光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)05-光接收機

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)光接收機2光源調(diào)制器驅(qū)動電路放大器

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第五講

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郝然光電二

極管光纖光纖中繼器

判決器

光接收機光接收機是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將光信號轉(zhuǎn)換回電信號，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然3?

光接收機簡介?

光電檢測器?

接收機噪聲分析?

光接收機靈敏度的計算?

光接收機的組成模塊4

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郝然光接收機的分類?

光接收機分為直接檢測接收機和相干檢測接收機?

直接檢測適合較低速率（<40Gbit/s)，原理簡單，成本低，但只檢測光強度，

頻帶利用率低?

相干檢測可以檢測光信號的相位信息，具有頻率利用率高、接收靈敏度高和

中繼距離長等優(yōu)點，但是實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。?

相干檢測需要本振激光器，且本振激光器與信號光之間的相位，偏振和頻率

具有相干性Sr

10lg10

-3

Pmax

在工程上常用dBm來表示，即3）接收機的最低輸出光功率（用dBm來描述）和最大允許輸入光功率（用dBmPmax和Pmin為保證系統(tǒng)誤碼率指標條件下，接收機允許的最大接收光功率和最小接收光功率

5

Pmin

10

(dB)來描述）之差（dB）就是光接收的動態(tài)范圍

D

10lg

Pmin

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郝然

光接收機的性能指標光接收機主要的性能指標是誤碼率（BER）、靈敏度以及動態(tài)范圍1）誤碼率是碼元被錯誤判決的概率，可以用在一定的時間間隔內(nèi)，發(fā)生差錯的碼元數(shù)和在這個時間間隔內(nèi)傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比來表示2）接收機靈敏度：在滿足給定誤碼率指標條件下，最低接收的平均光功率Pmin。

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郝然光接收機的組成直接檢測光接收機分為模擬光接收機和數(shù)字光接收機兩種數(shù)字光接收機分為光電檢測器、前置放大器、主放大器、AGC電路、均衡器、判決再生和時鐘提取七個部分光接收機也可以分為三部分：①光檢測器和前置放大器合起來稱為接收機前端，是光接收機的核心；②主放大器、均衡濾波器和自動增益控制組成光接收機的線性通道；③判決器、譯碼器和時鐘恢復(fù)組成光接收機的判決、再生部分數(shù)字光接收機框圖

67

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郝然光電檢測器光纖通信中對光電檢測器最重要的幾點要求如下：

在所用光源的波長范圍內(nèi)有較高的響應(yīng)度；

較小的噪聲；

響應(yīng)速度快；

對溫度變化不敏感；

與光纖尺寸匹配；

工作壽命長轉(zhuǎn)換效率、響應(yīng)速度和響應(yīng)波長是光電檢測器的主要指標。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然8光檢測器光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然?什么是光電探測器?光電探測器的原理?光電探測器的材料?光電探測器的性能參數(shù)?光電探測器的分類

9光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然10光電探測器：將微弱光能轉(zhuǎn)化為電能的器件。光能

電能光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然11Photovoltaic

Effect光電（伏）效應(yīng)愛因斯坦本人是因為研究光電效應(yīng)現(xiàn)象并從理論上對其做出了正確的量子解釋而獲得諾貝爾物理學(xué)獎.光探測的工作原理是基于光輻射與材料相互作用所產(chǎn)生的光電效應(yīng)來實現(xiàn)的光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然12光照射在金屬表面觀察到有電子逸出！！光電效應(yīng)?

光以量子化的光子的形式存在?

每個光子具有能量E=hv?

固體吸收能量為E=hv之后放出相等能量的電子P區(qū)N區(qū)P-N結(jié)

13

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郝然Question1：如何激勵出光生載電子？

回憶半導(dǎo)體激光器：PN結(jié)注入電流-》光子14

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郝然光電探測器（簡稱PD）是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件。

此電能來自PN結(jié)！P型摻雜N型摻雜P區(qū)N區(qū)P-N結(jié)

15

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郝然Question2：如何收集逸出的電子流？

提供電子流通的最佳場所：PN結(jié)16

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郝然

光電探測器原理1.

