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文檔簡介
Chapter7OpticalDetectorsandReceivers光電檢測器的要求-能檢測出入射在其上面的光功率,并完成光/電信號的轉(zhuǎn)換常用的半導體光電檢測器:光電二極管和雪崩光電二極管-足夠高的響應度,對一定的入射功率能輸出足夠大的光電流-具有盡可能低的噪聲,以降低器件本身對信號的影響-具有良好的線性關系,以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真-具有較小的體積、較長的工作壽命等Photo-detectorsincommunicationneedsThepredominanttypesoflightdetectorusedincommunicationssystemsrelyontheprincipleofionisationinasemiconductormaterial.1.DetectorResponsivity(探測響應度)Fourimportantparametersofphoto-detectors:2.SpectralResponseRange(頻譜響應范圍)3.ResponseTime(響應時間)4.NoiseCharacteristics(噪聲特性)Modelofdigitalopticalreceiver
OpticalsignalDetectionAmplifyingDecisionReshapingElectricsignalp-n
Photodiodes:HowTheyWork光電二極管實際上是一個加了反向偏壓的pn結(jié)n型p型耗盡層耗盡層當反向偏壓足夠大時耗盡區(qū)自由載流子被完全耗盡pnTheseparatedelectronandholeareattractedbythepositiveandnegativepotentialsofthedepletionvoltage,respectively.CarriersandcurrentgenerationpnE光生電流
IhvWhenaphotonstrikesadepletionregion,itsenergyseparatesanelectronfromitshole外加反向偏壓抽取光能量的過程Input-outputcharacteristic
ThemorephotonsthatstriketheactiveareaofaPD,themorechargecarrierswillbecreatedTheinputislightpowerPTheoutputisphotocurrentIP
Thus,IP
isproportionaltoPResponsivityofaphotodiode4.2PowerRelationshipInanycommunicationsdevices,weareinterestedinitsresponsetotheamplitudeandthefrequency(orwavelength)oftheinputsignal.Responsivityversuswavelength
Photocurrentisthenumberofelectrons,perunittime,thatisLightpowerislightenergyperunitoftimeResponsivityversuswavelengthquantumefficiencyηThus,theoretically,thegraph"Responsivityvs.Wavelength"shouldbeastraightlineWhyisresponsivityproportionaltowavelength?BecauseresponsivityisinverselyproportionaltolightpowerLightpowerisproportionaltothenumberofphotons(NP)andtheenergyofanindividualphoton(EP=hc/λ)EPisinverselyproportionaltothewavelength(λ)Therealcurvevstheexpectedstraightline.Thereasonsforthisdiscrepancyisacutoffwavelengthλc,whichisdeterminedbytheenergygapEg.Forwave-lengthslongerthanλcwilltravelthroughthismaterialPartiallyabsorbedandpartiallytransmitted
P(w)wDepletionregion在半導體材料中光功率的吸收呈指數(shù)規(guī)律:其中aabs(l)為材料對波長l的吸收系數(shù),P0是入射光功率,P(x)是光在耗盡區(qū)中經(jīng)過距離x后被吸收的功率光損耗AbsorptioncoefficientThus,quantumefficiencyisnottheconstant,aswaspreviouslyassumed,butthevariable.BandwidthTwobasicmechanismsrestrictingbandwidth:Thefirstrestrictionstemsfromthefactthatchargecarrierscreatedbyaphotonneedsometimetobecollected.Thesecondrestrictiononbandwidthderivesfromtheinherentcapacitanceofap-nphotodiode.Typicalvaluesofw~10umandυsat~105m/s,wecancompute~100ps.Theequivalentcircuitofap-nphotodiode.Thejunction(shunt)resistanceRj
~tensofMΩResistanceofthepandnlayersandoftheelectricalcontactsactsasaseriesresistanceRs~5to10Ω
