光电检测器和光接收机课件

1、第5章光电检测器和光接收机本章内容5.1 光检测器 5.2 光电检测器的工作特性5.3 光接收机5.4 光接收机的噪声5.5 光接收机的误码率和接收灵敏度小结、习题2.1 光检测器1.光纤通信对光电检测器的主要要求(1)在工作波长上光电转换效率要高，即对一定的入射光信号功率，光检测器能输出尽可能大的光电流；(2)检测过程中带来的附加噪声尽可能小；(3)响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量小；(4)高可靠长寿命，尺寸与光纤直径相配，工作电压低等。2半导体的光电效应半导体光检测器是利用半导体的光电效应制成。光生伏特效应-适当波长的光，照射非均匀半导体（如P-N结）即使没有外电场作用，也会因内

2、建场的存在，使半导体中产生电动势（光生电压），这种内建场引起的光电转换过程称为光生伏特效应。条件3PIN光电二极管吸收区与作用区从半导体表面到内部x方向上吸收入射光产生电子孔穴对：吸收系数1/cm吸收区：称 为穿透深度作用区耗尽层内（每对光生载流子都可迅速漂移生成电流）两侧扩散长度内（只有扩散到耗尽层边缘，才能漂移生成电流）-转换效率高、运动速度快耗尽区内转换效率最高 为此施加反偏压扩大耗尽层PNh0 x为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在P型材料和N型材料之间加一个I层（本征耗尽层），它是轻掺杂的N型材料，电子浓度很低，经扩散可以形成一个很宽的耗尽层。这就是PIN光电二极管（PIN-P

3、D）工作波长PIN特点：光电转换效率较高（无光生电流放大作用），响应速度快。 由于I层很厚具有较高电阻，电压基本上落在该区，使势垒区宽度增加，减小扩散运动影响，提高了响应速度。采用双异质结设计能显著提高二极管的性能。APD的工作原理是利用半导体材料的雪崩倍增效应制成的。 4雪崩光电二极管图为拉通型雪崩光电二极管(RAPD)的结构示意图和电场分布图。 APD的结构：保护环型、拉通型 比PIN管响应度大（有高的内部增益） 四层结构 -轻掺杂，耗尽层较宽-掺杂极轻的P型-重掺杂，耗尽层极窄P-N结外加高反压使 产生雪崩倍增效应 耗尽区载流子在强电场作用下获得很大动能，高速碰撞半导体晶格（使价带电子激

4、发到导带，产生新的电子孔穴对即“碰撞电离”）不断多次地碰撞电离的结果，载流子密度、反向电流迅速加大，引成所谓雪崩效应。 雪崩光电二极管随使用的材料不同有：Si-APD(工作在短波长区)；Ge-APD，InGaAs-APD等(工作在长波长区)。Si-APD性能较好，它工作在0.85m附近，倍增增益高达1001000，暗电流很小；Ge-APD工作在长波长区，它的倍增增益一般不超过15，过剩噪声大，暗电流也很大，限制了倍增增益及检测灵敏度。 InGa/InP或InGaAsP/InP-APD工作在长波长区有较好的性能，从结构上，类似于Si-RAPD，吸收区和倍增区分开，因此又称为SAM-APD。APD

5、特点：光电转换效率高（有光生电流放大作用，即雪崩倍增作用），响应速度快。PIN、APD二极管比较PIN二极管特点：结构简单，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。 PIN的负偏压约为几几十伏，APD的负偏压约为几十一百多伏使用场合：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较高的场合，采用APD。如：小信号测量Si-PIN/APD用于短波长(0.85m)光纤通信系统。InGaAs-PIN用于长波长(1.31m/1.55m)系统。把InGaAs-PIN和使

6、用场效应管（FET）的前置放大器集成，构成FET-PIN接收组件，可以进一步提高灵敏度，改善器件的性能。5.2 光电检测器的工作特性光电检测器的工作特性参数很多，PIN-PD的主要工作特性有的响应度和量子效率、响应时间、暗电流等，由于APD有雪崩倍增效应，所以APD除了上述参数外还包括倍增因子、过剩噪声指数等。1、响应度和量子效率响应度是描述这种器件光电转换能力的物理量。描述这种器件光电转换能力也可以从另一个角度描述，这就是量子效率，定义为产生的光生电子-空穴对数占入射光子数的百分比。响应度量子效率通常，R=0.5A/W左右。已知Si PIN光电二极管，量子效率=0.7，波长 =0.85m；G

