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1、第 5 章 复习思考题参考答案5-1 光 探 测 器 的 作 用 和 原 理 是 什 么答：光探测器的作用是利用其光电效应把光信号转变为电信号。光探测器的原理是，假如入射光子的能量 超过禁带能量 Eg，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将h产生一个电子-空穴对，发生受激吸收，如图 5.1.1（a）所示。在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向 N 区漂移，空穴向 P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开 N 区进入正电极。从而在外电路形成光生电流 。当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光PI信号转变成电流
2、信号。5-2 简 述 半 导 体 的 光 电 效 应答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带） 上，就将其间的能量差（禁带能量） 以光cEvE vcgE的形式放出，如图 4.2.2 所示。这时发出的光，其波长基本上由能带差 所决定。图 4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收反之，如果把能量大于 的光照射到占据低能带 的电子上，则该电子吸收该能量hvvE后被激励而跃迁到较高的能带 上。在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于cE高能带 上的电子，使光能转变为电流，这就是光接收器件的工作原理。cE5-3 什 么 是 雪 崩 增 益 效
3、 应答：光生的电子-空穴对经过 APD 的高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子-空穴对，如图 5.2.4 所示。这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对，称为二次电子- 空穴对。新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。APD 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。图 5.2.4 APD 雪崩倍增原理图5-4 光 接 收 机 的 作 用 是 什 么答：光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并
4、放大、整形、再生成原输入信号。它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电探测器。5-5 光 纤 通 信 中 最 常 用 的 光 电 探 测 器 是 哪 几 种 ？ 比 较 它 们 的 优 缺 点答：光纤通信中最常用的光电探测器是 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管（APD） ，以及高速接收机用到的单向载流子光电探测器（UTC-PD） 、波导光电探测器（WG-PD）和行波光电探测器（TW-PD） 。PIN 光电二极管的响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度 W 所决定。增加 W 可使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越 W 的时间增加，响应速度变慢。雪崩光电二极管（APD）
5、利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以灵敏度高。因工作速度高，并能提供内部增益，已广泛应用于光通信系统中。在 PIN 光电二极管中，对光电流作出贡献的包括电子和空穴两种载流子，在耗尽层（吸收层）中的电子和空穴各自独立运动都会影响光响应，由于各自速度不同，电子很快掠过吸收层，而空穴则要停留很长时间，因而总的载流子迁移时间主要取决于空穴。另外，当输出电流或功率增大时，其响应速度和带宽会进一步下降，这是因为低迁移率的空穴在输运过程中形成堆积，产生空间电荷效益，进一步使电位分布发生变形，从而阻碍载流子从吸收层向外运动。而单行载流子光电探测器（UTC-PD） ，只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的
