《光纤讲义-第5章 光检测器及光接收机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤讲义-第5章 光检测器及光接收机（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1第5章光检测器及光接收机第5章光检测器及光接收机5.1 半导体光检测器原理、结构及特性5.2 数字光接收机第5章光检测器及光接收机5.1 半导体光检测器原理、结构及特性光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，它的作用是把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号。光接收机的组成框图如图5.1所示，它由光检测器、低噪声前置放大器、主放大器、均衡器以及滤波器等组成。第5章光检测器及光接收机图5.1 光接收机组成框图光检测器光信号电信号前 置放大器 主放大器 均衡器 滤波器第5章光检测器及光接收机光检测器用于将接收到的光信号转换成电信号。由于从光纤中传过来的光信
2、号一般都很微弱，因此对光检测器的基本要求是:（1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；（2）具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；（3）具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；（4）具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；（5）具有较小的体积、较长的工作寿命等。第5章光检测器及光接收机光检测器产生的光电流是非常微弱的，必须由前置放大器进行低噪声放大，因此前置放大器的噪声对放大器输出的信号影响非常大。主放大器、均衡器以及滤波器对信号进行进一步放大及整形，以提高系统性能。本章首先介绍光电检测器的原理及特性，然后介绍数字光
3、接收机的组成及特性。第5章光检测器及光接收机5.1.1 PN结的光电效应光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，由光电二极管作成的光检测器的核心是PN结的光电效应。当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子空穴对。当前PDF文件使用【皓天PDF打印机】试用版创建 http:/2第5章光检测器及光接收机在耗尽区，在内建电场的作用下电子向N区漂移，空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成
4、光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足gcghEhcEul=(5.1) (5.2) 即存在第5章光检测器及光接收机c为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波长。以Si为材料的光电二极管,c=1.06m;以Ge为材料的光电二极管，c=1.60m。利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。但这种光电二极管结构简单，无法降低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。第5章光检测器及光接收机5.1.2 PIN光电二极管1. PIN光电二极管
5、的结构如图5.2所示，PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。由于I层吸收系数很小，入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子空穴对，因此大幅度提高了光电转换效率。另外，I层两侧的P层、N层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。第5章光检测器及光接收机图5.2 PIN光电二极管结构P+增透膜 光电极电极(a)NPI电极(b)第5章光检测器及光接收机2. PIN光电二极管的特性PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度及噪声特性等。
6、1)波长响应范围由式（5.2）可知，不同半导体材料存在着上限波长即截止波长。当入射波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大降低。因此，半导体光电检测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换，这一波长范围就是波长响应范围。由于半导体材料对光的吸收，光在材料中按指数率衰减，因此经过长度d的材料的光功率为第5章光检测器及光接收机式中，是材料对光的吸收系数，其单位为长度单位的倒数。称1/为光的穿透深度。半导体材料的吸收系数与波长有关。半导体材料的吸收作用随波长减小而迅速增强，即随波长减小而变大。图5.3为光纤通信中用作光检测器的几种材料的吸收系数随波长的变化情况。()(0) adPdPe=
7、(5.3) 当前PDF文件使用【皓天PDF打印机】试用版创建 http:/3第5章光检测器及光接收机图5.3 用作光检测器的几种导体材料的吸收系数随波长的变化情况0.4波长 / m105GeGaAsSi吸收系数 /(cm1 )In 0.70Ga0.30As 0.64P 0.36In 0.53Ga0.47As104103102101 0.60.81.01.21.41.61.8第5章光检测器及光接收机半导体材料的吸收系数与波长有关。半导体材料的吸收作用随波长减小而迅速增强，即随波长减小而变大。图5.3为光纤通信中用作光检测器的几种材料的吸收系数随波长的变化情况。从图中可以看出，当波长很短时，材料的
8、吸收系数很大，这样，光在半导体材料表层即被吸收殆尽。在表层产生的光生载流子要扩散到耗尽层才能产生光生电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速度很慢，在光生载流子还没有到达耗尽层时就大量被复合掉了，使得光电转换效率在波长很短时大大下降。第5章光检测器及光接收机综上所述，检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。SiPIN光电二极管的波长响应范围为0.51m，GePIN和InGaAsPIN光电二极管的波长响应范围约为11.7m。第5章光检测器及光接收机2)响
