光通信之光电检测器.ppt

第5章 光电检测器,三大基本光器件,光源：光纤通信系统的心脏，作用是完成电信号到光信号的转换。 光纤：具有巨大的可用带宽资源，承载着通信业务种类和容量的日益增长的需求。 光电检测器：光接收机的核心器件，任务是光纤传输的光信号转换成其他通信电宿端设备可用的电信号。,三者的关联,与输入光电检测器的光信号强弱有关 受光源的功率和光纤本身的衰减限制 总之，光电检测器完成光检测任务与输入光信号的质量有关,对光电检测器的要求,高的光电转换效率 与光源的工作波长范围有极快的响应速度，或者有极大的带宽 高的灵敏度 功率消耗尽可能低 便于耦合 稳定，可靠，便宜,主要内容,光电检测器 PN结光电二极管 PIN光电二极管 雪崩光电二极管APD 光电二极管的一般性能和应用,光电检测器是光接收机的核心。 光电检测器的功能：利用光电效应，把光信号转换为电信号。 常见光电检测器： PN光电二极管 PIN光电二极管 雪崩光电二极管APD,1 光电检测器,工作原理： 当入射光作用在PN结时，光子能量大于或等于带隙能量时，价带的电子通过受激吸收跃迁至导带，形成电子-空穴对。当电路闭合时，这些自由载流子的定向流动形成（光）电流。 施加反向偏压可以增强光电流。,2 PN光电二极管,光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，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-空穴对。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 (a)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。,图 (b)是P-N结及其附近的能带分布图。要注意的是能带的高、低是以电子(负电荷)的电位能为根据的，电位越负能带越高。 由图可见：外加负偏压产生的电场方向与内建电场方向一致，有利于耗尽层的加宽。,3 PIN光电二极管,由于PN结耗尽区只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（称为I层），这种结构便是常用的PIN光电二极管。,基于异质结的PIN光电二极管,工作原理,光照hvEg耗尽区吸收大部分光受激吸收 光生载流子耗尽区电场作用，电子向N区漂移，空穴向P区漂移反向电压，耗尽区加宽 接通电路，R上有电流,4 雪崩光电二极管,雪崩光电二极管的结构与PIN不同表现在增 加了一个附加层，以实现碰撞电离产生二次 电子-空穴对，在反向时夹在I层和N层间的P 层中存在高电场，该层称为倍增区或增益区 雪崩区，耗尽层仍为I层，起产生一次电子 -空穴对的作用。,四层结构,1、高掺杂的N+型半导体，为接触层； 2、倍增层（雪崩区）； 3、轻掺杂半导体I层，为漂移区（光吸收区）；4、高掺杂的P+型半导体，为接触层。,APD的工作原理,入射光信号 受激吸收 形成最初电子空穴对 反向电压 空穴对加速运动 与中性原子碰撞产生能量 电子从低能级移到高能级 形成二次电子-空穴对 多次碰撞 载流子数急增 反向电流迅速增大 雪崩倍增效果,APD的倍增因子,APD器件的放大作用，用倍增因子表示： G = 输出光电流/一次光生电流 = I0/Ip,光电检测器的特性,响应度： R=Ip/Pin 量子效率：R*hf/e 响应速度：（响应时间） 暗电流： 表面暗电流、体内暗电流 倍增因子：g=I0/Ip 温度特性:温度升高、倍增增益下降 噪声特性：种类,5 光电二极管的一般性能和应用, PIN二极管特点 机构简单，可靠性高。电压低，使用方便。 量子效率高。 噪声小。 带宽较高。, APD二极管特点 灵敏度高。 高增益。 高电压，结构复杂。 噪声大。, 使用场合： PIN：广泛应用于光纤通信系统，在灵敏度要求不高的场合，一般都采用PIN. APD:在光接收机灵敏度要求高的场合，采用APD。有利于延长传输距离。 如：小信号测量。,一、填空： 1 衡量光电检测器性能的技术指标有（）（）（）（）（）。 2 接收机中存在的噪声源可分为（）（）（） 二、简答题： 1 雪崩光电二极管是利用什么原理使检测灵敏度得到大大提高的？ 2 半导体光电二极管是利用什么原理实现光/电转换的？ 3 比较APD、PIN光电检测器的优缺点。,1 是靠管子内部的雪崩倍增效