LoadresistanceRL~50ΩTimeconstantandbandwidthTypicalvaluesofCinarefrom1to2pF;ForRL=50Ω,τRC
isintherangeof50to100ps.Timeconstant:ThebandwidthofaphotodiodeisAnothermechanismrestrictingthebandwidthofap-nPD——diffusionphotocurrentBandwidthefficiencyvsreverse-biasvoltageReducethediffusioncurrentIncreasingthebandwidthefficiencyWidedepletionregionIncreasethereverse-biasvoltageRCtimeconstantsThekeypointissimplythis:Weneedtoincreasethewidthofadepletionregionwithoutmanipulatingunnecessarilythevalueofthereverse-biasvoltage.Thesolutiontothisdilemmaisap-i-nphotodiode.4.4p-i-nPhotodiodesi(本征)層:低摻雜n型高摻雜n+型高摻雜p+型加反向偏置電壓后形成一個很寬的耗盡層10GHzBandwidthPINPhotodetector
Features:
Highbandwidthdigitaloranalogsystems(10GHz)Highresponsivity,planarGaInAs/InPphotodiodeOperatingwavelength1100~1650nmSinglemodeopticalfibercoupledinputApplications:
HighbitrateorhighbandwidthopticalnetworksSpecifications(T=25oC):
AvalanchePhotodiodes(雪崩光電二極管)設計動機:在光生電流尚未遇到后續(xù)電路的熱噪聲時已經(jīng)在高電場的雪崩區(qū)中得到放大,因此有助于提高接收機靈敏度工作過程拉通型雪崩二極管(RAPD)“拉通”來源于其工作情況:增加偏壓,使耗盡區(qū)正好拉通到整個本征p區(qū),以增加高阻材料帶有少量p摻雜的本征材料p+ppn+結(jié)構光電二極管中所有載流子產(chǎn)生的倍增因子M定義為:IM
:雪崩增益后輸出電流的平均值Ip:未倍增時的初級光電流V:反向偏壓VB:二極管擊穿電壓n:常數(shù),一般為2.5~7
類似于pin,APD的性能也由響應度來表征:GainandResponsivity(倍增因子和響應度)APDbandwidth
ForatypicalAPD,thegain-bandwidthproductcanbeevaluatedbykAistheratioofholestoelectronsinvolvedintheionizationprocess.APDPhotodiode-2.0GHzFeatures:
HighreliabilityInGaAsplanarAPDstructure55umtopilluminatedactiveareaLowdarkcurrentLowcapacitanceApplications:
Opticalreceiversupto2.5Gbps
Specifications:
OpticalReceiver-數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)中的各種干擾最終產(chǎn)生誤碼誤碼源:碼間串擾光纖色散以及非線性效應導致展寬,使比特能量向其它比特泄漏,導致接收機0和1的判決誤碼誤碼源:非線性損傷光纖傳輸中的非線性效應:1.布里淵散射2.拉曼散射3.交叉增益調(diào)制4.交叉相位調(diào)制5.四波混頻造成:
WDM系統(tǒng)中多信道之間的串擾>40Gb/s單波長高速信道內(nèi)的碼間串擾系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)都會帶來噪聲,噪聲對光信號會產(chǎn)生干擾。如鏈路中:由接收機引入的噪聲源如下圖所示:誤碼源:噪聲的干擾主要包括光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、自動增益控制(AGC)電路、時鐘提取電路以及取樣判決器。基于強度調(diào)制的數(shù)字接收機模型接收機工作的基本原理前端線性通道時鐘提取數(shù)據(jù)再生光接收機的核心部分:前端前端:由光電二極管和前置放大器組成作用:將耦合入光電檢測器的光信號轉(zhuǎn)換為時變光生電信號, 然后進行預放大,以便后級作進一步處理要求:低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬光檢測器的選擇:A. pin光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度,不需要高的工作電壓,響應速度快B. APD最大的優(yōu)點是它具有載流子倍增效應,探測靈敏度高,但需要較高的偏置電壓和溫度補償電路常用搭配:EDFA光放大器+pin前置放大器 主要作用是保持探測的電信號不失真地放大和保證噪聲最小,一般采用基于場效應晶體管(FET)的放大器器件的選擇線性通道對主放輸出的失真數(shù)字脈沖進行整形和補償,使之成為有利于判決的碼間干擾最小的波形根據(jù)輸入信號大小自動調(diào)整放大器增益,使輸出信號保持恒定,以擴大接收機動態(tài)范圍提供高的增益,放大到適合于判決電路的電平判決再生與時鐘提取任務:把線性通道輸出的波形恢復成數(shù)字信號對某時隙的碼元進行判決,恢復原始信息為精確確定“判決時刻”,需要從信號碼流中提取準確的時鐘信息作為標定,以保證與發(fā)送端一致入射到光檢測器的二進制數(shù)字脈沖序列表示為:其中P(t)是接收光功率Tb是比特周期
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