光電效應(yīng)產(chǎn)生電流

光照射到半導(dǎo)體的P-N結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價帶

的電子吸收光子的能量，從價帶越過禁帶到達導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電

子，在價帶中出現(xiàn)光空穴，即光電子-空穴對，稱作光生載流子。2.

PN結(jié)導(dǎo)通電流光生載流子在外加負偏壓（P接負，N接正）和內(nèi)建電場的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流，從而在電阻R上有信號電壓輸出。這樣就實現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入光信號變化的光電轉(zhuǎn)換作用。171、電子的能量量子化

a2、電子運動有隧道效應(yīng)

原子的外層電子(高能

級),

勢壘穿透概率較大,

電子可以在整個固體中

運動,

價電子不再為單個

原子所有,

而為整個晶體

所共有稱為共有化電子原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊,一般不是共有化電子

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郝然共有化電子

解定態(tài)薛定諤方程，可以得出兩點重要結(jié)論：18

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郝然

能帶的形成

量子力學(xué)計算表明，固體中若有N個原子，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的每一個能級，變成了N條靠得很近的能級，稱為能帶19

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郝然有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個名詞1、滿帶各能級均被電子填滿2、價帶

能帶中能級沒有被電子全部填滿

無導(dǎo)電作用3、空帶(導(dǎo)帶)各能級均無電子填充4、禁帶相鄰能帶之間不存在電子穩(wěn)定能態(tài)的能量區(qū)間

無導(dǎo)電作用E重半禁帶ΔEg=0.1~2eV絕

禁帶ΔEg=3~6eV緣體光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然20固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為：半導(dǎo)體絕緣體導(dǎo)帶(空帶)

滿帶導(dǎo)體

E

導(dǎo)帶導(dǎo)體

滿帶

疊導(dǎo)

體

其共有化電子很易從

低能級躍遷到高能級

上去，造成多個能級

未被電子占滿，這些

能級上的電子均可參與導(dǎo)電E

導(dǎo)帶(空帶)

滿帶

是因為滿帶與空帶之

間有一個較寬的禁帶

，共有化電子很難從

低能級(滿帶)躍遷到高能級(空帶)上去21

半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)：滿帶與空帶之間也是禁帶，但是禁帶很窄絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿：

當外電場非常強時，共有化電子越過禁帶躍遷到

空帶中形成載流子

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郝然導(dǎo)帶(空帶)

禁帶ΔEg=0.1~2eV

滿帶光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然一、本征半導(dǎo)體

—

純凈的半導(dǎo)體

兩個概念：

1、電子導(dǎo)電……載流子是電子

2、空穴導(dǎo)電……載流子是空穴

滿帶上的一個電子躍遷到空帶后，滿帶中出現(xiàn)一個空位稱空穴

22§14-3半導(dǎo)體光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然23

?

每個原子周圍有四個相鄰的原

子

?

原子之間通過共價鍵緊密結(jié)合

在一起。

?

原子最外層的價電子不僅圍繞

…

?

兩個相鄰原子共用一對電子24

24

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郝然

本征半導(dǎo)體（純凈的半導(dǎo)體晶體）硅的晶體結(jié)構(gòu)電子硅光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然

自由電子和空穴?

室溫下由于熱運動少數(shù)價

電子掙脫共價鍵的束縛成

為自由電子，同時在共價

鍵中留下一個空位這個空

位稱為“空穴”。?

