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1、第四章第四章第四章第四章 光检测器与光接收机光检测器与光接收机光检测器与光接收机光检测器与光接收机(1)(1) 光接收机的作用与组成光接收机的作用与组成光接收机的作用与组成光接收机的作用与组成 APD APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管 PINPIN光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管 光电检测原理光电检测原理光电检测原理光电检测原理本节内容本节内容光检测器作用光检测器作用光检测器的作用是：检测出入射在其上的光功率，并把这个光功率的变化转换成为相应变化的电流。光检测器件质量的优劣在很大程度上决定了光接收机灵敏灵敏度度的高低。从损耗的角度出发，光接从损耗的角度出发
2、，光接收机灵敏度和光源器件的收机灵敏度和光源器件的发光功率、光纤的损耗三发光功率、光纤的损耗三者一起便决定了光纤通信者一起便决定了光纤通信的传输距离。的传输距离。光纤通信对光检测器的要求光纤通信对光检测器的要求v响应度(量子效率)高;响应度是指输入单位光功率信号时光检测器所响应度是指输入单位光功率信号时光检测器所产生的电流值。因为从光纤传输来的光信号十产生的电流值。因为从光纤传输来的光信号十分微弱，仅有毫微瓦（分微弱，仅有毫微瓦（nw）数量级，要想从中）数量级，要想从中检测出通信信息，光检测器必须具有很高的响检测出通信信息，光检测器必须具有很高的响应度，即必须具有很高的光应度，即必须具有很高的
3、光/电转换效率电转换效率。 v噪声低 ;光检测器在工作时会产生一些附加噪声如暗电光检测器在工作时会产生一些附加噪声如暗电流噪声、雪崩噪声等。这些噪声如果很大，就流噪声、雪崩噪声等。这些噪声如果很大，就会附加在只有毫微瓦数量级的微弱光信号上，会附加在只有毫微瓦数量级的微弱光信号上，降低了光接收机的灵敏度。降低了光接收机的灵敏度。 v工作电压低 ;与光源器件不同，光检测器是工作在反向偏置与光源器件不同，光检测器是工作在反向偏置状态。有一类光检测器件状态。有一类光检测器件APD，必须处在接近，必须处在接近反向击穿状态才能很好的工作，因此需要较高反向击穿状态才能很好的工作，因此需要较高的工作电压（的工
4、作电压（100伏以上）。工作电压过高伏以上）。工作电压过高,会给会给使用带来不便。使用带来不便。 v体积小、重量轻、寿命长 。由于光检测器的光敏面（接收光的面积）一般由于光检测器的光敏面（接收光的面积）一般都可以做到大于光纤的纤芯，所以从光纤传输都可以做到大于光纤的纤芯，所以从光纤传输来的光信号基本上可以全部被光检测器件接收，来的光信号基本上可以全部被光检测器件接收，故不存在与光纤的耦合效率问题。故不存在与光纤的耦合效率问题。 不同材料的吸收系数不同材料的吸收系数光检测器种类光检测器种类PIN光电二极管光电二极管1APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管2PIN光电二极管光电二极管v 结构结构v 工
5、作原理工作原理v 性能参数性能参数v 特点及应用特点及应用雪崩光电二极管雪崩光电二极管APDv 结构结构v 工作原理工作原理v 性能参数性能参数v 特点及应用特点及应用光检测器的比较（光检测器的比较（1）参数参数符号符号单位单位SiGeInGaAs波长范围波长范围 nm4001100800165011001700响应度响应度RA/W0.40.60.40.50.750.95暗电流暗电流IDnA110505000.52.0上升时间上升时间 rns0.51.00.10.50.050.5带宽带宽BGHz0.30.70.53.01.02.0偏置电压偏置电压VBV55105SiSi、GeGe、InGaAs
6、 InGaAs pinpin光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数光检测器的比较（光检测器的比较（2）参数参数符号符号单位单位SiGeInGaAs波长范围波长范围 nm4001100800165011001700雪崩增益雪崩增益M20400502001040暗电流暗电流IDnA0.11505001050M=10上升时间上升时间 rns0.120.50.80.10.5增益带宽增益带宽积积MBGHz10040021020250偏置电压偏置电压VBV15040020402030SiSi、GeGe、InGaAs InGaAs 雪
7、崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数光检测器的比较（光检测器的比较（3）v在短距离的应用中，工作在在短距离的应用中，工作在850nm的的Si器件对于大器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。多数链路是个相对比较廉价的解决方案。v在长距离的链路常常需要工作在在长距离的链路常常需要工作在1330nm和和1550nm窗口，所以常用基于窗口，所以常用基于InGaAs的器件。的器件。vAPD检测器与检测器与PIN检测器相比，具有载流子倍增效检测器相比，具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电
