光纤通信技术第六章综述

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1、光纤通信技术第六章 王发强王发强 Fq_wang Fq_wang 信息光电子科技学院信息光电子科技学院 华南师范大学华南师范大学 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 塞下秋来风景异，衡阳雁去无留意。四 面边声连角起。千嶂里，长烟落日孤城闭。 浊酒一杯家万里，燕然未勒归无计。羌 管悠悠霜满地。人不寐，将军白发征夫泪。 渔家傲 范仲淹 光源 调制器调制器 驱动电路驱动电路 放大器 光电二 极管 判决器 光纤光纤 光纤光纤 中继器中继器 光接收机是光纤通信系统的重要组成光接收机是光纤通信系统的重要组成 部分，其作用是将光信号转换回电信部分，其作用是将光信号转换回电信 号，恢复光载波所携带的原信号。

2、号，恢复光载波所携带的原信号。 光接收机光接收机 光信号光信号 光电光电 变换变换 前置前置 放大放大 主放主放 大器大器 均衡均衡 滤波滤波 判判 决决 器器 时钟恢复时钟恢复 输出输出 AGCAGC电路电路 性能指标性能指标: :接收灵敏度、接收灵敏度、 误码率或信噪比误码率或信噪比 前端前端 时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生 （CDRCDR） 线性通道线性通道 对对信号进行高增益放大与整形，信号进行高增益放大与整形， 提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。 6.1 光检测器 6.2 光接收机 6.3 光接收机的噪声特性 6.4 光接收机的灵敏度 6.5 光接收机的性能评估

3、第六章 光检测器及光接收机 n光电转换器件 n要求: 高效率、低噪声、宽带 n原理：光吸收 n在半导体材料上，当入射光子能量h超过带隙能量时，每 当一个光子被半导体吸收就产生一个电子空穴对。在外 加电压建立的电场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越 并形成电流流动，称为光电流，其电流大小Ip与入射光功 率Pin成比例： RR光电检测器的光电检测器的响应度响应度（A/WA/W） 入射光入射光 半导体半导体 6.1 光检测器 PN光电二极管 工作原理：工作原理：入射光从入射光从P P侧侧 进入，在耗尽区光吸收产进入，在耗尽区光吸收产 生的电子空穴对在内建生的电子空穴对在内建 电场作用下分别向左右两电

4、场作用下分别向左右两 侧运动，产生光电流。侧运动，产生光电流。 响应时间响应时间：由光功率输入转化由光功率输入转化 为光电流输出，有一定时间迟为光电流输出，有一定时间迟 后，其值主要决定于载流子通后，其值主要决定于载流子通 过耗尽区的过耗尽区的渡越时间渡越时间。 PIN光电二极管(1) n在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大 耗尽区宽度w，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的 要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导 体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。 I I区高阻抗区高阻抗, ,电电 压基本都落在压基本都落在I I 区区 PINPIN光电二极

5、管及反偏时各层的场分布光电二极管及反偏时各层的场分布 PIN光电二极管(2) InGaAsInGaAs PIN PIN 光电二极管的结构光电二极管的结构 双异质结结构：双异质结结构： NN区和区和P P区区：InPInP，对对 920nm920nm的光透明；的光透明； I I区：区： InGaAsInGaAs； =13001600nm=13001600nm 强烈吸收强烈吸收 在w距离内吸收的功率 考虑光反射后，产生的光电流 量子效率 n入射光功率Pin中含有大量光子，能转换为光电流 的光子数和入射总光子数之比称为量子效率. 产生的电子空穴对的个数产生的电子空穴对的个数 入射的光子数入射的光子数

6、 在光电二极管的应用中，在光电二极管的应用中，100100个光子会产生个光子会产生3030到到9595个电子个电子 空穴对，因此检测器的量子效率范围为空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%95%30%95%。为为 了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得使得 可以吸收大部分的光子。但是，可以吸收大部分的光子。但是，耗尽区越厚，光生载流耗尽区越厚，光生载流 子漂移渡越子漂移渡越(across)(across)反向偏置结的时间就越长。反向偏置结的时间就越长。由于载流由于载流 子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必子的漂移时间又决定了光

7、电二极管的响应速度，所以必 须在须在响应速度和量子效率之间采取折衷。响应速度和量子效率之间采取折衷。 光谱响应 n对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低频 率或最大波长，而对波长大于这个极限波长的光波 就不能被探测到。 n光子能量h大于半导体材料的禁带宽度Eg时，价 带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，否则不论 入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一 种材料制作的光电二极管都有上截止波长C： 在在短波长段，材料的吸收短波长段，材料的吸收 吸收系数变得很大，因此吸收系数变得很大，因此 光子在接近光检测器的表光子在接近光检测器的表 面就被吸收了，电子空面就被吸收了，电子空 穴对的寿命极短

8、，结果载穴对的寿命极短，结果载 流子在由光检测器电路收流子在由光检测器电路收 集以前就已经复合了。集以前就已经复合了。 SiSi： C C =1.06=1.06 mm，使用范围：使用范围：0.51.0 0.51.0 mm GeGe： C C =1.6=1.6 mm，使用范围：使用范围：1.11.6 1.11.6 mm InGaAsInGaAs： C C =1.6=1.6 mm，使用范围：使用范围：1.11.6 1.11.6 mm 雪崩光电二极管APD PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益 APD:利用电离碰撞, 1个光子产生多对电子-空穴对,有增益 工作过程： 入射光入射光-一对一