失去價電子的原子成為正

離子，就好象空穴帶正電

荷一樣。

在電子技術(shù)中,將空穴看

成帶正電荷的載流子。

25電子硅空穴光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然磷原子的五個價電子有四個形成共價鍵，多出的一個電子不受束縛,室溫下很容易成為自由電子。每個磷原子都提供一個自由電子，自由電子數(shù)目大大增加，遠遠超過空穴數(shù)。這種半導(dǎo)體主要依靠電子導(dǎo)電，稱為電子型或N型半導(dǎo)體。

26

N型和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體，在硅晶體中摻入磷

電子硅磷光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然27P型半導(dǎo)體，在硅晶體中摻入硼硼原子與相鄰的四個硅原子由于缺少一個價電子而產(chǎn)生一個空位，這個空位很容易被鄰近共價鍵中的價電子填補。每個硼原子都產(chǎn)生一個空穴，空穴數(shù)目大大增加，遠遠超過自由電子數(shù)。這種半導(dǎo)體主要依靠空穴導(dǎo)電，稱為空穴型或P型半導(dǎo)體27電子硅硼多數(shù)載流子：電子空穴

摻入的雜質(zhì)元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量

越多。

少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產(chǎn)生的，其數(shù)量的多少決

定于溫度。

28N型半導(dǎo)體

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郝然P型半導(dǎo)體光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然29將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體放在一起P區(qū)N區(qū)外電場空穴為多子電子為多子

當Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體結(jié)合時，由于交界面處存在的正負電荷載流

子濃度差，于是電子（負電荷粒子）和空穴（正電荷離子）都會從高濃

度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴散。

電子（負電荷粒子）與空穴（正電荷離子）都是帶電的，其擴散的結(jié)果

就導(dǎo)致了Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)原來的電中性被破壞。這樣，Ｐ區(qū)一側(cè)失去空穴剩

下不能移動的負離子，Ｎ區(qū)一側(cè)失去電子而留下不能移動的正離子。這

些不能移動的帶電粒子就是空間電荷。在空間電荷集中在Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)交

界面附近，形成了一很薄的空間電荷區(qū)，就是P-N結(jié)

。

30

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郝然多子擴散運動形成空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)P-N結(jié)如上圖，在P區(qū)一側(cè)為負電荷，N區(qū)為正電荷，便出現(xiàn)

了由N到P的電場。這個電場是正負電荷載流子擴散

運動形成的，而不是外加電壓形成的，這便是內(nèi)電

場。由于內(nèi)電場的存在，使得P-N結(jié)處于動態(tài)平衡

狀態(tài)。

31P區(qū)N區(qū)P-N結(jié)

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郝然內(nèi)電場EIN阻止多子擴散，促使少子漂移

內(nèi)電場光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然3232多子

擴散少子

漂移阻止空間電荷區(qū)變窄

內(nèi)電場EIN削弱

空間電荷區(qū)加寬

促使

內(nèi)電場EIN增強擴散與漂移達到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)

PN結(jié)中同時存在多子的擴散運動和少子的漂移運動

，達到動態(tài)平衡時，擴散運動產(chǎn)生的擴散電流和漂

移運動產(chǎn)生的漂移互相抵消，PN結(jié)中總的電流為零

。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然

P型硅

后向電極Question1：如何激勵出光生載電子？

33

前向電極防反射層

N型硅光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然34光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然35光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然36光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然37光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然38光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然39光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然40在內(nèi)建電場作用下，完成了光生載流子過程??！回答了問題一但是，更為重要的是，不斷產(chǎn)生的光生載流子如何收集和存放，以保證不會減少？Question2：如何收集逸出的電子流？Question1：如何激勵出光生載電子？P區(qū)N區(qū)外電場空穴為多子電子為多子

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郝然回憶…

將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體放在一起

正向P-N結(jié)

41回憶…P區(qū)N區(qū)P-N結(jié)

42

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郝然

反向內(nèi)電場EIN阻止多子擴散，促使少子漂移

內(nèi)電場光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然43如何施加電壓？光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然

后向電極Question2：如何收集逸出的電子流？

44

前向電極防反射層

N型硅

P型硅

-++

-45

PInP

IInGaAs

NInP

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郝然PIN光電二極管

遠離耗盡層處產(chǎn)生的電子-空穴對主要以擴散的方式運動，其復(fù)合不對外部

電流造成影響。因此降低了光檢測器的效率。而且，擴散過程速度比漂移慢得

多，由電子-空穴對產(chǎn)生的擴散電流對入射光信號的強度變化響應(yīng)速度慢，降

低光電二極管的頻率響應(yīng)。

為了改善光探測器的效率，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間引入輕度摻雜的本

征半導(dǎo)體，這樣的光探測器稱為PIN光電二極管。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然46在P區(qū)和N區(qū)中間夾一層本征層I；常用摻雜濃度很小，高阻材料；常使I區(qū)寬度近似入射光透深度1/

