū)）及耗盡區(qū)附近產(chǎn)生受激輻射現(xiàn)象，從

2、而產(chǎn)生電子區(qū)附近產(chǎn)生受激輻射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)?？昭▽?duì)。雪崩光電二極管應(yīng)用光生載流子在其雪崩光電二極管應(yīng)用光生載流子在其耗盡區(qū)耗盡區(qū)(高場(chǎng)區(qū)高場(chǎng)區(qū))內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得光生電流的雪崩倍增。光生電流的雪崩倍增。常用的常用的APD結(jié)構(gòu)包括拉通型結(jié)構(gòu)包括拉通型APD和保和保護(hù)環(huán)型護(hù)環(huán)型APD，如圖如圖6.2所示。由于要實(shí)現(xiàn)電所示。由于要實(shí)現(xiàn)電流放大作用需要很高的電場(chǎng)，因此只能在流放大作用需要很高的電場(chǎng)，因此只能在圖中所示的高場(chǎng)區(qū)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)。圖中所示的高場(chǎng)區(qū)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)。圖圖6.2 APD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)APD的雪崩倍增原理為：當(dāng)入射光照的雪崩倍增原理為：當(dāng)入射光照

3、射在射在APD的光敏面上時(shí)，由于受激吸收原的光敏面上時(shí)，由于受激吸收原理會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)理會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)(這里我們稱之為一次這里我們稱之為一次電子空穴對(duì)電子空穴對(duì))。當(dāng)光照射到當(dāng)光照射到APD的光敏面上時(shí)，由于的光敏面上時(shí)，由于受激吸收而在器件內(nèi)產(chǎn)生出一次電子空穴受激吸收而在器件內(nèi)產(chǎn)生出一次電子空穴對(duì)。對(duì)。在一定波長(zhǎng)的光照射下，光電檢測(cè)器在一定波長(zhǎng)的光照射下，光電檢測(cè)器的平均輸出電流與入射的平均光功率之比的平均輸出電流與入射的平均光功率之比稱為響應(yīng)度稱為響應(yīng)度(或響應(yīng)率或響應(yīng)率)。響應(yīng)度可以表示。響應(yīng)度可以表示如下：如下：式中：式中：Ip為光生電流的平均值為光生電流的平均值(單位：?jiǎn)挝唬篈)

4、；P為平均入射光功率值為平均入射光功率值(單位：?jiǎn)挝唬篧)。PIp響應(yīng)度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏響應(yīng)度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，而量子效率是器件在內(nèi)部呈觀靈敏特性，而量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。量子效率定義為通過(guò)現(xiàn)的微觀靈敏特性。量子效率定義為通過(guò)結(jié)區(qū)的載流子數(shù)與入射的光子數(shù)之比，常結(jié)區(qū)的載流子數(shù)與入射的光子數(shù)之比，常用符號(hào)用符號(hào)表示：表示：hPeIp/入射到器件上的光子數(shù)數(shù)通過(guò)結(jié)區(qū)的光生載流子式 中 ：式 中 ： e 是 電 子 電 荷 ， 其 值 約 為是 電 子 電 荷 ， 其 值 約 為1.610-19G；為光頻。為光頻。與與關(guān)系可以表示關(guān)系可以表示為：為：e

5、hc式中：式中：h是普朗克常數(shù)，是普朗克常數(shù)，c是光在真空是光在真空中的速度中的速度,是光電檢測(cè)器的工作波長(zhǎng)。代是光電檢測(cè)器的工作波長(zhǎng)。代入相應(yīng)數(shù)值后，可以得到：入相應(yīng)數(shù)值后，可以得到：從式從式(6-4)中可以看出：在工作波長(zhǎng)一中可以看出：在工作波長(zhǎng)一定時(shí)，定時(shí)，與與具有定量的關(guān)系。具有定量的關(guān)系。24. 1光電二極管的響應(yīng)速度是指它的光電光電二極管的響應(yīng)速度是指它的光電轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換速度。暗電流主要由體內(nèi)暗電流和表面暗電暗電流主要由體內(nèi)暗電流和表面暗電流組成。流組成。APD的電流增益，即平均倍增因子的電流增益，即平均倍增因子M可表示為：可表示為：式中：式中：Ip為為APD倍增后的光生電流；倍

