第6章 光探测及光接收机2013Apr

1、1第第 6 章章 光接收机及光探测器光接收机及光探测器 6.1 光探测原理光探测原理 6.2 光电探测器光电探测器2光接收机基本组成光接收机基本组成均均衡衡滤滤波波信信号号光光光光探探测测器器电电压压供供给给光光电电变变换换和和前前放放前前放放主主放放自自动动增增益益控控制制线线性性放放大大判判决决电电路路时时钟钟恢恢复复数数据据恢恢复复数数据据输输出出3光电检测器光电检测器 发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了衰减了，而且脉冲波形也展宽了。 光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光

2、信号，并放大、整形、再生成原输入信号。信号，并放大、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它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的电信号的光电检测器光电检测器。 对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。与光纤芯径匹配。 用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。要求。4光探测器光探测器56.1 光探测原理光探测原理 在在 PN 结施加反向电压的情况下，受结施加反向电压的情况下，受激

3、吸收过程生成的电子激吸收过程生成的电子 空穴对，在空穴对，在电场的作用下，在外电路形成光生电电场的作用下，在外电路形成光生电流。流。 当入射功率变化时，光生电流也随之当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流线性变化，从而把光信号转变成电流信号。信号。6 假如入射光子的能量超过禁带能量假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg，耗尽区每次吸收一个光子，产生一个电耗尽区每次吸收一个光子，产生一个电子空穴对。子空穴对。受激吸收受激吸收Ec c吸收光子后吸收光子后产生电子产生电子Ev光子光子h 输入输入(输出电流)(输出电流)7 在在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的

4、电子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空穴对在电场的作用下, 分别离开耗尽区，电子向分别离开耗尽区，电子向 N 区漂移，区漂移，空穴向空穴向 P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开离开 N 区进入正电极。从而在外电路形成光生电流。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，从而把光信当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。号转变成电流信号。PN结型光电探测器结型光电探测器入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+ERIpVoutW抗抗

5、反反射射膜膜电电极极电电极极耗耗尽尽区区Pin空空穴穴h+e-电电子子负负载载电电阻阻RIp光光生生电电流流输输出出电电压压L LL LN(a)反反向向偏偏置置的的PN结结, ,当当光光入入射射时时, ,光光生生电电子子空空穴穴对对分分别别向向N N区区和和P P区区漂漂移移，在在外外电电路路产产生生光光生生电电流流W = = m几几光纤通信（第3版） 原荣 编著8光电检测器基本参数光电检测器基本参数96.2 光电探测器光电探测器6.2.1 PIN光电二极管光电二极管6.2.2 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）10PN 结光电二极管的缺点结光电二极管的缺点简单的简单的 PN 结光电二极

6、管具有两个主结光电二极管具有两个主要的缺点。要的缺点。 1 结电容较大，响应速度慢，不利于高频结电容较大，响应速度慢，不利于高频调制。调制。 2 耗尽层宽度小（最大也只有几微米，大耗尽层宽度小（最大也只有几微米，大多数光子没有被耗尽层吸收，量子效率多数光子没有被耗尽层吸收，量子效率低。低。11为了克服为了克服 PN 管存在的问题，人们采用管存在的问题，人们采用 PIN 光电二极管光电二极管PIN 二极管与二极管与 PN 二极管的主要区别是，在二极管的主要区别是，在 P 和和 N 层之间加入了层之间加入了一个一个 I 层，作为耗尽层。层，作为耗尽层。I 层的宽度较宽，约有（层的宽度较宽，约有（5

7、 50） m，可吸收绝大多数光子，使量子效率提高，使光生电流增加。可吸收绝大多数光子，使量子效率提高，使光生电流增加。PIN光电二极管光电二极管入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+EIpVout抗抗反反射射膜膜电电极极电电极极耗耗尽尽区区Pin输输出出电电压压RL反反向向偏偏置置的的 PIN,因因耗耗尽尽区区较较宽宽, ,可可以以吸吸收收绝绝大大多多数数光光生生电电子子和和空空穴穴对对, ,使使量量子子效效率率提提高高I-SiWN+Vr-RLCdIpVout空空穴穴h+e-电电子子负负载载电电阻阻RIp光光生生电电流流L LW= = m550EVr/WCdP PI IN N管管分分布布电

8、电容容12PIN光电二极管的响应时间光电二极管的响应时间光纤通信（第3版） 原荣 编著13光电二极管的光谱特性光电二极管的光谱特性6008001000120014001600180000.20.40.60.81.090%70%50%30%10%InGaAsPGeInGaAsSi(nm)波长波长( )R响响应应度度量子效率量子效率截止波长有上限、下限截止波长有上限、下限14截止波长上限截止波长上限15PIN光电二极管的性能参数光电二极管的性能参数 量子效率量子效率 响应度响应度 R 暗电流暗电流, 表示无光照时出现的电流，它影表示无光照时出现的电流，它影响接收机的信噪比。响接收机的信噪比。 响应