，P區(qū)和N區(qū)很薄；差不多整個I區(qū)都是耗盡層；光生載流子大部分在耗盡層中產(chǎn)生，縮短了響應(yīng)時間；工作區(qū)摻雜濃度低，在低偏壓下，漏電流小、量子效率高、電容也小、響應(yīng)速度快。用雙異質(zhì)結(jié)，使p型和n型區(qū)域?qū)ぷ鞑ㄩL是透明的，光電流的擴散成分被完全消除，光探測器的效率提高。

PInP

IInGaAs

NInPPIN光電二極管≈光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然471）響應(yīng)波長的上限光電效應(yīng)必須滿足條件c是真空中的光速，

是入射光的波長，h是普朗克常量入射光的波長必須小于某個臨界值，才會發(fā)生光電效應(yīng)，這個臨界值就叫做上截止波長，定義為2）響應(yīng)波長的下限入射光波長太短，光子的吸收系數(shù)很強，大量入射光子在PN結(jié)表面被吸收，中性區(qū)的電子—空穴對很容易被復(fù)合，光電轉(zhuǎn)換效率低。光電二極管的波長響應(yīng)（光譜特性）h

EghcEg

hc

1.24Eg

Eg

c

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郝然

e0h

I

p

1

r

p0

exp

w1

1

exp

w

η=I

p/

e0p0/

hν

1-r

exp

-αw1

1-exp

-αw

光電轉(zhuǎn)換效率

常用量子效率和響應(yīng)度衡量光電轉(zhuǎn)換效率

當入射功率為P0時，光生電流可以表示為w1是零電場的表面層的厚度，w是耗盡區(qū)的厚度，

是材料的吸收系數(shù)量子效率表示入射光子能夠轉(zhuǎn)換成光電流的概率e0

是電子電荷，IP是光電流強度，P0是入射光功率?量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜

48光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

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郝然外量子效率0

Ip

/eP

/h

通過結(jié)區(qū)的光生載流子數(shù)（光生電子-空穴對數(shù)）

入射到器件上的光子數(shù)Ip0

e

Ph

=內(nèi)量子效率

產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)目入射到器件且被吸收的光字數(shù)內(nèi)量子效率=外量子效率/（1?光反射率?光吸收率）

提高量子效率的辦法

①

盡量減小光子在表面層的反射率r，增加入射到光電二極管中的光

子數(shù)；

②

盡量減小中性區(qū)的厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)被充

分地吸收，而耗盡層厚，光生載流子漂移到加有反偏壓的P-N結(jié)兩端

的所需時間越長，漂移時間決定P-N結(jié)響應(yīng)速率。因此必須折中。

49R

50I

p

p0(

A

/

W

)

e0

h

P0相應(yīng)于平均每秒入射P0/h

個光子數(shù)，而入射光子中有

部分被吸收并在外電路中產(chǎn)生一個電子，所以典型值1.3

m

band,

1

A/W1.5

m

band,

1.2

A/W0I

pPR0

入射的平均光功率（A/W）

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郝然響應(yīng)度?光電轉(zhuǎn)換效率也可以直接用光生電流Ip和入射光功率p0的比值來表示,稱其為響應(yīng)度

光電檢測器的平均輸出電流

R0

或51

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郝然響應(yīng)度和量子效率都是描述器件光電轉(zhuǎn)換能力的物理量

