第6章 光探測及光接收機2013Apr

1、1第第 6 章章 光接收機及光探測器光接收機及光探測器 6.1 光探測原理光探測原理 6.2 光電探測器光電探測器2光接收機基本組成光接收機基本組成均均衡衡濾濾波波信信號號光光光光探探測測器器電電壓壓供供給給光光電電變變換換和和前前放放前前放放主主放放自自動動增增益益控控制制線線性性放放大大判判決決電電路路時時鐘鐘恢恢復(fù)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)恢恢復(fù)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)輸輸出出3光電檢測器光電檢測器 發(fā)射機發(fā)射的光信號經(jīng)光纖傳輸后，不僅幅度發(fā)射機發(fā)射的光信號經(jīng)光纖傳輸后，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也展寬了衰減了，而且脈沖波形也展寬了。 光接收機的作用就是檢測經(jīng)過傳輸后的微弱光光接收機的作用就是檢測經(jīng)過傳輸后的微弱光

2、信號，并放大、整形、再生成原輸入信號。信號，并放大、整形、再生成原輸入信號。 它的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)樗闹饕骷抢霉怆娦?yīng)把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕碾娦盘柕墓怆姍z測器光電檢測器。 對光電檢測器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快、噪對光電檢測器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快、噪聲小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面應(yīng)聲小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面應(yīng)與光纖芯徑匹配。與光纖芯徑匹配。 用半導(dǎo)體材料制成的光電檢測器正好滿足這些用半導(dǎo)體材料制成的光電檢測器正好滿足這些要求。要求。4光探測器光探測器56.1 光探測原理光探測原理 在在 PN 結(jié)施加反向電壓的情況下，受結(jié)施加反向電壓的情況下，受激

3、吸收過程生成的電子激吸收過程生成的電子 空穴對，在空穴對，在電場的作用下，在外電路形成光生電電場的作用下，在外電路形成光生電流。流。 當(dāng)入射功率變化時，光生電流也隨之當(dāng)入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)變成電流線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)變成電流信號。信號。6 假如入射光子的能量超過禁帶能量假如入射光子的能量超過禁帶能量 Eg，耗盡區(qū)每次吸收一個光子，產(chǎn)生一個電耗盡區(qū)每次吸收一個光子，產(chǎn)生一個電子空穴對。子空穴對。受激吸收受激吸收Ec c吸收光子后吸收光子后產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子Ev光子光子h 輸入輸入(輸出電流)(輸出電流)7 在在 PN 結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的

4、電子結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子 空穴對在電場的作用下空穴對在電場的作用下, 分別離開耗盡區(qū)，電子向分別離開耗盡區(qū)，電子向 N 區(qū)漂移，區(qū)漂移，空穴向空穴向 P 區(qū)漂移，空穴和從負(fù)電極進入的電子復(fù)合，電子則區(qū)漂移，空穴和從負(fù)電極進入的電子復(fù)合，電子則離開離開 N 區(qū)進入正電極。從而在外電路形成光生電流。區(qū)進入正電極。從而在外電路形成光生電流。 當(dāng)入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信當(dāng)入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)變成電流信號。號轉(zhuǎn)變成電流信號。PN結(jié)型光電探測器結(jié)型光電探測器入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+ERIpVoutW抗抗

5、反反射射膜膜電電極極電電極極耗耗盡盡區(qū)區(qū)Pin空空穴穴h+e-電電子子負(fù)負(fù)載載電電阻阻RIp光光生生電電流流輸輸出出電電壓壓L LL LN(a)反反向向偏偏置置的的PN結(jié)結(jié), ,當(dāng)當(dāng)光光入入射射時時, ,光光生生電電子子空空穴穴對對分分別別向向N N區(qū)區(qū)和和P P區(qū)區(qū)漂漂移移，在在外外電電路路產(chǎn)產(chǎn)生生光光生生電電流流W = = m幾幾光纖通信（第3版） 原榮 編著8光電檢測器基本參數(shù)光電檢測器基本參數(shù)96.2 光電探測器光電探測器6.2.1 PIN光電二極管光電二極管6.2.2 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）10PN 結(jié)光電二極管的缺點結(jié)光電二極管的缺點簡單的簡單的 PN 結(jié)光電二極