9、速度响应速度, 它表示对光信号的反应能力，它表示对光信号的反应能力，常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示。常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示。 结电容结电容 , 它影响响应速度。它影响响应速度。16习题：计算光电二极管的灵敏度和量子效率习题：计算光电二极管的灵敏度和量子效率176.2 光电探测器光电探测器6.2.1 PIN光电二极管光电二极管6.2.2 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）18雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）特点）特点 APD是利用是利用雪崩倍增效应雪崩倍增效应使光电流得到倍增的使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。高灵敏度探测器。 APD的结构设计，使它能承受高的反向偏

10、压，的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在从而在 PN 结内部形成一个高电场区。结内部形成一个高电场区。 APD能提供内部增益能提供内部增益 工作速度高工作速度高基于以上优点，基于以上优点，APD已广泛应用于光通信系统中。已广泛应用于光通信系统中。光纤通信（第3版） 原荣 编著19 光生的电子光生的电子 空穴对经过高电场区时被加速。获得足够的能量，空穴对经过高电场区时被加速。获得足够的能量，在高速运动中与在高速运动中与 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，从而产生新的电子离，从而产生新的电子 空穴对，称为二次电子空穴对，称为二次电子 空穴对。空穴

11、对。 二次电子二次电子 空穴对在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞空穴对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，形成向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应雪崩倍增效应。SiO2P+h+e-ERIpVout电电极极电电极极耗耗尽尽区区入入射射光光hvEgL L(a)雪雪崩崩光光电电二二极极管管（A AP PD D）的的结结构构WN+Vr-P E( ) x0 0各各区区电电场场分分布布, ,雪雪崩崩发发生生在在P P区区，吸吸收收发发生生在在 区区(b)x吸吸收收区区雪雪崩崩区区

12、EN+ Ph+e-雪雪崩崩区区(a)离离子子碰碰撞撞过过程程释释放放电电子子空空穴穴对对，导导致致雪雪崩崩晶晶格格APD工作原理工作原理( )N Pp P20APD的倍增因子的倍增因子光纤通信（第3版） 原荣 编著21APD习题习题1： 计算灵敏度计算灵敏度InGaAs APD 没有倍增时没有倍增时（M = 1），波长），波长 1.55 m 处的量子效率为处的量子效率为60%，当反向偏置时的倍增系数是，当反向偏置时的倍增系数是 12。假如入射功率为。假如入射功率为 20 nW，光生，光生电流是多少？当倍增系数是电流是多少？当倍增系数是 12时，灵敏度又是多少？时，灵敏度又是多少？解：用量子效率

13、表示的灵敏度是解：用量子效率表示的灵敏度是1834919A W75. 0103)10626. 6(101550)106 . 1 (6 . 0hcqR假如没有倍增时的光电流是假如没有倍增时的光电流是ph0I，入射光功率是，入射光功率是inP，根据定义，根据定义，灵敏度是灵敏度是inph0/ PIR ，因此初始光生电流是，因此初始光生电流是A105 . 1102075. 089inph0 RPI。当有倍增时的光电流：当有倍增时的光电流：A101.80A)105 . 1 (1278ph0ph MII 或或者者 180nA。倍增系数倍增系数 12时的灵敏度：时的灵敏度：1inphA W0 . 975.

14、 012MRPIR。22Si APD 在在 830 nm 没有倍增即没有倍增即 M = 1 时的量子效率为时的量子效率为 70%，反偏工作倍增系数反偏工作倍增系数 M = 100， 当入射功率为当入射功率为 10 nW 时，光电流是时，光电流是多少？多少？解：没有倍增时的灵敏度：解：没有倍增时的灵敏度：1834919A W47. 0103)10626. 6(10830)106 . 1 (70. 0hcqR。没有倍增时的初始光电流：没有倍增时的初始光电流：nA7 . 4101047. 09inph0RPI。倍 增 后 的 光 电 流 ：倍 增 后 的 光 电 流 ：nA)(4707 . 4100

15、 ph0phIMI 或或0.47 A。APD习题习题223总总 结结24思考题思考题1. 光探测器的作用是什么光探测器的作用是什么?2. 光接收机的作用是什么光接收机的作用是什么?3. 光纤通信中最常用的光电检测器是哪两种？光纤通信中最常用的光电检测器是哪两种？4. PIN和和APD探测器的主要区别是什么探测器的主要区别是什么?5. 数字光接收机主要由哪几部分组成数字光接收机主要由哪几部分组成?6. 监测光纤通信系统性能好坏通常采用什么最直观简单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？的方法？光纤通信（第3版） 原荣 编著25光纤通信（第3版） 原荣 编著26光纤通信（第3版） 原荣 编著27眼图分析法眼图分析法 在实验室里观察码间干扰是否存在的最直观、最简单在实验室里观察码间干扰是否存在的最直观、最简单的方法是眼图分析法。的方法是眼图分析法。通常误码率的典型值为通常误码率的典型值为109。 将均衡滤波器输出的随机脉冲序列输入到示波器的将均衡滤波器输出的随机脉冲序列输入到示波器的 Y 轴，用时钟信