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1、第四讲(2),光电检测器Optoelectronic detector,2020/9/15,2,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 ,2020/9/15,3,5.1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 optoelectronic effect 由于吸收光子能量引起的材料电特
2、性的改变。在材料中释放电子和其它电荷载流子的现象。 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。,2020/9/15,4,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
3、/9/15,5,PN结型光电二极管的工作原理,光照射到半导体的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。,2020/9/15,6,5.2 PIN 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
4、层掺杂浓度很低的本征半导体，称为I层(Intrinsic， 本征的)，这种结构便是常用的PIN光电二极管,2020/9/15,7,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,2020/9/15,8,5.2 PIN 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(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
5、 - 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。,2020/9/15,9,5.3 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 200 kVcm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）。,20
6、20/9/15,10,5.4 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 AW,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。,2020/9/15,11,5.4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
7、 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。,2020/9/15,12,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)= (I0 hf)/(qP0 ) 即 R= *(q/ hf) = *(q/ h
8、c) /1.24 式中，波长 的单位取um。 例如：当 =0.85 um ， 0.8 时，则 R0.55A/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。,2020/9/15,13,R= *(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,2020/9/15,14,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：
9、APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。 g = Io / IP,2020/9/15,15,解: R= /1.24 =0.581A/W Ip = RPo =0.291uA G= 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。,2020/9/15,16,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
10、和应用,2020/9/15,17,PIN光电二极管一般特性,2020/9/15,18,雪崩光电二极管（APD）一般性能,2020/9/15,19,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、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。,5.6光接收机,2020/9/15,20, 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Fast Ethernet、FDDI、ATM和Fiber Channel 等。 156Mb/s、622Mb/s单模中、
11、长距离传输收发一体光纤模块， 分别应用于SONET OC-3和OC-12、SDH STM-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,2020/9/15,21,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
12、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,Fast Ethernet,2020/9/15,22,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 综合布线系统 其它光纤工程,2020/9/15,23,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
13、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。,2020/9/15,24,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: 5 Km左右,2020/9/15,25,规格及操作环境,重量: 454g 体积: 1156825mm 操作温度: 0 - +50 储存温度: -20 - +50 电 源: 9V叠层电池 (约10小时),2020/9/15,26,解: =hc/E=1.32um 波长应小于1.32um R= /1.24 P0=I0/R=3.6uw 需3.6u
14、w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?,2020/9/15,27,思考题,1. 计算一个波长为=1 m的光子能量， 分别对1 MHz和100 MHz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。,2020/9/15,28,5. 一个GaAs PIN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10-7 W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。,2020/9/15,29,6. 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。,2020/9/15,30,
