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1、第 四 章,光二極體及光信號接收器,光二極體及光信號接收器,4-1 光二極體 4-2 雜訊 4-3 信號雜訊比值 4-4 誤碼率 4-5 同調偵測方式 4-6 外差偵測的信號雜訊比值 4-7 外差偵測接收器 4-8 其它的雜訊現象 4-9 接收電器設計,光二極體及光信號接收器,光信號接收器在光纖通信系統中是個重要部份，它常決定系統的可靠性、可行性。它的功能是將光信號轉換成電信號，並達到系統的某些要求，諸如：信號雜訊比、誤碼率。典型的類比及數位光接收器請看圖4.1及圖4.2 ，可看出兩種光接收器都是由光信號經過光二極體偵測接收，此偵測信號被放大器放大，而放大器由低雜訊的前置放大器與後置放大器組成
2、。,頻譜響應,定義在某特定波長，單位波長區間的響應度，看圖4.4，為Si與InGaAs的頻譜響應曲線圖。,光二極體:PN接面光二極體,光二極體是逆向偏壓，此一偏壓在空乏區兩端出現高電場，可以收集由光激發所產生的電荷，此形成光電流，光二極體空乏區內或其附近所產生的電荷，必須經過空乏區至另一側才能形成光電流，因為這些電荷形成的電流是少數載體所構成，如果光二極體是順向偏壓，則多數載體形成的主要電流必遠大於少數載體電流，此時，由光入射所產生的光電流顯得微不足道，入射光強度與光二極體電流之間也沒有明顯的正比關係出現。圖4.5即為光二極體在不同光功率入射之下的電流電壓特性曲線,光二極體:PIN型光二極體,
3、PIN光二極體是最常用的一種光二極體，因為調整空間電荷區的寬度，可以得到最佳的量子效率及頻率響應；圖4.6(a)是一種典型的PIN光二極體，本質區是由摻雜質比較少的P型半導體構成，它的性質與本質半導體很相近，圖4.6(b)是逆偏壓能階圖，只有在本質區內及其附近產生的光電子電洞，才會形成電流。,光二極體:PIN型光二極體,圖4.7是 光二極體的摻雜質濃度 、空乏區電荷密度、及電場強度的對應圖，NA代表受體雜質濃度，ND代表施體雜質濃度；本質區寬度比 與 層的寬度大許多，所以光子大部分在本質區被吸收產生光電子電洞對，量子效率高；且本質區電場強度很大，因而電子電洞穿越本質區的時間很短，所以頻率的反應
4、速率很快，也就因此PIN光二極體適合在通信上使用。,光二極體:PIN型光二極體,由圖4.8(b)中，得之光二極體電流在-15A時，照光功率為30W ，所以這個PIN光二極體的響應度為0.5A/W ，可得到負載方程式VB + Vd + Id RL=0 ，可得到負載方程式於圖4.8(b)上面，當光照射在PIN光二極體的功率大於45W時，接收器即進入飽和區裝態，大於此功率的光信號不再與產生的光電流成線性正比關係。,光二極體:PIN型光二極體,圖4.9為光通信用PIN光二極體結構，圖(a)為背面照光平臺式及圖(b)正面照光平面式；被面照光結構使得光感測區域沒有被金屬電極遮蔽，因此光二極體可以做的比較小
5、面積，結果電容值比較小，且暗電流值低。平臺式結構有其缺點，一為比平面是結構難製造，另一為平臺式結構pn接面側面與外界空氣接觸，易受到污染及大氣影響使其功能退化，所以穩定度和信賴度較差，但因背面照光結構，電容值和暗電流比較小。,光二極體:PIN型光二極體,圖4.10為背面照光平臺式PIN光二極體的響應度及量子效率與波長對應圖，短波長的截止是因為InP基座的吸收，而長波長的截止式InGaAs能隙造成的；而商業上成品是有抗反射層鍍膜，使得量子小率由70%提升到90%。,光二極體:蕭特基光二極體,圖4.11(a)是蕭特基光二極體的結構圖，在(1)區與(2) 區之間有一個位能障璧 ，限制了電子流流通，而