6、增后的光生電流；Ip0是是未倍增時(shí)的原始光生電流。若無(wú)倍增時(shí)和未倍增時(shí)的原始光生電流。若無(wú)倍增時(shí)和倍增時(shí)的總電流分別為倍增時(shí)的總電流分別為I1和和I2，則應(yīng)扣除當(dāng)，則應(yīng)扣除當(dāng)時(shí)的暗電流時(shí)的暗電流Id1和和Id2后才能求出后才能求出M。11220ddppIIIIIIM光電檢測(cè)器的噪聲包括量子噪聲、暗光電檢測(cè)器的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲和由倍增過(guò)程產(chǎn)生的倍增噪聲。電流噪聲和由倍增過(guò)程產(chǎn)生的倍增噪聲。PINPD的總均方噪聲電流可以表述如的總均方噪聲電流可以表述如下：下：i2=2e(Ip+Id)B式中：式中：e為電子電荷量；為電子電荷量；Ip為光生電流；為光生電流；Id為為PINPD的暗電流，的暗

7、電流，B為噪聲帶寬。為噪聲帶寬。APD的量子噪聲和暗電流噪聲的量子噪聲和暗電流噪聲(要考要考慮倍增作用慮倍增作用)與與PINPD機(jī)理類似，計(jì)算方法機(jī)理類似，計(jì)算方法也基本相同。也基本相同。雖然雖然APD的倍增作用對(duì)信號(hào)有放大作的倍增作用對(duì)信號(hào)有放大作用，但是由于倍增噪聲的存在也使得總噪用，但是由于倍增噪聲的存在也使得總噪聲增加。聲增加。表表6.1中列出了富士通公司生產(chǎn)的兩種中列出了富士通公司生產(chǎn)的兩種光電檢測(cè)器的典型指標(biāo)。光電檢測(cè)器的典型指標(biāo)。表 6 . 1 列 出 了 光 電 檢 測(cè) 器 的 典 型 指 標(biāo)F ID 1 3 Z 8 1 P ZIn G a A s-P IN P DF P D

8、5 W 1 K SIn G a A s-A P D工 作 波 長(zhǎng) （m ）1 . 3 11 . 5 5量 子 效 率 （ % ）7 57 5響 應(yīng) 度 （ A /W ）0 . 7 80 . 9 4暗 電 流 （ n A ）0 . 12 0檢 測(cè) 帶 寬 （ G H z）2 . 03 . 0附 加 電 容 （ p F ）1 . 10 . 5典 型 應(yīng) 用6 2 2 M b /s2 . 5 G b /s與光源器件一樣，在沒(méi)有測(cè)試條件的與光源器件一樣，在沒(méi)有測(cè)試條件的情況下，使用人員也可以借助于指針式萬(wàn)情況下，使用人員也可以借助于指針式萬(wàn)用表對(duì)光電檢測(cè)器件進(jìn)行簡(jiǎn)易的測(cè)試。這用表對(duì)光電檢測(cè)器件進(jìn)行簡(jiǎn)易

9、的測(cè)試。這種測(cè)試方法主要是檢查光電檢測(cè)器件種測(cè)試方法主要是檢查光電檢測(cè)器件PN結(jié)結(jié)的好壞：的好壞：PN結(jié)好不能保證器件具有好的特結(jié)好不能保證器件具有好的特性，而性，而PN不好的器件其質(zhì)量絕對(duì)不會(huì)好。不好的器件其質(zhì)量絕對(duì)不會(huì)好。常用光電檢測(cè)器件的參考數(shù)據(jù)如表常用光電檢測(cè)器件的參考數(shù)據(jù)如表6.2所示。所示。表6.2 常 用 光 電 檢 測(cè) 器 件 的 參 考 數(shù) 據(jù)Si-PINPDInGaAs-PIN PDInGaAs-APD正 向 壓 降0.6 0.7V0.2 0.3V約2V正 向 電 阻3 5k （ R100檔 ）3 5k （ R100檔 ）通反 向 電 阻100k （ R1K檔 ）100k

10、（ R1K檔 ）無(wú) 窮 大 （ R1K檔 ）常用的非相干檢測(cè)方式就是直接功率常用的非相干檢測(cè)方式就是直接功率檢測(cè)方式。直接功率檢測(cè)方式是通過(guò)光電檢測(cè)方式。直接功率檢測(cè)方式是通過(guò)光電二極管直接將接收的光信號(hào)恢復(fù)成基本調(diào)二極管直接將接收的光信號(hào)恢復(fù)成基本調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。制信號(hào)的過(guò)程。就像普通的無(wú)線電收音機(jī)一樣，首先就像普通的無(wú)線電收音機(jī)一樣，首先接收光信號(hào)要與一個(gè)光本地振蕩器在光混接收光信號(hào)要與一個(gè)光本地振蕩器在光混頻器混頻之后，再被光電檢測(cè)器變換成一頻器混頻之后，再被光電檢測(cè)器變換成一定要求的電信號(hào)，如圖定要求的電信號(hào)，如圖6.5所示。所示。圖圖6.5 相干檢測(cè)原理相干檢測(cè)原理在實(shí)用的直接功率檢