6、迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比 PIN 的小。波导型探测器（Waveguide PD，WG-PD）和行波型探测器（Traveling Wave PD，TW-PD）采用边耦合方式，光 行 进 方 向 与 载 流 子 的 渡 越 方 向 互 相 垂 直 ， 如 图 5.2.11（c）和（d）所示，吸收区长度沿光的行进方向，吸收效率提高了；而载流子渡越方向不变，渡越距离和所需时间不变，这样就很好地解决了吸收效率和电学带宽之间对吸收区厚度要求的矛盾。边耦合光电探测器比面入射探测器（PIN 和 APD）可以获得更高的 3 dB 响应带宽。价价 PIN(a) PIN-PD 价(c) WG-PD价
7、 价价价价 hPI N(b)PIN 价 L价=(d) TW-PD价PINV- V-价图 5.2.11 面入射光电探测器和边耦合光电探测器（WG-PD、TW-PD）的比较 5-6 PIN 和 APD 探 测 器 的 主 要 区 别 是 什 么答：雪崩光电二极管（APD）利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以灵敏度比PIN 高。5-7 单 行 载 流 子 光 电 探 测 器 （ UTC-PD） 为 什 么 能 够 在 高 速 系 统中 使 用答：因为 UTC-PD 结构使光生空穴不能扩散形成光生电流，只有电子能够形成光生电流，而 UTC-PD 结构又使电子在收集层中的迁移速度非常快，所以能够在高速
8、系统中使用。另外在收集层中减少的空间电荷与常规的 PIN 管相比，允许大的工作电流密度通过，这样就在取得高速响应的同时，实现了大的饱和电流输出。图 5.2.12 电子载流子光电探测器（UTC-PD）5-8 简 述 波 导 型 探 测 器 （ WG-PD） 和 行 波 型 探 测 器 （ TW-PD）的 工 作 原 理答： 在 WG-PD 中，光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子- 空穴对，实现了对光信号的探测。其次，WG-PD 的光吸收是沿波导方向进行的，其光吸收长度远大于传统型光电探测器。WG
9、-PD 的吸收长度是探测器波导的长度，一般可大于 10 m，而传统型探测器的吸收长度是 InGaAs 本征层的厚度，仅为 1 m。所以 WG-PD结构的内量子效率高于传统型结构 PD。但是，和面入射探测器相比，WD-PD 的光耦合面积非常小，导致光耦合效率较低，同时也增加了和光纤耦合的难度。为此，可采用分支波导结构增加光耦合面积，如图 5.2.11（a）所示。价价 价价 价价L价= L价= L价=n1n2n3PD价 价价Ln1n2n3价价价价 (价价)价价单 模 波 导 光 经 过 光 匹 配 层进 入 吸 收 层 (分 支 波 导 )PD(a) (VMP TW-PD)（ b）图 5.2.11
10、 增加光耦合面积的分支波导探测器行波探测器如图 5.2.11（b）所示，它的波导长度等于探测信号的波长。行波探测器是在波导探测器的基础上发展起来的，它的响应不受与有源面积有关的 RC 常数的限制，而主要由光的吸收系数、光的群速度和电的相速度不匹配决定。这种器件的长度远大于吸收长度，但它的带宽基本与器件长度无关，所以具有更大的响应带宽积。串行或并行光馈送的 TW-PD 可得到高速和大饱和光电流的器件，如图 5.2.16 所示。图 5.2.16 光串行馈送速度匹配周期分布式行波探测器（VMP TW-PD）5-9 数 字 光 接 收 机 主 要 由 哪 几 部 分 组 成答：数字光接收机的原理由三部
11、分组成，即由光电探测和前置放大器部分、主放大（线性信道）部分以及数据恢复部分组成。图 5.3.1 数字光接收机5-10 说 明 前 置 放 大 器 和 主 放 大 器 的 功 能 区 别答：接收机前端的光电探测器将微弱的光信号转换为电信号，紧随其后的低噪声前置放大器，放大光电二极管产生的微弱电信号，以供主放大器进一步放大和处理。线性放大器由主放大器、均衡滤波器和自动增益控制电路组成。自动增益控制电路的作用是在接收机平均入射光功率很大时把放大器的增益自动控制在固定的输出电平上。低通滤波器的作用是减小噪声，均衡整形电压脉冲，避免码间干扰。5-11 光 接 收 机 中 存 在 哪 些 噪 声答：光接
12、收机的两种基本噪声是散粒噪声和热噪声，另外还有激光器引起的强度噪声。5-12 通 常 数 字 光 接 收 机 要 求 BER 是 多 少答：通常数字光接收机要求 BER = 109。5-13 接 收 机 灵 敏 度 的 定 义 是 什 么答：接收机灵敏度定义为保证比特误码率为 时，要求的最小平均接收光功率（109） 。recP5-14 监 测 光 纤 通 信 系 统 性 能 好 坏 通 常 采 用 什 么 最 直 观 简 单 的 方 法答：在实验室观察码间干扰判断系统性能好坏的最直观、最简单的方法是眼图分析法。均衡滤波器输出的随机脉冲信号输入到示波器的 Y 轴，用时钟信号作为外触发信号，就可以观察到眼图。眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当输出端信噪比很大时，张开度主要受码间干扰的影响。因此，观察眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小，这给均衡电路的调整提供了简单而适用的观测手段。
