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1、第三讲 2 光电检测器Optoelectronicdetector 2020 6 18 2 第五节光电检测器及光接收机 光源是光发射机的核心器件 作用E O转换光检测器是光接收机的核心器件 作用O E转换光检测器就是光电二极管PN结型光电二极管PD管 PIN结型光电二极管PIN管 雪崩型光电二极管APD管 研究光接收的主要问题是 1 灵敏度 2 噪声 2020 6 18 3 5 1光电二极管的检测原理 光子 A K R V 真空光电管中的光电效应外电场作用下形成光生电流 光电效应optoelectroniceffect由于吸收光子能量引起的材料电特性的改变 在材料中释放电子和其它电荷载流子的现
2、象 在真空光电二极管中 其阴极就是利用光电发射材料制成 当能量为hf的光子照射其阴极 若阴极表面材料吸收的光子能量大于其逸出功 则从阴极表面就有电子发射出来 发射出来的电子在外电压场的作用下射向阳极 形成光生电流 2020 6 18 4 PN结型光电二极管的工作原理 在半导体光电检测器件中 为了使电子和空穴分离 通常采用PN结面附近区域产生空间电荷区 形成自建电场 如图所示 当PN结型半导体紧密接触后 P型区的空穴和N型区的电子分别向N型区和P型区扩散 因而在两个区的接触面两侧形成了不存在载流子电子和空穴的区域 这个区域就叫耗尽层 2020 6 18 5 PN结型光电二极管的工作原理 光照射到
3、半导体的PN结上 若光子能量足够则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量 从价带越过禁带到达导带 在导带中出现光电子 在价带中出现光空穴 即产生光电子一空穴对 总起来又称光生载流子 光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下 在外电路中出现光电流 如图所示 从而在电阻R上有信号电压输出 这样 就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用 2020 6 18 6 5 2PIN光电二极管 PIN光电二极管的产生由于PN结耗尽层只有几微米 大部分入射光被中性区吸收 因而光电转换效率低 响应速度慢 为改善器件的特性 在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体 称为I层 Intrinsic 本征的 这
4、种结构便是常用的PIN光电二极管 2020 6 18 7 PIN光电二极管 PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型 N型半导体之间 加一层轻掺杂的N型材料 由于是轻掺杂 电子浓度很低 经扩散后形成一个很宽的耗尽层 这样可以提高其响应速度和转换效率 结构示意图下图所示 PIN光电二极管 2020 6 18 8 5 2PIN光电二极管 中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体 用I N 表示 两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体 用P 和N 表示 I层很厚 吸收系数很小 入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子 空穴对 因而大幅度提高了光电转换效率 两侧P 层和N 层很薄 吸收入射光的比例
5、很小 I层几乎占据整个耗尽层 因而光生电流中漂移分量占支配地位 从而大大提高了响应速度 2020 6 18 9 5 3雪崩型光电二极管 APD管 根据光电效应 当光入射到PN结时 光子被吸收而产生电子一空穴对 如果电压增加到使电场达到200kV cm以上 电子在高电场区获得足够能量而加速运动 高速运动的电子和晶格原子相碰撞 使晶格原子电离 产生新的电子 空穴对 新产生的二次电子再次和原子碰撞 如此多次碰撞 产生连锁反应 致使载流子雪崩式倍增 见图 所以这种器件就称为雪崩光电二极管 APD 2020 6 18 10 5 4光电二极管工作特性和参数 光电二极管的主要特性参数包括响应度 量子效率 响
6、应带宽 APD的倍增系数及噪声等 这里讨论响应度和量子效率 响应度 响应度表征了光电二极管的能量转换效率 其定义为 R I0 P0式中 P0为入射到光电二极管上的光功率 瓦特 I0为光电二极管在该入射光功率下产生的光电流 R的单位为A W 即每单位入射光功率产生的电流值 因而是很有用的参数 此式还表明检测器输出电流正比于输入光功率 2020 6 18 11 5 4光电二极管工作特性和参数 量子效率 光电二极管的量子效率 定义为 产生的电子数 入射光子数 re rp式中rp是光子注入率 每秒光子数 re是电子响应率 每秒电子数 决定量子效率的主要因素是制造光检测器的半导体材料的吸收系数 并非所有