11、測(cè)光接收機(jī)中，在實(shí)用的直接功率檢測(cè)光接收機(jī)中，光電檢測(cè)器直接從接收光信號(hào)中將基本調(diào)光電檢測(cè)器直接從接收光信號(hào)中將基本調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。制信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。對(duì)于不同的光纖通信系統(tǒng)，有著不同對(duì)于不同的光纖通信系統(tǒng)，有著不同的光接收機(jī)質(zhì)量指標(biāo)。的光接收機(jī)質(zhì)量指標(biāo)。所謂光接收機(jī)靈敏度，就是指在一定所謂光接收機(jī)靈敏度，就是指在一定誤碼率或信噪比誤碼率或信噪比(有時(shí)還要加上信號(hào)波形失有時(shí)還要加上信號(hào)波形失真量真量)條件下光接收機(jī)需要接收的最小平均條件下光接收機(jī)需要接收的最小平均光功率光功率(有時(shí)也稱為平均最小輸入光功率有時(shí)也稱為平均最小輸入光功率)。所謂光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，就是指在一所謂光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，就是指

12、在一定誤碼率或信噪比定誤碼率或信噪比(有時(shí)還要加上信號(hào)波形有時(shí)還要加上信號(hào)波形失真量失真量)條件下光接收機(jī)允許的光信號(hào)平均條件下光接收機(jī)允許的光信號(hào)平均光功率的變化范圍。光功率的變化范圍。光電檢測(cè)器上的噪聲包括光檢測(cè)噪聲光電檢測(cè)器上的噪聲包括光檢測(cè)噪聲(有可能與信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)的噪聲有可能與信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)的噪聲)、暗電流、暗電流噪聲及背景輻射噪聲。噪聲及背景輻射噪聲。由于光的量子性，由于光的量子性，PINPD的光檢測(cè)噪的光檢測(cè)噪聲屬于光量子噪聲。聲屬于光量子噪聲。PINPD的光檢測(cè)噪聲的光檢測(cè)噪聲可以由下式?jīng)Q定：可以由下式?jīng)Q定：式中：式中：為光電檢測(cè)器的量子效率；為光電檢測(cè)器的量子效率；e為電為電子

13、電荷量；子電荷量；P為平均接收光功率；為平均接收光功率；B為系為系統(tǒng)帶寬；統(tǒng)帶寬；h為普朗克常數(shù)；為普朗克常數(shù)；為光子的頻率。為光子的頻率。PINPDPDnnhPBe22由于由于APD雪崩倍增過(guò)程的隨機(jī)性，使雪崩倍增過(guò)程的隨機(jī)性，使得得APD的光檢測(cè)噪聲更多的表現(xiàn)為倍增噪的光檢測(cè)噪聲更多的表現(xiàn)為倍增噪聲。聲。APD的光檢測(cè)噪聲可以表述如下：的光檢測(cè)噪聲可以表述如下：式中：式中：為光電檢測(cè)器的量子效率；為光電檢測(cè)器的量子效率；e為電為電子電荷量；子電荷量；P為輸入光電檢測(cè)器的平均光為輸入光電檢測(cè)器的平均光功率；功率；M為為APD的平均倍增因子；的平均倍增因子；F為為APD的倍增噪聲系數(shù)；的倍增噪

14、聲系數(shù)；B為系統(tǒng)帶寬。為系統(tǒng)帶寬。APDPDnnhFPBeM22不管前置放大器的具體結(jié)構(gòu)如何，從不管前置放大器的具體結(jié)構(gòu)如何，從低噪聲角度出發(fā)第一級(jí)采用共射極低噪聲角度出發(fā)第一級(jí)采用共射極(或共源或共源極極)則是公認(rèn)的。關(guān)于第一級(jí)器件的應(yīng)用，則是公認(rèn)的。關(guān)于第一級(jí)器件的應(yīng)用，無(wú)非是晶體三極管無(wú)非是晶體三極管(Bi-junction Transistor，BJT)或場(chǎng)效應(yīng)管或場(chǎng)效應(yīng)管(Field Effect Transistor，F(xiàn)ET)兩類。兩類。FET前置放大器的輸入等效噪聲可以前置放大器的輸入等效噪聲可以用下式表示：用下式表示：32232222222BCgKTCBfgKTBeIRKTnm