6、電洞流無此限制，所以金屬與半導體接面不僅有二極體整流作用，且它是單極性的導通，所以頻率反應速率很快，因為位能障璧的存在，電子由圖4.11(b)中的(1)區到(2)區很困難，當光子入射蕭特基二極體，被(1)、(2)及(3)區吸收時，(2)、(3)區產生的光電子電洞對會被逆偏壓作用形成光電流，(1)區形成的光電子對光電流無任何幫助。所以要設計高效率的光二極體，金屬層要薄，使得金屬吸收光子少，大部分都被半導體吸收，提高光吸收比率，可在金屬外面鍍上抗反射層。,光二極體:累崩光二極體,累崩光二極體，它可以另外提供內部增益，以增加響應度，也因此累崩型光二極體的靈敏度要比PIN光二極體高了許多。發生累增崩潰
7、的過程敘述如下：空乏區內有很強的電場存在，使得載子得以迅速加速，動能增大，當動能大到某一程度以上時，撞擊到中性原子，游離原子，產生新的電子電洞對，這個電子電洞又經加速，去撞擊原子，產生累增加倍的結果，與分別為電子與電洞行走單位距離衝擊游離多少個載子的機率，看圖4.12(a) ，說明了0到W之間有一強電場存在；(b)圖說明了若此材質屬=0的累崩過程，可知電洞不會游離原子產生電子電洞對；(c)圖說明了=的累崩情形。,矽累崩光二極體,它的結構是 ，入射光由 層進入層被吸收，產生光電子電洞對，因逆偏壓存在，使得光電子直射p層，在這一層是有很強電場存在的空乏區，使得光電子在此層產生累崩倍增的效果，光信號
8、因此得到增益放大效應。注意 層必須很薄，才能使光大部分透過層；而層必須很厚，才能吸收大部分光子，提高量子效率，但也因此降低了響應速度。,鍺累崩光二極體,為了在長波長有更高的量子效率及更快響應速度，矽以不符需要，改用鍺取代之，矽材料的衝擊游離係數值比值大約50倍，所以光吸收區產生光電子電洞對，結構設計使得電子入射累崩層，看圖4.14 ，而不用電洞入射p層，這是因為電子入射，才能產生較大的增益及較低的過剩雜訊；但鍺材料的係數值大於值，所以必須設計幾何結構，使得累崩區由電洞入射產生累崩倍增的增益及低過剩雜訊。,分離吸收累崩光二極體,長波長的光，以矽材質的光偵測器來收受光信號並不恰當，因為量子效率低及
9、長的響應時間在此長波長，而InGaAs或GaInAsP材料比較適當，但是InGaAs及GaInAsP的能隙比較低，形成pn接面形式的光二極體，有很大的穿透電流，造成大的暗電流，為了降低暗電流，設計出分離吸收累崩光二極體的幾何結構，看圖4.15。,分離吸收累崩光二極體,入射光子被InGaAs層吸收，產生電子電洞對，因為逆偏壓，電洞入射n-InP層，在這一層電洞產生累崩倍增效應，看圖4.16 ，電洞由n-InGaAs入射n-InP ，必須越過穿透過交界處的位能障璧，而InGaAs與n-InP這兩層的厚度與摻雜值濃度必須控制恰當，使得外界逆向偏壓加入時，InGaAs層電場不能太強，才不致於產生穿透效
10、應，但也不能太弱，才能有好的量子效率，而n-InP這一層電場必須很強，才能產生累崩效應。,超晶格光二極體,看圖4.17 ，它是有多層異質結構，這將造成游離係數比值/1；這是因為能帶的不連續性產生的結果；摻雜值低的AlxGa1-xAs層厚度為55nm ，GaAs層厚度約45nm ，互相重疊成多層結構，在逆向偏壓之下，能帶圖改變，使得導電帶的不連續電位差Ec提高到0.48eV ，價電帶的不連續電位差Ev降低到0.08eV ，這使得電子降落到導電帶步階時，產生很大洞能，所以 ，過剩雜訊值大大的降低。,步階式光二極體,當低摻雜值得AlxGa1-xAs材料，組成線性的變化，也就是說x值由1值慢慢降到0.