8、压应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。v 光检测器的作用与要求光检测器的作用与要求v 两种典型的光检测器两种典型的光检测器G PIN光电二极管光电二极管 A 雪崩光电二极管雪崩光电二极管APD v 光接收机光接收机 小结小结v 光电检测过程的基本机制是光吸光电检测过程的基本机制是光吸收。收。v 探测器探测器 响应的波长取决于它们的响应的波长取决于它们的成分。成分。v 雪崩光电二极管是具有内置放大雪崩光电二极管是具有内置放大器的高速探测器。器的高速探测器。PIN的结构PIN光电二极管的特性v 响应度响应度R；
9、v响应时间响应时间；v结电容结电容；v暗电流。暗电流。响应度响应度R（量子效率）量子效率） 入射光功率Pin中含有大量光子，能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比称为量子效率 。Ip=RPinR=Ip/Pin =/1.24 (A/W) PIN光电二极管的响应时间主要是光电二极管的响应时间主要是由光生载流子在耗尽层的渡越时间和包括由光生载流子在耗尽层的渡越时间和包括PIN光电二极管的结电容光电二极管的结电容Cd在内的检测电在内的检测电路的路的RC常数所决定的。耗尽层的宽度必常数所决定的。耗尽层的宽度必须取量适中。其值大固然能提高光电二极须取量适中。其值大固然能提高光电二极管的量子效率，但会使光
10、生载流子的渡越管的量子效率，但会使光生载流子的渡越时间增长，影响其频率特性，使之难以在时间增长，影响其频率特性，使之难以在高码速率时使用。高码速率时使用。 PIN光电二极管的响应光电二极管的响应时间一般在时间一般在1ns左右。左右。响应时间响应时间v结电容结电容Cd也是也是PIN光电二极管的光电二极管的重要参数。一方面它影响重要参数。一方面它影响PIN光光电二极管的响应时间，另一方面电二极管的响应时间，另一方面它对光接收机的灵敏度有重要影它对光接收机的灵敏度有重要影响。结电容越小越好，一般为几响。结电容越小越好，一般为几个个pf。结电容结电容Cd暗电流是暗电流是PIN光电二极管附加噪声的主要光
11、电二极管附加噪声的主要来源。它由两部分组成，一是由构成来源。它由两部分组成，一是由构成PIN光光电二极管材料的能带结构决定的体电流，二电二极管材料的能带结构决定的体电流，二是制造工艺过程所产生的泄露电流。是制造工艺过程所产生的泄露电流。 PIN光光电二极管的暗电流一般在几个毫微安以下。电二极管的暗电流一般在几个毫微安以下。由于由于PIN光电二极管没有倍增效应，加上光电二极管没有倍增效应，加上暗电流较小，本身产生的附加噪声很低，所暗电流较小，本身产生的附加噪声很低，所以对光接收机灵敏度产生的影响并不显著。以对光接收机灵敏度产生的影响并不显著。暗电流暗电流PIN的特点及应用J优点：附加噪声小、工作
12、电压低、工作寿命长、使用方便和价格便宜。L缺点：没有倍增效应，因而用它作的接收机灵敏度不高。C应用：较短距离的光纤通信。（小容量与大容量皆可）APD的结构 G=IM/IP 式中：式中：IM是有雪崩时光电流的平均值；是有雪崩时光电流的平均值；IP是无雪崩是无雪崩时光电流的平均值。时光电流的平均值。 从定义可见，倍增因子是从定义可见，倍增因子是APD的电流的电流增益系数。由增益系数。由于雪崩倍增过程是一个随机过程，因而倍增因子是在一于雪崩倍增过程是一个随机过程，因而倍增因子是在一个平均之上随机起伏的量，式中定义应理解为统计平均个平均之上随机起伏的量，式中定义应理解为统计平均倍增因子。倍增因子。v雪
13、崩倍增因子雪崩倍增因子G APD的特性参数v噪声因子噪声因子 作为一种光检测器件，作为一种光检测器件，APDAPD也具有一些和也具有一些和PINPIN相相类似的通用特性参数，如响应度、响应时间、结电类似的通用特性参数，如响应度、响应时间、结电容和暗电流等，其物理意义完全相同。容和暗电流等，其物理意义完全相同。 在高电场区在高电场区发生的碰撞电离效应是一个随机过程，而发生的碰撞电离效应是一个随机过程，而我们只能用其平均效应即平均增益我们只能用其平均效应即平均增益G来描述来描述APD光二极管光二极管的倍增性能。倍增效应的起伏性就使的倍增性能。倍增效应的起伏性就使APD光电二极管产光电二极管产生了一
14、种特殊的噪声生了一种特殊的噪声 雪崩噪声。在实际使用中经常使雪崩噪声。在实际使用中经常使用如下近似公式：用如下近似公式： F(G)G 其中：其中： 叫做叫做APD的噪声指数因子，其大小随的噪声指数因子，其大小随APD的的组成材料而异，也与其结构形式、工艺水平有一定关系。组成材料而异，也与其结构形式、工艺水平有一定关系。 APD特性APD雪崩光电二极管的特点及应用J优点：具有放大效应，由它制成的光接收机具有很高灵敏度，可大大增加系统的传输距离。L缺点：产生了雪崩噪声。C应用：大容量、长距离的光纤通信。思思 考考 题题量子效率的定义及提高量子效率的措施是什么？ 1PIN光电二极管=90%，=1.3m，计算该器件在1.3m的响应度以及当入射光功率为-37dBm时的光电流。2