7、e光电二极管，=0.4，波长=1.6m，计算它们的响应度。解： Si PIN光电二极管的响应度：Ge光电二极管的响应度：PIN和APD的响应度与入射光的波长有关，Si-PIN和Si-APD的波长响应范围为6001000nm，对检测0.85m的光非常有效。Ge-PIN和Ge-APD或InGaAs-PIN、InGaAsP-PIN和InGaAs-APD范围为10001650nm，可以接收1310nm和1550nm的光信号。2、响应时间响应时间是描述光电检测器对光信号变化响应速度快慢程度的物理量，一般用上升时间和下降时间来表示。所谓上升时间是PD受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前沿的10%点到90%点之间

8、的时间间隔来衡量。光电检测器的响应时间受三个因素影响：1) 渡越时间 2) 扩散时间 3) 电路的影响暗电流Id是指在PIN规定的反向电压或者APD的90%击穿电压时，在无入射光情况下器件内部的反向电流。暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，人们总是希望器件的暗电流越小越好。3、暗电流一般，PIN的IdE1E2-Vm该电路条件是E2E1E2-VmE2E1确保：当sin(t)=0（包括无输入信号）时，二极管D截止；E1E2-Vm用来确保：当sin(t)=-Vm时，二极管D导通；二极管D导通内阻rD负载电阻RL，以便充电很快、放电很慢。2差分电路负反馈箝位器（用在140Mb/s光纤通信系统中）幅度判

9、决一、基本功能 将均衡器输出并经过基线恢复处理的升余弦波信号整形成为非归零（NRZ）的矩形脉冲信号，以利于时钟提取。由与非门和反相电路构成。二、典型电路非线性处理一、基本功能 将幅度判决输出的非归零矩形脉冲序列信号变为归零矩形脉冲序列信号，以利于提取时钟信号。NRZ与RZ脉冲序列信号的区别如下：（1）时域：NRZ脉冲宽度等于码元周期Tb，RZ脉冲宽度小于码元周期Tb(=Tb/m，其中m=2、3、4)。（2）频域：NRZ功率谱没有时钟频率的线谱分量，RZ功率谱则有之。二、典型电路时钟提取一、基本功能 从非线性处理输出的RZ信号中获得按时钟频率fb振荡的余弦信号。其中fb=1/Tb。二、典型电路：

10、LC谐振放大器 电感L和电容C1、C2（C2是微调电容）构成LC谐振回路，与输入信号中的相应谐波共振。输入信号sin(t)来自非线性处理电路，输出信号sout(t)送往限幅移相电路，sout(t)是衰减余弦振荡信号。它对应于sin(t)为单个RZ脉冲时的谐振输出。理论上已推导出sout(t)为Q是LC谐振迴路的等效品质因数，其值越大，则幅度衰减越慢。b是谐振角频率。sout(t)的两相邻正波峰间隔为2/b，每一个正波峰将处理成为后续电路的时标。若令上式右边K0及指数项为则K(t)是图中sout(t)波形的幅度包络线。限幅移相一、基本功能 将时钟提取电路输出的一列幅度变化很大的余弦振荡信号进行限

11、幅，得到矩形脉冲信号，再经过移相和电平变换，变成后续电路所需要的时钟信号。二、典型电路：射极耦合限幅移相电路 输入信号sin(t)是来自时钟提取电路的衰减余弦振荡信号，输出信号sout(t)是定时脉冲信号，送往定时判决电路。限幅功能由BG1BG4完成，移相功能由输出端的R、C完成。该电路工作状态的确定：该电路有三种工作状态：状态I：BG2截止、BG3导通；状态II：BG2、BG3同时导通；状态III：BG2导通、BG3截止。选择两个临界电压V1（0）定时判决一、基本功能 利用限幅移相电路输出的时钟脉冲的控制作用，将幅度判决电路输出的NRZ脉冲信号（其前后沿有较大抖动）变成与发送端一致的NRZ脉