11、55值，將產生能隙由小到大的連續變化，如圖(a)所示，在逆向加壓之下，形成步階狀，如圖(b) ，因導電帶Ec值很大，將造成電子在由一台階降至另一台階，獲得很大動能，但價電帶的Ec值很小，電洞所得到動能也小，因此衝擊游離係數值遠大於 ，所以過剩雜訊很低，約等於1。,雜訊:熱雜訊,熱雜訊主要是來自負載電阻的熱雜訊；即使在理想狀況，無光子入射光二極體且暗電流為零，能有一電流在負載電阻上流通，而它的平均電流為零；這是由於電阻內的自由電子並非靜止不動的，因為自由電子在絕對溫度0K以上時含有動能，運動方向是隨機的，無特定方向，但平均電流值等於0 ，看圖4.19。,雜訊:熱雜訊,瞬時熱雜訊功率值為 ，平均功
12、率值則等於 ；iNT符號是熱雜訊電流，而 幅代表熱雜訊電流的均方根值，看圖4.20。,雜訊:熱雜訊,當射入光接收器的光功率值大小比熱雜訊功率值大時，雜訊將被蓋掉，則熱雜訊的存在可用圖4.21的等效電路來模擬，此圖中的負載電阻是個理想的無雜訊電阻，而雜訊可完全由電流源來取代。,雜訊:射擊雜訊,射擊雜訊又稱之為量子雜訊，是由於電荷的不連續性所引起的，電荷是自由電子所構成的，當電流再流通時，就是自由電子在流動，自由電子受電場吸力，由靜止到速度直線加快直到碰撞到原子或離子，速度減到零，每個電子的發生便提供了單獨的脈衝電流h(t) ，看圖4.22(a) ，而電流就是由這些無數量的光入射光接收器時，產生的
13、電流eP/hf ，電路上所得到的電流是由此平均電流eP/hf加上射擊雜訊電流iNS ，看圖4.22(c)。,雜訊:射擊雜訊,射擊雜訊的存在可用圖4.23的等效電路來模擬，而圖中的電流源來取代電路的射擊雜訊，電路成為理想的無射擊雜訊存在，射擊雜訊並非與頻帶的位置有關，而只是與系統的頻寬和光信號電流有關，當光信號功率增加時，射擊雜訊亦隨著增加。,信號雜訊比值,圖4.24是接面型光二極體的等效電路，在光二極體的接面空乏區電阻值Rd非常，大約10M，所以比負載電阻大許多，可忽略掉，而光二極體的型與型區域電阻值非常小，約 ，也可忽略；空乏區接面電容很小，只有幾個值大小，設定它對系統影響不大，它對雜訊的影
14、響則可藉由接收電路的頻寬去考慮，固可省略。,信號雜訊比值,圖4.25是將雜訊現象考慮進去的光二極體等效電路，在不同的情況下，皆可以用這個電路去計算信號品質SNR比值，以下將就固定光功率與調變光功率光源的SNR信號品質計算。,信號雜訊比值:光功率固定的輸入,看圖4.26 ，這是一個單頻道FM視訊傳輸系統的例子，波長1.3m ，頻寬40MHz ，熱雜訊限制系統對光信號功率的變化比較敏感，可由圖4.26中印證，熱雜訊限制系統的斜率比射擊雜訊限制系統的斜率大。為了提高信號雜訊比值，使接收信號有更好品質，除了提高光信號功率之外，也可以提高負載電阻之阻值RL ，但接收電路的頻寬和動態範圍勢必會降低，所以也
15、可使用有內部增益效應的光二極體。,信號雜訊比值:光功率固定的輸入,因為過剩雜訊存在於累崩二極體內，降低了通信品質SNR值，而APD增益值M可由改變APD的外接逆向偏壓值來調變，增益值M由小變大時，SNR值逐漸增大，但M值太大時，信號品質SNR值反而會下降，所以有一最適合的增益值Mopt ，可達到最高的通信品質，看圖4.27。,信號雜訊比值:光功率固定的輸入,圖4.28是三種APD的靈敏度，即感應光信號所需的最低能量，Si APD在光波長0.85m ，Ge APD與InGaAs在1.3m光波長時，三種累崩二極體串接在轉換阻抗式放大器，可以看出，有一適當的APD增益值，使得可偵測出光信號的功率值最
16、低，此值有最高的靈敏度，可得到最好的信號品質。Si有較低的過剩雜訊，所以再長波長時，常使用PIN光二極體串接低雜訊前置放大器來取代Ge或InGaAs APD二極體。,誤碼率:受限於熱雜訊情形的誤碼率,當使用PIN光二極體接收電路做直接檢測時，可用圖4.29來對應得到Pe值。必須注意只能使用於熱雜訊限制的情形，它並不適用於射擊雜訊限制的情況。當S/N比值越大時，增加光信號功率值，將使得系統的誤碼機率下降的越快。,同調偵測方式:同調光纖通信系統,各種調變方式可搭配不同的偵測方式，其各種組合的比較，如圖4.30所示，它是以收信靈敏度作為比較指標，由圖中可見，ASK同調光纖通信系統比傳統的直接強度調變系統改善了收信靈敏度1020dB ，FSK比ASK同調方式改善3dB收信靈敏度，PSK比FSK又改善了3dB ，而同頻偵測比外差偵測方式好，靈敏度增加了3dB。,同調偵測原理:外差偵測方式,外差偵測屬於同調偵測的一種，它須要特性良好的本地振盪光源，產生本地振盪光束與輸入光信號在光耦合器內混合，此混合的信號在進入光偵測器，看圖4.31。注意雷射光束
