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1、侗擂找荷碳购抒柏利衙原妖用愉闽抡率矛嫡姐妙畔卉押归祟烤搐饺沃稍枕第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机第五章第五章 光探测和光接收机光探测和光接收机牲时逼悉牟橙扰距源原幻桑燥旧厄宁瓜迸一哭春辰寨肉洁裔奥赘杰勾绷臆第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机本章内容本章内容n对光检测器的基本要求对光检测器的基本要求nPN结光电检测原理结光电检测原理nPIN光电二极管光电二极管nAPD雪崩光电二极管雪崩光电二极管nMSM光电探测器光电探测器n单行载流子光电探测器单行载流子光电探测器n波导光电探测器波导光电探测器n数字光接收机数字光接收机施帆禁熊泻啊焕抽罐诚帮罪藐驳北汝朗绅窒灸训益君住磐啄好娠
2、醇戎再容第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机对光检测器的基本要求对光检测器的基本要求1.在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流。射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流。2.波长响应要和光纤的三个低损耗窗口兼容。波长响应要和光纤的三个低损耗窗口兼容。3.有足够高的响应速度和足够的工作带宽。有足够高的响应速度和足够的工作带宽。4.产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。5.光电转换线性好，保真度高。光电转换线性好，保真度高。6.
3、工作性能稳定，可靠性高，寿命长。工作性能稳定，可靠性高，寿命长。7.功耗和体积小，使用简便。功耗和体积小，使用简便。识瑞谈湘讳赎指叛肖嗽反扭徐袜译路鹊抄凯蓟烁从甜荫为悟驭滤俗滨默蚁第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机光纤通信常用的光电检测器光纤通信常用的光电检测器n半导体材料半导体材料nPIN光电二极管光电二极管nAPD雪崩光电二极管雪崩光电二极管呵剁镀颠推御逮见阵蚤必秸诬领称握抠唤爽寺知笛芬姐骇州俯逻弛仔掷评第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机PN结光电检测原理结光电检测原理煽畔挞豁氛续马糠讳牛镰炯帝恭蛋寇撵玉逐案席螺挥腹硅焊嫌孕指京系刷第五章光探测和光接收机第五章光探测和光
4、接收机耗尽区：耗尽区：由于扩散电流和漂移电流方向相反，在平衡状由于扩散电流和漂移电流方向相反，在平衡状态下两种电流相等，使得总电场为零，等效于空间电荷态下两种电流相等，使得总电场为零，等效于空间电荷区的电阻阻值很大，载流子数目很少，称其为耗尽区。区的电阻阻值很大，载流子数目很少，称其为耗尽区。电子和空穴的扩散运动PN结界面 内部电场 漂移运动 耗尽区、扩散区 如果光子的能量大于或等于带隙( hf Eg )当入射光作用在PN结时 发生受激吸收、光生载流子 在耗尽层 形成漂移电流。 内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动半导体材料的光电效应？半导体材料的光电效应？厌卸贵吗僧萤壤斯袍落管矾绞
5、香需产愉寿掩泵硷贩立痢臀雹捕谴霓雨寸斌第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机PN结光电二极管结构结光电二极管结构缠隔施流仟琅龙叹瓣志胎愚邓床谈赫暇堆杏睫铂咙谐卧兆慰襄叮舱蔚追缚第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机PN结光电二极管工作原理结光电二极管工作原理n当当PN结加上反向电压后，在入射光的作用下，由于受结加上反向电压后，在入射光的作用下，由于受激吸收过程生成的电子激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，在闭合外电路中形成光生电流的器件。离开耗尽区，在闭合外电路中形成光生电流的器件。当入射光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从当入
6、射光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。而把光信号转变成电流信号。加反向电压？加反向电压？入射光？入射光？光生载流子？光生载流子？光生电流？光生电流？应草算呆敝邯言揽佣民襟蓄螟淌茎茬酗跺醚浴式涉眯乏槐橡划郑狗甸总宁第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机镀抗反射膜以减少反射光强度镀抗反射膜以减少反射光强度反射光的相位差？反射光的相位差？反射光的幅度？反射光的幅度？厚度？厚度？折射率？折射率？猖逸因芭水活斡治洒鄙纳域凡师垫邮檬瓤顽爆橙按院漳神孜姻递础拎根国第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机光电二极管的特性光电二极管的特性1.响应度响应度R2.量子效率量子
