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1、 光检测器与光接收机 第五章 李佳骏 光电转换器件要求 高效率 低噪声 宽带原理 光吸收 5 1光检测器 目前 较为常见的半导体光检测器有 1 PIN光电二极管 2 雪崩光电二极管APD 5 1 1PN光电二极管 工作原理 入射光从P侧进入 在耗尽区光吸收产生的电子 空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动 产生光电流 响应时间 由光功率输入转化为光电流输出 有一定时间迟后 其值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间 5 1 1PN光电二极管 2 带宽受限的主要因素 产生的光电流中存在扩散分量 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的托尾加长 影响光电二极管的
2、响应速度 解决方法 减小P N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P N区吸收的光能 PIN 考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形脉冲的响应 扩散分量的存在导致光电二极管瞬态响应失真 5 1 2PIN光电二极管 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区高阻抗 电压基本都落在I区 PIN光电二极管及反偏时各层的场分布 5 1 3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
3、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 当保持所加偏置电压不变时 降低温度 则电子和空穴的电离速率会增加 因而雪崩增益也会增加 温度对雪崩增益的影响 量子效率 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 在光电二极管的应用中 100个光子会产生30到95个电子 空穴对 因此检测器的量子效率范围为30 95 为了得到较高的量子效率 必须加大耗尽区的厚度 使得可以吸收大部分的光子 但是 耗尽区越厚 光生载流子漂移渡越 across 反向偏置结的时间就越长 由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度 所以必须在响应速度和量子
4、效率之间采取折衷 5 2光接收机 光信号 光电变换 前置放大 主放大器 均衡滤波 判决器 时钟恢复 输出 AGC电路 性能指标 接收灵敏度 误码率或信噪比 前端 线性通道 时钟提取与数据再生 CDR 对信号进行高增益放大与整形 提高信噪比 减少误码率 注 AGC自动增益控制 5 2 1光接收机的前端 前端 由光电二极管和前置放大器组成 作用 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 以便后级作进一步处理 是光接收机的核心 要求 低噪声 高灵敏度 足够的带宽 5 2 2光接收机的线性通道 5 2 3判决再生与时钟提取 任务 把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号
5、 判决器 时钟恢复 输出 光接收机的噪声特性 光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量 主要来自光电探测器和前置放大器的噪声 分为两类 散粒噪声和热噪声 1 光检测器产生散粒噪声2 负载电阻产生热噪声3 放大器产生放大噪声 5 3 2光接收机性能指标 1误码率BER Ne Nt Ne Bt即 误比特率 错误比特 总比特2灵敏度 1 输入的最小平均光功率 2 每个光脉冲的最低平均光子数n0 3 每个光脉冲的最低平均能量Ed 5 4光中继器 光中继器的功能 补偿光能量损耗 对畸变失真的信号波形进行整形 中继器 光电中继器 全光中继器光电中继器 光 电 光方式全光中继器 没有光 电 光转换的过程