9、对电子电子- -空穴对空穴对( (一次光生电流一次光生电流)-)- 与晶格碰撞电离与晶格碰撞电离-多多对对电子电子- -空穴对空穴对( (二次光生电流）二次光生电流） 吸收吸收 外电场加速外电场加速 增加了一个附加增加了一个附加 层，倍增区或增层，倍增区或增 益区，以实现碰益区，以实现碰 撞电离产生二次撞电离产生二次 电子空穴对。电子空穴对。 耗尽层仍为耗尽层仍为I I 层，起产生一层，起产生一 次电子空穴次电子空穴 对的作用。对的作用。 1、倍增系数 M = Ip / I0 IP-平均输出电流， I0-一次光生电流 IP M I0 MRPin 倍增系数M与电离系数及增益区厚度有关。 2、过剩

10、噪声因子F 在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程， 具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外 的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子F来表征这 种倍增噪声。F又可近似表为：FMx x被称为过剩噪声指数。 APD倍增系数与过剩噪声因子 温度对雪崩增益的影响 光电检测器的噪声 检测器的等效电路 其中 为均方电流噪声，B为PIN电路带宽。 量子噪声（散粒噪声） 光生电子的随机性所引起来的。 在入射光的激发下，单位时间内所激发的电子数是不固 定的，这种随机性就是量子噪声。 有信号就有量子噪声，它依附在信号之上，是限制光接 收机灵敏度的主要因数。 经分析： PIN暗电流Id的随机

11、起伏引起的 暗电流噪声 热噪声 自由电子或带电载流子在功耗元件上的不规则运 动，同信号大小无关，是白噪声。 其中T为PIN的绝对温度（K），B为测量仪器或前放带宽 ，R为PIN内阻。 Nt与B成正比，而与信号频率无关。 是一种白噪声，其功率谱密度为常数（4KTR）。 检测器响应时间 光电二极管产生光电流的响应时间主要取决于以下因素： 1、耗尽区的光载流子的渡越时间； 2、耗尽区外产生的光载流子的扩散时间； 3、光电二极管以及与其相关的电路的Rc时间常数。 非全耗尽型光电二极管的典型响应时间 带宽受带宽受限限的主要因素的主要因素: :产生的光电流中存在扩散产生的光电流中存在扩散 分量，它与耗尽区

12、外的光吸收有关。载流子作分量，它与耗尽区外的光吸收有关。载流子作 扩散运动的时延将使检测器输出电流脉冲后沿扩散运动的时延将使检测器输出电流脉冲后沿 的托尾加长，影响光电二极管的响应速度。的托尾加长，影响光电二极管的响应速度。 解决方法：减小解决方法：减小P,NP,N区厚度，增加耗尽区的宽度区厚度，增加耗尽区的宽度 ，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少P,NP,N 区吸收的光能区吸收的光能-PIN-PIN 光检测器的比较（1） 参数符号单位SiGeInGaAs 波长范围nm4001100800165011001700 响应度RA/W0.40.60.40.5

13、0.750.95 暗电流IDnA110505000.52.0 上升时间rns0.51.00.10.50.050.5 带宽BGHz0.30.70.53.01.02.0 偏置电压VBV55105 SiSi、GeGe、InGaAsInGaAs pinpin光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数 光检测器的比较（2） 参数符号单位SiGeInGaAs 波长范围nm4001100800165011001700 雪崩增益M20400502001040 暗电流IDnA0.11505001050 M=10 上升时间rns0.120.50.80.10.5 增益带宽 积 MBGHz1004002

14、1020250 偏置电压VBV15040020402030 SiSi、GeGe、InGaAsInGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数 光检测器的比较（3） n在短距离的应用中，工作在850nm的Si器件对于 大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。 n在长距离的链路常常需要工作在1330nm和 1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。 nAPD检测器与PIN检测器相比，具有载流子倍增 效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电 压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。 6.1 光检测器 6.2 光接收机 6.3 光接收机的噪声特性 6.4 光接

15、收机的灵敏度 6.5 光接收机的性能评估 第六章 光检测器及光接收机 6.2 6.2 光接收机光接收机 光信号光信号 光电光电 变换变换 前置前置 放大放大 主放主放 大器大器 均衡均衡 滤波滤波 判判 决决 器器 时钟恢复时钟恢复 输出输出 AGCAGC电路电路 性能指标性能指标: :接收灵敏度、接收灵敏度、 误码率或信噪比误码率或信噪比 前端前端线性通道线性通道时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生 （CDRCDR） 对对信号进行高增益放大与整形，信号进行高增益放大与整形， 提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。 6.2.1 光接收机的前端(1) n n 前端：前端：由光电二极管和前置放大器组成。由光电二极管和前置放大器组成。 n n 作用：作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变将耦合入光电检测器的光信号转换为时变 电流，然后进行预放大（电流电压转换），以便电流，然后进行预放大（电流电压转换），以便 后级作进一步处理。是光接收机的核心。后级作进一步处理。是光接收机的核心。 n n 要求：要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽低噪声、高灵敏度、足够的带宽 电信号电信号光信号光信号 光电光电 变换变换 前置前置 放大放大 6.2.1 光接收机的前端(2) n光检测器的选择：要视具体应用场合而定。 nPIN光电二极管具有良好的光电转换线