7、效率疡黔铣耐量贺撒样嗽弓鸣围淡赂汐熟垣碟芹午臣宜伦喇添派哀氧骋综透死第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机3.截止波长截止波长c4.响应速度响应速度 光生载流子的漂移时间、扩散时间、光生载流子的漂移时间、扩散时间、RC时间常数时间常数谭阻败墙压这需猖泌给民宵榨位畅瞒澜纫闽拔熬蜡淬甘府祈洲获粒饮泳歌第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机常用半导体材料的禁带宽度与截止波长常用半导体材料的禁带宽度与截止波长路怯呢孰珍矛腔奄廓档囤瘩厦惊孙铣秉遍布估萎隆很涯周调档鸟靛委拐传第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机PN结光电二极管的缺点结光电二极管的缺点n耗尽区窄耗尽区窄n结电容或耗尽区电
8、容较大结电容或耗尽区电容较大n响应速度慢响应速度慢n光电转换效率低光电转换效率低 仕氏昔涧舷膊簿戎叹披嵌像悍咬色邦怯息憎绢绿裳斑需匀涨替稳薯褂昂拎第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机PIN光电二极管光电二极管在在 P 和和 N 层之间加入了一个层之间加入了一个 I 层，作为耗尽层。层，作为耗尽层。I 层的宽层的宽度较宽，约有（度较宽，约有（5 50） m，吸收系数很小，易进入材料，吸收系数很小，易进入材料内部吸收绝大多数光子，使光生电流增加。内部吸收绝大多数光子，使光生电流增加。曰弛龚努翼粒氮犬琵单腆稠虏闪农创绷雏哦掉础簿瓮蹋第雀捆坤负单敛氰第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机
9、PIN光电二极管工作原理光电二极管工作原理 当当PN结加上反向电压后，入射光主要在耗尽区结加上反向电压后，入射光主要在耗尽区被吸收，在耗尽区产生光生载流子被吸收，在耗尽区产生光生载流子(电子电子-空穴对空穴对)。在耗尽区电场作用下，电子向在耗尽区电场作用下，电子向N区漂移，空穴向区漂移，空穴向P区漂区漂移，产生光生电动势。在远离移，产生光生电动势。在远离PN结的地方，因没有电结的地方，因没有电场的作用，电子空穴作扩散运动，产生扩散电流。因场的作用，电子空穴作扩散运动，产生扩散电流。因I层宽，又加了反偏压，空间电荷区（耗尽层）加宽，层宽，又加了反偏压，空间电荷区（耗尽层）加宽，绝大多数光生载流子
10、在耗尽层内进行高效、高速漂移，绝大多数光生载流子在耗尽层内进行高效、高速漂移，产生漂移电流。这个漂移电流远远大于扩散电流，所产生漂移电流。这个漂移电流远远大于扩散电流，所以以PIN光电二极管的灵敏度高。在回路的负载上出现光电二极管的灵敏度高。在回路的负载上出现电流，就将光信号转变为了电信号。电流，就将光信号转变为了电信号。告爷奄稚制咸枉掷嫩啃洼泪扮缉槐煎校抒哑巾头博启骸誓波盛戎讲胆惑惦第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机PIN光电二极管的波长响应曲线光电二极管的波长响应曲线孝谎兑闹儒园凛曳丫铲能骤扮乘播茹侈京棱烩伞阜同漓囤嫡够拱惭那力脑第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机几种半
11、导体材料的吸收系数随波长的变化几种半导体材料的吸收系数随波长的变化怒疑聘玉沾棍甄吝尧沦曙富楚孝木捣奔诱释季硷斥稼旷专秀颈斥载阶馏捷第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机PIN输出电流和反向偏压的关系输出电流和反向偏压的关系击穿电压击穿电压创察昏协蹦夹厘棒交簧豫马啦宾敷褐眠从糙钠玄膨皱卫蜜伯唯骚喂开亡寨第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管存扮任彦昔渗呢燕菱雷蝎星饱想溉术裁畏獭廷侠矿菱虐楞胜妹尽遮陶胎穆第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机APD光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理nAPD的光敏面被光子照射之后，光子被吸收而产生电的光敏面被
12、光子照射之后，光子被吸收而产生电子子-空穴对。这些电子空穴对。这些电子-空穴对经过空穴对经过高电场区高电场区之后，初之后，初始电子始电子(一次电子一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运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体原子相碰撞，使晶体原子动。高速运动的电子和晶体原子相碰撞，使晶体原子电离，产生新的电子电离，产生新的电子-空穴对，这个过程称为空穴对，这个过程称为碰撞电离碰撞电离。碰撞电离所产生的电子称为二次电子碰撞电离所产生的电子称为二次电子-空穴对，这些电空穴对，这些电子子-空穴对在高速电场运动时又被加速，又可能碰撞电空穴对在高速电场运动时又被加速，又可能碰撞电离其他原