9、应度响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参量。它定义为pinIRI= (5.4) 其中，Pin为入射到光电二极管上的光功率；Ip为所产生的光电流。它的单位为A/W。第5章光检测器及光接收机3)量子效率量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即= 光电转换产生的有效电子空穴对数入射光子数/ 0/pinIe hfRPhfe= (5.5) 第5章光检测器及光接收机其中,e为电子电荷，其值为1.610-19 C。所以有式中,单位取m。可见，光电检测器的响应度随波长的增大而增大。图5.4为PIN光电二极管的响应度、量子效率与波长的关系。可以看出，响应度
10、、量子效率随着波长的变化而变化。为提高量子效率，必须减少入射表面的反射率，使入射光子尽可能多地进入PN结；同时减少光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区内被充分吸收。1.24eRhfhhl= (5.6) 当前PDF文件使用【皓天PDF打印机】试用版创建 http:/4第5章光检测器及光接收机图 5.4波长 / m1.00响应度 /(A/W)10%30%50%InGaAs70%GeSi量子效率90%0.80.60.40.20.70.91.11.31.51.71.8第5章光检测器及光接收机4) 响应速度响应速度是光电检测器的另一个重要参数，通常用响应时间（上升时间和下降时间）
11、来表示。光电二极管在接收机中使用时通常由偏置电路与放大器相连，这样检测器的响应特性必然与外电路相关。如图5.5为检测器电路及其等效电路，其中Cd、Rs、RL分别为检测器的结电容、串联电阻、负载电阻，CA、RA分别为放大器的输入电容和电阻。第5章光检测器及光接收机图5.5 光电二极管电路(a)接收电路；(b)等效电路(a)(b)hvCd 输出RsRL RA CA Ahv输出RL AUCC第5章光检测器及光接收机影响响应速度的主要因素有：（1）检测器及其负载的RC时间常数。要提高响应速度，就要降低整个电路的时间常数。从检测器本身来看，就要尽可能降低结电容dACWe= (5.7) 式中，为材料的介电
12、常数，A为结面积，W为耗尽区厚度。第5章光检测器及光接收机（2）载流子漂移通过耗尽区的渡越时间。光电二极管的响应速度主要受到耗尽区内的载流子在电场作用下的漂移通过所需时间(即渡越时间)的限制。漂移运动的速度与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比于电场强度，当电场强度达到某一值后，漂移速度不再变化。（3）耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟。耗尽区外产生的载流子一部分复合，一部分扩散到耗尽区，被电路吸收。由于扩散速度比漂移速度慢得多，因此，这部分载流子会带来附加时延，会使输出电信号脉冲拖尾加长，如图5.6所示。第5章光检测器及光接收机图5.6 光脉冲及电流脉冲波形tt光脉冲检波输出当前PDF
13、文件使用【皓天PDF打印机】试用版创建 http:/5第5章光检测器及光接收机5)噪声特性光电二极管的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声。除负载电阻的热噪声以外，其它都为散弹噪声。散弹噪声是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。量子噪声是由于光电子产生和收集的统计特性造成的，与平均光电流Ip成正比。来自噪声电流的均方值可表示为2 2sPieIfD= (5.9) 式中，Id为暗电流平均值。当偏置电压增大时，暗电流增大。暗电流还随着器件温度的升高而增加。暗电流的大小与光电二极管的结面积成正比，故常用单位面积上的暗电流即暗电流密度来衡量。第5章光检
14、测器及光接收机图5.7给出了几种光电检测器常用材料的暗电流密度与偏置电压的关系。除此之外，光电二极管中还有表面漏电流。表面漏电流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺陷、不清洁和加有偏置电压而引起的。漏电流的均方值可表示为式中，IL为漏电流平均值。2 2LLieIfD= (5.11) 第5章光检测器及光接收机式中，R为等效电阻，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数。因此，光电二极管的总均方噪声电流为2 42()PdLkTfieIIIfRDD=暗电流噪声为(5.15) (5.16) 第5章光检测器及光接收机3)温度特性当温度变化时，原子的热运动状态发生变化，从而引起电子、空穴电离系数的变化，使得AP
15、D的增益也随温度而变化。随着温度的升高，倍增增益下降。为保持稳定的增益，需要在温度变化的情况下进行温度补偿。第5章光检测器及光接收机5.2 数字光接收机5.2.1 数字光接收机的组成数字光接收机的组成如图5.9所示，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。第5章光检测器及光接收机图5.9 数字光接收机组成框图光检测器光信号再生码流前 置放大器 主放大器 均衡器 判决器时钟提取AGC电路第5章光检测器及光接收机前置放大器是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前置放大器的噪声取决于放大器的类型。主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定不变。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。当前PDF文件使用【皓天PDF打印机】试用版创建 http:/8第5章光检测器及光接收机均衡器的目的是对经光纤传输、光电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决（一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形），以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取