6、管具有兩個主結(jié)光電二極管具有兩個主要的缺點。要的缺點。 1 結(jié)電容較大，響應(yīng)速度慢，不利于高頻結(jié)電容較大，響應(yīng)速度慢，不利于高頻調(diào)制。調(diào)制。 2 耗盡層寬度小（最大也只有幾微米，大耗盡層寬度小（最大也只有幾微米，大多數(shù)光子沒有被耗盡層吸收，量子效率多數(shù)光子沒有被耗盡層吸收，量子效率低。低。11為了克服為了克服 PN 管存在的問題，人們采用管存在的問題，人們采用 PIN 光電二極管光電二極管PIN 二極管與二極管與 PN 二極管的主要區(qū)別是，在二極管的主要區(qū)別是，在 P 和和 N 層之間加入了層之間加入了一個一個 I 層，作為耗盡層。層，作為耗盡層。I 層的寬度較寬，約有（層的寬度較寬，約有（5

7、 50） m，可吸收絕大多數(shù)光子，使量子效率提高，使光生電流增加。可吸收絕大多數(shù)光子，使量子效率提高，使光生電流增加。PIN光電二極管光電二極管入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+EIpVout抗抗反反射射膜膜電電極極電電極極耗耗盡盡區(qū)區(qū)Pin輸輸出出電電壓壓RL反反向向偏偏置置的的 PIN,因因耗耗盡盡區(qū)區(qū)較較寬寬, ,可可以以吸吸收收絕絕大大多多數(shù)數(shù)光光生生電電子子和和空空穴穴對對, ,使使量量子子效效率率提提高高I-SiWN+Vr-RLCdIpVout空空穴穴h+e-電電子子負(fù)負(fù)載載電電阻阻RIp光光生生電電流流L LW= = m550EVr/WCdP PI IN N管管分分布布電

8、電容容12PIN光電二極管的響應(yīng)時間光電二極管的響應(yīng)時間光纖通信（第3版） 原榮 編著13光電二極管的光譜特性光電二極管的光譜特性6008001000120014001600180000.20.40.60.81.090%70%50%30%10%InGaAsPGeInGaAsSi(nm)波長波長( )R響響應(yīng)應(yīng)度度量子效率量子效率截止波長有上限、下限截止波長有上限、下限14截止波長上限截止波長上限15PIN光電二極管的性能參數(shù)光電二極管的性能參數(shù) 量子效率量子效率 響應(yīng)度響應(yīng)度 R 暗電流暗電流, 表示無光照時出現(xiàn)的電流，它影表示無光照時出現(xiàn)的電流，它影響接收機的信噪比。響接收機的信噪比。 響應(yīng)

9、速度響應(yīng)速度, 它表示對光信號的反應(yīng)能力，它表示對光信號的反應(yīng)能力，常用對光脈沖響應(yīng)的上升或下降沿表示。常用對光脈沖響應(yīng)的上升或下降沿表示。 結(jié)電容結(jié)電容 , 它影響響應(yīng)速度。它影響響應(yīng)速度。16習(xí)題：計算光電二極管的靈敏度和量子效率習(xí)題：計算光電二極管的靈敏度和量子效率176.2 光電探測器光電探測器6.2.1 PIN光電二極管光電二極管6.2.2 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）18雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）特點）特點 APD是利用是利用雪崩倍增效應(yīng)雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的使光電流得到倍增的高靈敏度探測器。高靈敏度探測器。 APD的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使它能承受高的反向偏

10、壓，的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使它能承受高的反向偏壓，從而在從而在 PN 結(jié)內(nèi)部形成一個高電場區(qū)。結(jié)內(nèi)部形成一個高電場區(qū)。 APD能提供內(nèi)部增益能提供內(nèi)部增益 工作速度高工作速度高基于以上優(yōu)點，基于以上優(yōu)點，APD已廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中。已廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中。光纖通信（第3版） 原榮 編著19 光生的電子光生的電子 空穴對經(jīng)過高電場區(qū)時被加速。獲得足夠的能量，空穴對經(jīng)過高電場區(qū)時被加速。獲得足夠的能量，在高速運動中與在高速運動中與 P 區(qū)晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子電區(qū)晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子電離，從而產(chǎn)生新的電子離，從而產(chǎn)生新的電子 空穴對，稱為二次電子空穴對，稱為二次電子 空穴對?？昭?/p>