，但是他們分析的角度不同。響應(yīng)度是在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，而量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。外量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系：

h

e

eh

R0

1.24R0

將頻率轉(zhuǎn)換成波長，并帶入普朗克常數(shù)及光在真空中的速度52（1應(yīng)時間的因素主要有

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郝然響應(yīng)時間

——半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信

號變化

快慢的狀態(tài)。

影響響）從光入射光敏面到發(fā)生受激吸收的時間；

（2）零場區(qū)光生載流子的擴散時間；

（3）有場區(qū)光生載流子的漂移時間；

（4）雪崩倍增建立時間（僅對于APD）；

（5）RC時間常數(shù)。53

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郝然暗電流

在理想情況下，當沒有光照射時，光電檢測器應(yīng)無光電流輸出。

但是實際上由于熱激勵、宇宙射線后放射性物質(zhì)的激勵，在無光

的情況下，光電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。

嚴格的說，暗電流還包括器件表面的漏電流。暗電流由體內(nèi)暗

電流和表面暗電流組成。器件的暗電流越小越好。

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郝然雪崩光電二極管

從光電二級管的作用來說，在一定的信號光功率下，光生電流越大越好。前面

介紹的PIN光電二極管即便是在最大響應(yīng)度下，一個光子也最多也只能產(chǎn)生一對

電子-空穴對，是一種無信號增益的器件。

為了獲得更高的響應(yīng)度，人們研制出了一種帶有內(nèi)部增益的探測器件雪崩光電二

極管。APD常用于接收弱光功率的場合。靈敏度高、響應(yīng)速度快(可達1000GHz)

54

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郝然雪崩光電二極管

APD比PIN多了一層P型層。入射光進入有源區(qū)產(chǎn)生光生載流子電子-空穴對。如果在

APD上有一反向外加電壓，使得在PN+結(jié)附近有一高電場存在，且高場區(qū)內(nèi)承受了

所加偏壓的大部分壓降。產(chǎn)生的光生載流子在這一高場區(qū)中被加速，獲得很高的能量

。如果耗盡區(qū)內(nèi)場足夠大，大到等于碰撞電離所需的最小場強，則在高反偏壓作用下

高速運動中與晶格碰撞，發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，使晶體中的電子電離，激發(fā)新的電子-

空穴對，新產(chǎn)生的電子空穴對在高場區(qū)中繼續(xù)加速，碰撞別的原子，從而使勢壘區(qū)中

載流子濃度倍增，形成極大的反向電流。INNP+金屬層抗反射膜N+

金屬層N+PI耗盡區(qū)WN電場雪崩區(qū)碰撞電離所需要最小場強保護環(huán)

P雪崩光電二極管的工作原理

55光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

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郝然56IM是雪崩增益后輸出電流的平均值；Ip是未倍增時的初始光生電流?光電二極管輸出電流和反向偏壓的關(guān)系?當反向偏壓增加到一定數(shù)值，光電流急劇增加，器件被擊穿，擊穿電壓VBIM

IpG

APD的平均雪崩增益?平均雪崩增益的定義為57

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

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郝然APD的結(jié)構(gòu)?光纖通信在0.85

m波段常用的APD有拉通型（RAPD）和保護環(huán)型（GAPD）兩種58

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

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郝然另一種在長波長波段使用的APD的結(jié)構(gòu)稱為SAM

（Seperated

Absorption

andMultiplexing）結(jié)構(gòu)光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

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郝然59數(shù)字光接收機框圖光檢測器與前置放大器均衡器光檢測器與前置放大器判決器譯碼器自動增益控制時鐘恢復(fù)主放大器光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

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郝然60接收機的前端

光檢測器（或光電變換）的作用是把接收到的光信號轉(zhuǎn)換成光電流。對光檢測器的基本要求是高的光電轉(zhuǎn)換效率、低的附加噪聲和快速的響應(yīng)。由于光檢測器產(chǎn)生的光電流非常微弱，只有nA~μA的數(shù)量級，必須先經(jīng)過前置放大器進行低噪聲放大，當然這也無可避免的引起附加噪聲。光檢測器的前置放大器合起來叫做接收機的前端，其性能的優(yōu)劣是決定接收機靈敏度的主要因素。對于前端要求：低噪聲、高靈敏度和足夠的帶寬。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

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郝然61線性通道

主放大器的任務(wù)是把前端輸出的毫伏級的信號放大到后面信號處理所需要的電平。接收機的其余的電路是對信號進行進一步的處