《光纤通信结课论文-光电检测器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信结课论文-光电检测器（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光纤通信结课论文题目： 光电检测器学院： xxxxxxxxxxx学院专业班级： xxxxxxxxxxx一班任课教师： xxxxxxxxxxxxxxxx姓名： xxxx xxxxxx学号： xxxxxxxxxxxxxxxx日期： 2009年6月光 电 检 测 器摘要光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达
2、到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。关键词 光电二极管 雪崩光电二极管 光电检测 光电效应 信噪比正文 一、概述 光信号经过光纤传输到达接收端后，在接收端有一个接收光信号的元件。但是由于目前我们对光的认识还没有达到对电的认识的程度，所以我们并不能通过对光信号的直接还原而获得原来的信号。在他们之间还存在着一个将光信号转变成电信号，然后再由电子线路进行放大的过程，最后再还
3、原成原来的信号。这一接收转换元件称作光检测器，或者光电检测器，简称检测器，又叫光电检波器或者光电二极管。常见的光检测器包括：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。光检测器的要求：（1） 灵敏度高：灵敏度高表示检测器把光功率转变为电流的效率高。在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1nw左右。为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。（2） 响应速度快：指射入光信号后，马上就有电信号输出；光信号一停，电信号也停止输出，不要延迟。这样才能重现入射信号。实际上电信号完全不延迟是不可能的，但是应该限制在一个范围之内。随着光纤通信系统的传输速率的不断提高，超高
4、速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。（3） 噪声小：为了提高光纤传输系统的性能，要求系统的各个组成部分的噪声要求足够小。但是对于光电检测器要求特别严格，因为它是在极其微弱的信号条件下工作，又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信号噪声比降低，影响重现原来的信号。（4） 稳定可靠：要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响，以提高系统的稳定性和可靠性。光电检测电路的基本构成光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预
5、处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。其光电检测模块的组成框图如图所示。二、总体应用设计1 光电二极管的工作模式与等效模型11 光电二极管的工作模式光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流1。而在零偏置时则没有暗电
6、流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计。一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。 12 光电二极管的等效电路模型工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图3所示，它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。图中，IL为二极管的漏电流；ISC
7、为二极管的电流；RPD为寄生电阻；CPD为光电二极管的寄生电容；ePD为噪声源；Rs为串联电阻。 由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降，故为零偏置。在这种方式中，影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD，它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。CPD是由光电二极管的P型和N型材料间的耗尽层宽度产生的。耗尽层越窄，结电容的值越大。相反，较宽的耗尽层(如PIN光电二极管)会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约在20或25pF到几千pF以上。而光电二极管的寄生电阻RPD(也称作分流电阻或暗电阻)，则与光电二极管的偏置有关。与光伏电压方式相反，光导方式中的光电二极管则有一个
8、反向偏置电压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器件时，耗尽层的宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容CPD的值。寄生电容值的减小有利于高速工作，然而，线性度和失调误差尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流IL和线性误差。2 电路设计 21 主放大器设计众多需要检浏的微弱光信号通常都是通过各种传感器来进行非电量的转换，从而使检测对象转变为电量(电流或电压)。由于所测对象本身为微弱量，同时受各种不同传感器灵敏度的限制，因而所得到的电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。本设计中的光电二极管前置放大电路主要起到电流转电压的作用，但后续电路一般为AD转换电路，所需电压幅值一般为2
9、V。然而，即使是这样，而输出的电压信号一般还需要继续放大几百倍，因此还需应用主放大电路。其典型放大电路如图4所示。该主放大器的放大倍数为A=lR2/R3，其中R2为反馈电阻。为了后续电路的正常工作，设计时需要设定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的输出电压。即有22滤波器设计 为使电路设计简洁并具有良好的信噪比,设计时还需要用带通滤波器对信号进行处理。为保证测量的精确性，本设计在前置放大电路之后加人二阶带通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引人的噪声。这里采用的有源带通滤波器可选通某一频段内的信号，而抑制该频段以外的信号。该滤波器的幅频特性如图5所示。图5中，
10、f1、f2分别为上下限截止频率，f0为中心频率，其频带宽度为：B=f2-f1=f0/Q式中，Q为品质因数，Q值越大，则随着频率的变化，增益衰减越快。这是因为中心频率一定时，Q值越大，所通过的频带越窄，滤波器的选择性好。有源滤波器是一种含有半导体三极管、集成运算放大器等有源器件的滤波电路。这种滤波器相对于无源滤波器的特点是体积小、重量轻、价格低、结构牢固、可以集成。由于运算放大器具有输人阻抗高、输出阻抗低、高的开环增益和良好的稳定性，且构成简单而且性能优良。本设计选用了去处放大器来进行设计。 本设计选用了去处放大器来进行设计。图6所示的二阶带通滤波器是一种二阶压控电压源(VCVS)带通滤波器，其
11、滤波电路采用有源滤波器完成，并由二阶压控电压源(VCVS)低通滤波器和二阶压控电压源高通滤波器串接组成带通滤波器。对于第一部分，即低通滤波器，系统要求的低通截止频率为fc，其传递函数为：第二部分为高通滤波器，系统要求的高通截止频率为fc，其传递函数如下：3 完整的检测电路设计 本光电检测系统设计的完整电路如图7所示。为方便表示，电路中的R2、R3即为前面等效电路模型中的RT、RF。前级部分由光电转换二极管与前级放大器组成，这也是光电检测电路的核心部分，其器件选用高性能低噪声运算放大器来实现电路匹配并将光电流转换成电压信号，以实现数倍的放大。然而，虽然前级放大倍数可以设计得很大，但由于反馈电阻会
12、引入热噪声而限制电路的信噪比，因此前级信号不能无限放大。三、器件工作原理及技术参数 （1）PN结的光电效应光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，如下图。由光电二极管作成的光检测器的核心是PN结的光电效应。 当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子空穴对。 在耗尽区，在内建电场的作用下电子向N区漂移，空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线
13、性变化，从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足： c为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波长。 以Si为材料的光电二极管,c=1.06m；以Ge为材料的光电二极管，c=1.60m。 利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。但这种光电二极管结构简单，无法降低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。 （2）PIN光电二极管 1）PIN光电二极管的结构 PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成
14、很宽的耗尽层。结构如图1所示。 由于I层吸收系数很小，入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子空穴对，因此大幅度提高了光电转换效率。另外，I层两侧的P层、N层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。 检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。 首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。 其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。 SiPIN光电二极管的波长响应范围为0.51m。GePIN和InGaAsPIN光电二极管的波长响应范围约为11.7m。 2）响应度 响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参
15、量。它定义为： 其中，P0为入射到光电二极管上的光功率；Ip为所产生的光电流。它的单位为A/W。 3）量子效率 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即： =(光电转换产生的有效电子-空穴对数)/入射光子数 其中,e为电子电荷，其值为1.610-19 C。所以有： 式中,单位取m。可见，光电检测器的响应度随波长的增大而增大。 图2为PIN光电二极管的响应度、量子效率与波长的关系。可以看出，响应度、量子效率随着波长的变化而变化。为提高量子效率，必须减少入射表面的反射率，使入射光子尽可能多地进入PN结；同时减少光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区内被充分吸收。 4）响应速度 响应速度是光电检测器的另一个重要参数，通常用响应时间（上升时间和下降时间），如图3来表示 图3 光检测器的脉冲响应 光电二极管在接收机中使用时通常由偏置电路与放大器相连，这样检测器的响应特性必然与外电路相关。 图4为检测器电路及其等效电路，其中CPN为检测器的结电容； Rb为偏置电阻；Ra、Ca分别为放大器的输入电阻和