15、cmgABJT前置放大器的輸入等效噪聲可以前置放大器的輸入等效噪聲可以表示為：表示為：3222232222BeIKTCBReIReIKTeIRKTnccccA光接收機(jī)的輸入等效總噪聲可以表示光接收機(jī)的輸入等效總噪聲可以表示為：為：ntot=nPD+nA在在PINPD光接收機(jī)中，光接收機(jī)中，nPD要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于于nA。根據(jù)信噪比定義，根據(jù)信噪比定義，PINPD光接收機(jī)判光接收機(jī)判決點(diǎn)上的信噪比為：決點(diǎn)上的信噪比為：totoNSSNR 22AnAstotitotinsAPINPDnnP同理，可以得到同理，可以得到APD光接收機(jī)在判決光接收機(jī)在判決點(diǎn)上的信噪比表達(dá)式為：點(diǎn)上的信噪比表達(dá)式為：to

16、toNSSNRAAPDnnP根據(jù)通信系統(tǒng)理論，二進(jìn)制數(shù)字傳輸根據(jù)通信系統(tǒng)理論，二進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼率可以表示為：系統(tǒng)的誤碼率可以表示為： diippdiippBERDD0001010式中：式中：p(0)和和p(1)分別表示二進(jìn)制數(shù)字分別表示二進(jìn)制數(shù)字碼流中碼流中“0”、“1”出現(xiàn)的概率；出現(xiàn)的概率；p0(i)和和p1(i)分別表示分別表示“0”、“1”碼的概率密度碼的概率密度函數(shù)；函數(shù)；i表示信號(hào)電流的瞬時(shí)值；表示信號(hào)電流的瞬時(shí)值；D0是是p0(i)和和p1(i)相等時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)電流。相等時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)電流。利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)求得誤碼率的方法利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)求得誤碼率的方法非常費(fèi)時(shí)，而且不能對(duì)

17、光接收機(jī)的設(shè)計(jì)提非常費(fèi)時(shí)，而且不能對(duì)光接收機(jī)的設(shè)計(jì)提供多少幫助。所以，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般供多少幫助。所以，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般均將概率密度函數(shù)近似成高斯函數(shù)來(lái)進(jìn)行均將概率密度函數(shù)近似成高斯函數(shù)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的分析。于是，誤碼率又可表示成：相應(yīng)的分析。于是，誤碼率又可表示成：dxxBERQ2exp212式中式中Q可以表示為：可以表示為：000totopNIDQ101totopNDI光接收機(jī)的靈敏度極限也稱為理想光光接收機(jī)的靈敏度極限也稱為理想光接收機(jī)的靈敏度。由于這種光接收機(jī)完全接收機(jī)的靈敏度。由于這種光接收機(jī)完全是理想的：光電檢測(cè)器暗電流為零，放大是理想的：光電檢測(cè)器暗電流為零，放大器無(wú)噪聲，系統(tǒng)的

18、帶寬無(wú)限大。器無(wú)噪聲，系統(tǒng)的帶寬無(wú)限大。當(dāng)碼流中當(dāng)碼流中“0”、“1”等概時(shí)，系統(tǒng)等概時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率就等于的誤碼率就等于“1”碼發(fā)生差錯(cuò)概率的一碼發(fā)生差錯(cuò)概率的一半，即半，即式中：式中：n表示一個(gè)碼元的平均光子數(shù)。表示一個(gè)碼元的平均光子數(shù)。nBERexp21根據(jù)式根據(jù)式(6-23)，可以得到如下公式：，可以得到如下公式：在這里不考慮暗電流和光源直流光影響在這里不考慮暗電流和光源直流光影響(Iop0=0)，并且有，并且有Iop1可以表示為：可以表示為：QNNIItottotopop1001式中：式中：M為為APD的倍增因子的倍增因子(對(duì)對(duì)PINPD，M=1)；P1為為“1”碼時(shí)的光功率；碼時(shí)的光功率；A為放大為放大器的放大倍數(shù)。器的放大倍數(shù)。AMPIop11在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)接收到在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)接收到的光信號(hào)波形是被光纖線路展寬了的信號(hào)的光信號(hào)波形是被光纖線路展寬了的信號(hào)波形，這種波形將會(huì)存在碼間干擾。波形，這種波形將會(huì)存在碼間干擾。為了減少碼間干擾的影響，必須對(duì)接為了減少碼間干擾的影響，必須對(duì)接收的信號(hào)波形進(jìn)行濾波均衡，變成沒(méi)