7、注入的光子能被吸收去产生电子空穴对 所以吸收系数总是小于1的 量子效率常以百分数表示 如量子效率为75 就等于每百个光子产生75个电子 由于材料吸收系数随光波长而改变 所以量子效率也是波长的函数 提及它时 应表明它对应的波长 2020 6 18 12 下面导出响应度R和量子效率 之间的关系 已知 产生的电子数 入射光子数 re rp可以写成 I0 q P0 hf I0hf qP0 即R q hf q hc 1 24式中 波长 的单位取um 例如 当 0 85um 0 8时 则R 0 55A w 表明1mw的光功率入射到该光电二极管上 可以产生0 55mA的光电流 2020 6 18 13 R
8、q hf q hc 1 24上式还表明 光电二极管的响应度随入射光波长的增加而增大 但这种关系只有在光子能量大于半导体的带隙能前提下才成立 一旦光子能量小于带隙能量 则 0 光电检测器能工作的最大波长 即截止波长 c为 c hc Eg 2020 6 18 14 对APD特性新引入的参数是倍增因子倍增因子g 一次光生电流产生的平均增益的倍数 定义为 APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值 g Io IP 2020 6 18 15 解 R 1 24 0 581A WIp RPo 0 291uAG Io Ip 37 8倍增因子为37 8 例 某硅雪崩管在0 9um波长上量子效率为80 当入射功
9、率为0 5uw时 它输出电流有11uA 求此时该器件的倍增因子G 2020 6 18 16 后表列出半导体光电二极管 PIN和APD 的一般性能 APD是有增益的光电二极管 在光接收机灵敏度要求较高的场合 采用APD有利于延长系统的传输距离 灵敏度要求不高的场合 一般采用PIN 5 5光电二极管一般性能和应用 2020 6 18 17 PIN光电二极管一般特性 2020 6 18 18 雪崩光电二极管 APD 一般性能 2020 6 18 19 光接收机基本组成直接强度调制 直接检测方式的数字光接收机方框图示于下图 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
10、自动增益控制 AGC 电路 5 6光接收机 2020 6 18 20 100Mb s 125Mb s 156Mb s 270Mb s多模5公里传输收发一体光纤模块 分别应用于FastEthernet FDDI ATM和FiberChannel等 156Mb s 622Mb s单模中 长距离传输收发一体光纤模块 分别应用于SONETOC 3和OC 12 SDHSTM 4和STM 12 ATM主干网 ATM交换机 点对点链路等 1 25Gb s多模短距离传输收发一体光纤模块采用垂直面发光激光器和先进的封装技术 广泛应用于兆吉以太网 LAN交换机或中继器互连 高性能服务器的主适配器等 2020 6
11、18 21 光电元件组件激光二极管组件 插拔式或尾纤式波长1310nm或1550nm 发光二极管组件 插拔式或尾纤式波长1300nm 光电二极管组件 插拔式或尾纤式光接收放大器组件 插拔式或尾纤式光发射 接收模块光发射模块 插拔式或尾纤式155Mbps STM 1光发射模块光接收模块 插拔式或尾纤式155Mbps STM 1光接收模块光收 发一体模块 单模或多模155Mbps ATM OC 3 STM 1 FastEthernet 2020 6 18 22 NOYES可见光源 产品名称 可见光源型号 VFI1生产厂家 NOYES 罗意斯 产地 美国适用范围 邮电工程与维护CATV工程与维护综合
12、布线系统其它光纤工程 2020 6 18 23 技术指标 VFI1是一种使用简单方便的便携式仪表 它使用安全的激光器 可用来对光纤 光缆 接头和连接器进行肉眼可见的测试 在OTDR无法测试的盲区以及快速检查调整连接器和跳线端头时 当被测光纤有一断点时 肉眼即可直接定位故障 2020 6 18 24 技术指标 性能指标 光输出 670nm激光器功率1 0mW占空比50 的2kHz方波电源 9V叠层电池或交流电源连接器 FC型 其它型号可选 范围 5Km左右 2020 6 18 25 规格及操作环境 重量 454g体积 115 68 25mm操作温度 0 50 储存温度 20 50 电源 9V叠层
13、电池 约10小时 2020 6 18 26 解 hc E 1 32um波长应小于1 32umR 1 24P0 I0 R 3 6uw需3 6uw的光功率 例 一只量子效率 为65 的光电二极管 当入射其上的光子能量为1 5 10 19焦耳时 求 1 它在什么波长上运用 2 若要得到2 5uA的光电流 应入射多大的光功率 2020 6 18 27 思考题 1 计算一个波长为 1 m的光子能量 分别对1MHz和100MHz的无线电波做同样的计算 2 什么是粒子数反转分布 什么情况下能实现光放大 3 什么是激光器的阈值条件 4 由表达式E hc 说明为什么LED的FWHM功率谱宽在长波长中会变得更宽些 2020 6 18 28 5 一个GaAsPIN光电二极管平均每三个入射光子产生一个电子 空穴对 假设所有的电子都被收集 那么 1 试计算该器件的量子效率 2 当在0 8 m波段 接收功率是10 7W时 计算平均输出光电流 3 计算波长 当这个光电二极管超过此波长时将停止工作 即长波长截止点 c 2020 6 18 29 6 什么是雪崩增益效应 7 设PIN光电二极管的量子效率为80 计算在1 3 m和1 55 m波长时的响应度 说明为什么在1 55 m处光电二极管比较灵敏 2020 6 18 30