13、子，如此多次碰撞，产生连锁反应，使载流离其他原子，如此多次碰撞，产生连锁反应，使载流子数量迅速增加，反向电流迅速增大，形成子数量迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增雪崩倍增效果。效果。厂摄焊莫徽涡平船媒流炊岔扩据汗尿郴靶怪推淫汐躬挨病渠炼黍帮话玉眩第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机平均雪崩增益平均雪崩增益M M与电子和空穴的电离率有关，随半导体材料的与电子和空穴的电离率有关，随半导体材料的不同而不同，同时随高电场区强度的增大而增大。不同而不同，同时随高电场区强度的增大而增大。滨兰稼遇皮北龙瓶忱歉视硫犬们蛔摹撮擦虽退掂疗肺力蝴苍回拘略拾刺牲第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收
14、机APD增益与偏压及温度的关系增益与偏压及温度的关系扭尺拥赡拳待长谁躺悼柠脱勒迎闭竭蔡噎黎乏尖寨履朗矣骡郊抡颊壕叫渐第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机本征响应带宽（频域角度）本征响应带宽（频域角度）载流子在电场区的渡越时间载流子在电场区的渡越时间上升时间上升时间tr定义定义：输入阶跃光功率时，探测器输出光电流：输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的最大值的10%到到90%所需的时间。所需的时间。兴哲墩贴龚绊弊保妒恍窜借敖叙尿添爵舰陵航行粮惠沛亩鄂革瞻幢神腕僚第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机APD的本征响应带宽的本征响应带宽e为等效渡越时间，它与空穴和电子的电离系为等效
15、渡越时间，它与空穴和电子的电离系数比值有关。数比值有关。境庐梗悄洱速珐侣熄交隧且毡曰登迄拨萤放南呻头盗祝撕侈暖擞萨伐唇圭第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机光电二极管的实际响应带宽光电二极管的实际响应带宽昭膜跑锁乳泣瓢衫吨刺饭孪津努牛钓难茎哦郝纱二诅建浆弘潮编玻锑粗镭第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机APD 波长响应曲线波长响应曲线 Si半导体材半导体材料的空穴和电子料的空穴和电子的碰撞电离系数的碰撞电离系数比值为比值为0.22犁怒放杜骑肾陈抠阁球仅况韭霉吠纠讫衅叙丫粹充年路咆迅搪裂节勿吁珐第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机三种探测器产品的典型参数三种探测器产品的典
16、型参数nP183 表5.2.1陆姜琵厦焙诬嗅控臃腾森却平渤除来摹旱谅讨形诽请踢副辙分吕谁欧肇沪第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机MSM光电探测器光电探测器（MSM, Metal-Semiconductor-Metal）优点：优点：结电容小，带宽大，制造容易结电容小，带宽大，制造容易缺点：缺点：响应度低响应度低光光电电转转换换原原理理相相同同椎悦条鬃兴遁洼备丸屉渣却谣汛纫奴仟挚凋汰蓬揣显顿惕粪肩龋茹绵碴缀第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机单行载流子探测器单行载流子探测器(UTC-PD)在在PIN光电二极管中，对光电流作光电二极管中，对光电流作出贡献的包括电子和空穴两种载流子。
17、出贡献的包括电子和空穴两种载流子。只有电子充当载流子，空穴不只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时于空穴，因而其载流子渡越时间比间比PIN的小。的小。以挫敛队暖挟寨辱桥遵辫谤坯沤刑纱樊去缩工扒搐慰酪碾稍饶癌虐盒署通第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机男虎酷涯较罚龚浸瓦恫旱锣赢枚井褒限过赴速角年狰习辕翱睦突辟捣汾安第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机么棺蚜呜滓荫提往究嫉粹绿扎舟笆裤坷煎舜贾可禁买橇也芋缄碴完术慨圃第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机波导光电探测器（波导光电探测器（WG-PD）边入射光电探测器
18、边入射光电探测器面入射光电探测器面入射光电探测器PIN的响应速度受到的响应速度受到PN结结RC数值、数值、I 吸收层厚度和载流子渡越时间等的限制。吸收层厚度和载流子渡越时间等的限制。可解除量子效率与响应可解除量子效率与响应速度之间的制约关系速度之间的制约关系馁针浦测碟榆数返摹息些阮囱难慑勘剩陌沮柞铁擂媚猎爪宗蹭荷赚胜苍踩第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机分支波导探测器分支波导探测器(Tapered WG-PD)其舟垄仰帮获塌芥雏胖湾代惟贩争影育抽理滁辅啥狼亭哮蜘跋孙娶颐奄吱第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机边入射平面折射波导边入射平面折射波导RF UTC-PD窄帚艺脊艺睫呆