12、冲信号（抖动很小）。二、典型电路：使用D触发器 D端输入来自幅度判决电路的NRZ信号，CK端输入来自限幅移相电路的定时脉冲信号，Q端输出再生NRZ信号，送往输出电路进行码型反变换。3.光接收模块和集成光接收机 光接收模块是指将包括PD管芯和前置放大器以及阻抗匹配电路和电路状态监视/警示电路，再加上若干光学元件集成在一个管壳内并形成光接收功能的器件。集成光接收机与光接收模块不同，它是采用集成电路工艺技术把所有的元件集成在一个芯片上。 在高比特工作时，这种集成光接收机具有很多优点。90年代末用Si和GaAs集成电路工艺已制成带宽超过2GHz的集成光接收机，现在带宽超过10GHz的集成光接收机也已用

13、于光波实验系统。 集成光接收机设计制造有两种方案，一种称为混合集成光接收机，它将电子器件集成在GaAs芯片上，而将光电二极管制造在InP芯片上，然后将InP芯片按图示倒装式接合法，堆叠在GaAs芯片上，使这两个芯片连接起来。另一种是光电集成电路（OEIC），将光接收机所有元器件集成在同一芯片上。 4.光收发一体模块光收发一体模块是将传统的分离发射、接收组件合二为一密封在同一管壳内的新型光电器件。它具有如下优点：小型化、低成本、高可靠性和高性能，在数据通信和电信传输中均有广阔的应用前景。5.4 光接收机的噪声1数字光纤通信系统的信号变换特点在数字光纤通信系统中，传输的是由“0”和“1”组成的二进

14、制光脉冲信号，这是一种单极性码，即光功率在“接通”(“1”码)和“断开”(“0”码)两个电平上变动。按照“1”码时码元周期T的大小，分为归零码(RZ码)与非归零码(NRZ码)两种。显然，RZ码的占空比为0.5，而NRZ码的占空比为1。为数字光纤通信系统中数字脉冲传输过程的变换特点。2光接收机的噪声源 光接收机的噪声是与信息无关的随机变化量，噪声源从引入过程来分，可分为两类，即与信号光电检测器有关的噪声和与光电接收机电路有关的噪声。与信号光电检测器有关的噪声包括：量子噪声、雪崩倍增噪声、暗电流及漏电流噪声和背景噪声等等。与光接收机电路有关的噪声包括：放大器噪声、负载电阻热噪声等。 3噪声的评价方

15、法1）噪声的大小可以用均方值来表示散粒噪声电阻热噪声总噪声放大器噪声系数2）信噪比(SNR) 信噪比(SNR)是评价光接收机性能的重要指标，其定义为平均信号功率和噪声功率的比值 5.5 光接收机的误码率和接收灵敏度 1光接收机的误码率分析对于数字光接收机，数字信号的恢复是由判决电路判定，判决电路接收到的波动信号如图所示。阴影部分表示出现错误的情况。 光接收机的误码率BER定义为： BER=错误接收的码元数/传输的码元总数 一般为使总误码率最小，一般令从而有这样，就得到BER与参量Q的关系式：参量Q带有信噪比的意义，因为 对Q3，近似表达式有合理的精度，BER随Q参数的变化趋势如图示，当Q增大时

16、，BER降低了，接收机性能提高了。 灵敏度是数字光接收机最重要的指标，它直接决定光纤通信系统的中继距离和通信质量。数字光接收机的灵敏度定义为：在保证一定误码率的条件下，光接收机所需接收的最小光功率。灵敏度越高，意味着数字光接收机接收微弱光信号的能力就越强，当光发送机输出功率一定时，则保证通信质量(误码率低于某一数值)的中继距离就越长。因此，提高数字光接收机的灵敏度，可以延长光纤通信的中继距离和增加通信容量。2光接收机的灵敏度和动态范围最小平均光功率Pmin，在国际单位制中，它的单位是瓦(W)；而在工程上，光接收机的灵敏率常用光功率相对值来表示，单位是分贝毫瓦(dBm)。二者的换算关系为 光接收机的动态范围是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机最低输入光功率Pmin和最大允许光功率Pmax的变化范围。这个范围用D来表示，一般在工程上用二者(用dBm为单位描述)之差来表示