11、對。 二次電子二次電子 空穴對在高電場區(qū)里運動時又被加速，又可能碰撞空穴對在高電場區(qū)里運動時又被加速，又可能碰撞別的原子。這樣多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，反別的原子。這樣多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應(yīng)雪崩倍增效應(yīng)。SiO2P+h+e-ERIpVout電電極極電電極極耗耗盡盡區(qū)區(qū)入入射射光光hvEgL L(a)雪雪崩崩光光電電二二極極管管（A AP PD D）的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)WN+Vr-P E( ) x0 0各各區(qū)區(qū)電電場場分分布布, ,雪雪崩崩發(fā)發(fā)生生在在P P區(qū)區(qū)，吸吸收收發(fā)發(fā)生生在在 區(qū)區(qū)(b)x吸吸收收區(qū)區(qū)雪雪崩崩區(qū)區(qū)

12、EN+ Ph+e-雪雪崩崩區(qū)區(qū)(a)離離子子碰碰撞撞過過程程釋釋放放電電子子空空穴穴對對，導(dǎo)導(dǎo)致致雪雪崩崩晶晶格格APD工作原理工作原理( )N Pp P20APD的倍增因子的倍增因子光纖通信（第3版） 原榮 編著21APD習(xí)題習(xí)題1： 計算靈敏度計算靈敏度InGaAs APD 沒有倍增時沒有倍增時（M = 1），波長），波長 1.55 m 處的量子效率為處的量子效率為60%，當(dāng)反向偏置時的倍增系數(shù)是，當(dāng)反向偏置時的倍增系數(shù)是 12。假如入射功率為。假如入射功率為 20 nW，光生，光生電流是多少？當(dāng)倍增系數(shù)是電流是多少？當(dāng)倍增系數(shù)是 12時，靈敏度又是多少？時，靈敏度又是多少？解：用量子效率

13、表示的靈敏度是解：用量子效率表示的靈敏度是1834919A W75. 0103)10626. 6(101550)106 . 1 (6 . 0hcqR假如沒有倍增時的光電流是假如沒有倍增時的光電流是ph0I，入射光功率是，入射光功率是inP，根據(jù)定義，根據(jù)定義，靈敏度是靈敏度是inph0/ PIR ，因此初始光生電流是，因此初始光生電流是A105 . 1102075. 089inph0 RPI。當(dāng)有倍增時的光電流：當(dāng)有倍增時的光電流：A101.80A)105 . 1 (1278ph0ph MII 或或者者 180nA。倍增系數(shù)倍增系數(shù) 12時的靈敏度：時的靈敏度：1inphA W0 . 975.

14、 012MRPIR。22Si APD 在在 830 nm 沒有倍增即沒有倍增即 M = 1 時的量子效率為時的量子效率為 70%，反偏工作倍增系數(shù)反偏工作倍增系數(shù) M = 100， 當(dāng)入射功率為當(dāng)入射功率為 10 nW 時，光電流是時，光電流是多少？多少？解：沒有倍增時的靈敏度：解：沒有倍增時的靈敏度：1834919A W47. 0103)10626. 6(10830)106 . 1 (70. 0hcqR。沒有倍增時的初始光電流：沒有倍增時的初始光電流：nA7 . 4101047. 09inph0RPI。倍 增 后 的 光 電 流 ：倍 增 后 的 光 電 流 ：nA)(4707 . 4100

15、 ph0phIMI 或或0.47 A。APD習(xí)題習(xí)題223總總 結(jié)結(jié)24思考題思考題1. 光探測器的作用是什么光探測器的作用是什么?2. 光接收機的作用是什么光接收機的作用是什么?3. 光纖通信中最常用的光電檢測器是哪兩種？光纖通信中最常用的光電檢測器是哪兩種？4. PIN和和APD探測器的主要區(qū)別是什么探測器的主要區(qū)別是什么?5. 數(shù)字光接收機主要由哪幾部分組成數(shù)字光接收機主要由哪幾部分組成?6. 監(jiān)測光纖通信系統(tǒng)性能好壞通常采用什么最直觀簡單監(jiān)測光纖通信系統(tǒng)性能好壞通常采用什么最直觀簡單的方法？的方法？光纖通信（第3版） 原榮 編著25光纖通信（第3版） 原榮 編著26光纖通信（第3版） 原榮 編著27眼圖分析法眼圖分析法 在實驗室里觀察碼間干擾是否存在的最直觀、最簡單在實驗室里觀察碼間干擾是否存在的最直觀、最簡單的方法是眼圖分析法。的方法是眼圖分析法。通常誤碼率的典型值為通常誤碼率的典型值為109。 將均衡濾波器輸出的隨機脈沖序列輸入到示波器的將均衡濾波器輸出的隨機脈沖序列輸入到示波器的 Y 軸，用時鐘信