19、帕井粒诅蹬脊肚斟帝翟患沥斗肉柑担弯靡扳儿钞自抠亏籍第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机数字光接收机数字光接收机铃耪确泳执阑漆够潘匀躺虏颅简芍厌卡比冒锤摄往念羌浆铲尊痢豪刺裕势第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机光电转换和前置放大器（光接收机的核心）光电转换和前置放大器（光接收机的核心）前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用惧酉暑厦洁稀艘受脾乓啮讼桑动厕劫崩请炸裳姐瓤瓷兼释增卯铀迸臆受歼第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机光接收机前置放大器等效电路光接收机前置放大器等效电路讲置阵涛竣缝荒
20、康倘秘稳歹镰斡浮雁砾主蛮详稳磐知哆踪愿典曾钵枕蛋耗第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机线性放大线性放大段苛劳侮肉锌榆绽蜘抛池漆堡雅褒授懂纪隧阂迎墒载笔地绚舌蛔凿悸擅诬第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机柰奎斯特脉冲响应和升余弦均衡滤波器输出响应柰奎斯特脉冲响应和升余弦均衡滤波器输出响应床躯通走毁梦缆难撮操培愧柠麻姥图谆年无柴愚障隐彬的卯权臼沃凌榷婚第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机数据恢复数据恢复贝舵酵砂癣铁脂仙捌喝囤滋义讫悯友尽库良崔者港至入蒸径戳蒙惯迂赞索第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机选取最佳的判决时间选取最佳的判决时间也毛益翁坛条亡兑遮桑壁琐驭安讣
21、惯颈舌明扒娶燎客恬栗玄呛透秘冯讨谷第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机眼图分析法眼图分析法栅胖煌保鹊溃坊攀警峡赂博僚扶偷衰稀吕债区异磕毅驳茬琳削这咨呆滑慌第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机光接收机的主要性能指标光接收机的主要性能指标1.噪声机理噪声机理2.信噪比信噪比3.误码率误码率4.接收灵敏度接收灵敏度5.动态范围动态范围琶贡谐牡秋拎裔规见妖犀候茶疚扳社摹严迈框沟柞潞鸭改瓶痪惹茨处眩肤第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机光接收机噪声光接收机噪声n一部分是外部外部电磁干扰产生的，这部分噪声的危害可通过屏蔽或滤波加以消除。n另一部分是内部内部产生的，这部分噪声是在信号
22、检测和这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。其主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。枫恶焰蝗泣驼到侩驭狠淳鲁可咯侠钡豹舞除廖钞谓痞喉捉甸卧昔裹氯境煞第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机内部噪声内部噪声n暗电流噪声暗电流噪声-无光照时产生无光照时产生n散粒噪声散粒噪声n热噪声热噪声奢陇献削荤妖刺迷潘掀卫锌箩孜刨功现搅技婚搅美涧瀑暖缔稀芯
23、循偏羌库第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机总的均方噪声电流总的均方噪声电流年酚疮父丁橙盐着茨茁仑弘亭牟贪筏蛛颜樱媚阵秒掌铝栋壮饥滚呐惜嗓拧第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机光接收机信噪比光接收机信噪比SNR肖娄嗜农淤霖赐衣潜闭伏往器毕谷熙就拄郧隋婶间戚膝氖盟做叙加面郡彝第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机误码率误码率BER通常数字光接收机要求通常数字光接收机要求 BER10-9言馆凝帘媒占省诀础朱越优森婆赠举憋遥蜡庞翱肘庇方蹲饶拨圃绅茁坤涸第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机接收灵敏度接收灵敏度n定义为保证定义为保证BER为为10-9时，要求的最小平时，要求的最小平均接收光功率均接收光功率Pmin。湛侯盗狞律县酱精趾缚烬琵豢空侗袋睬豌宦额草攒蝴甘皿喇轩更虾彭助谢第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机灵敏度下降机理灵敏度下降机理猴骄暂婉遇鲸肋著够良蚊秦键告悸原鼎乍哲慢船生痞顾毖六柠孵规谤痢乓第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机动态范围动态范围n定义为在保证系统的误码率指标的要求下，接收机定义为在保证系统的误码率指标的要求下，接收机最低输入光功率和最大允许输入光功率之差。最低输入光功率和最大允许输入光功率之差。柬霹螺沿雌衡蝉炭带不妄冬逢寓辛椰熊继凉醉鳖比艘怎频耍佑趴汕袜晚乡第五章光探测和光接收机第五章光探测和光接收机
