浙江传媒学院上课版本

第五章光检测器与光接收机5.1光检测器5.2光电二极管特性5.3光接收机5.4光中继器HHOR7100A经济型小壳光接收机家用双向光接收机光电变换前置放大主放大器均衡滤波判决器时钟恢复输出AGC电路线性通道对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。时钟提取与数据再生（CDR）性能指标:接收灵敏度误码率或信噪比前端光信号探测器抑制码间干扰光电转换器件，光接收机的首要部件当前的光检测器主要是半导体光检测器以光电二极管应用最广泛。常用的有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）要求:高效率、响应速度快，线性好及频带宽低噪声、器件本身对信号的影响小。体积小、寿命长、高可靠、工作电压低等。入射光半导体5.1光检测器5.1光检测器光电二极管光检测器的原理工作原理----受激吸收。

加反向偏压，形成耗尽区。

□在半导体材料上，当入射光子能量h超过带隙能量Eg时，产生电子--空穴对。

□在外加电压建立的电场的作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移。

□电子到达N区，空穴到达P区，被外电路吸收，形成光生电流。其光生电流大小Ip与入射光功率Pin成比例：R—光电检测器的响应度（A/W）5.1.1PN光电二极管(1)工作原理：入射光从P侧进入，在耗尽区光吸收产生的电子－空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动，产生光电流。响应时间：由光功率输入转化为光电流输出，有一定时间迟后，其值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。W为耗尽层宽度，v为载流子漂移速度。带宽受限的主要因素:产生的光电流中存在扩散分量，它与耗尽区外的光吸收有关。载流子作扩散运动的时延将使检测器输出电流脉冲后沿的托尾加长，影响光电二极管的响应速度。5.1.1PN光电二极管(1)扩散分量的存在导致光电二极管瞬态响应失真考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形脉冲的响应解决方法：减小P,N区厚度，增加耗尽区的宽度，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少P,N区吸收的光能--PINPIN光电二极管结构：在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度w，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。I区高阻抗,电压基本都落在I区PIN光电二极管及反偏时各层的场分布PIN光电二极管双异质结结构：N区和P区：InP（磷化铟），对>920nm的光透明；I区:InGaAs；

=1300~1600nm强烈吸收InGaAs（铟砷化镓），电子在InGaAs中的传输速度是硅的数倍。MIT的MTL（微系统实验室）最近演示了用InGaAs制作的晶体管，传输电流是最先进的硅晶体管的2.5倍。而InGaAs晶体管的尺寸仅仅为60纳米。InGaAs晶体管的优点是能够减少芯片尺寸，提高信息处理的速度.广泛用于探测器!

InGaAsPIN光电二极管的结构每个在能级之间跃迁的电子只吸收一个光子产生光电流需满足条件： hf≥Eg

因=c/f

即:≤

C=hc/EgEg使用电子伏特（ev）,为微米（m）截止波长：Si:c=1.06mGe,InGaAs:c=1.6m

响应波长:Si:0.5-1.0mGe,InGaAs:1.1-1.6mPIN光电二极管

雪崩光电二极管PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益APD:利用电离碰撞,1个光子产生多对电子-空穴对,有增益工作过程：入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)--------------与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流）吸收外电场加速增加了一个附加层，倍增区或增益区，以实现碰撞电离产生二次电子－空穴对。耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对的作用。Ip:光生电流Pin：入射光功率

5.2光电二极管特性

1.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.产生的电子－空穴对的个数入射的光子数在光电二极管的应用中，100个光子会产生30到95个电子－空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%~95%。为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越(across)反向偏置结的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。

5.2光电二极管特性

R:响应度2.响应速度

可用响应时间来表征。

取决于渡越耗尽层时间

e为电子电荷，其值为1.6×10-19C。3.响应度

(a)响应度与波长的关系APD倍增系数倍增系数

IG--平均输出电流，

IP--一次光生电流倍增系数G与电离系数及增益区厚度有关。GV11010020ºC40ºC60ºC TVB。APD实用时应在偏置电路中加温度补偿,或与AGC电路连接。APD的温度特性光电二极管特性信噪比也是衡量接收机好坏的重要指标，光接收机的噪声主要来源于光电检测器和其后面的前置放大器，而暗电流就是光检测器产生噪声的原因之一。暗电流Id定义为无光照射时光电二极管的反向电流，主要是由热激发而形成的载流子引起的。在PIN光电二极管中，由于体内暗电流不会受到倍增作用且检测器本身处于反向偏置状态，所以其值要比表面暗电流小得多。因此，PIN光电二极管的暗电流大小主要决定于其表面暗电流。在APD中，由于体内暗电流有倍增，其值远大于表面暗电流。所以APD的暗电流主要是指体内暗电流。由于倍增作用，APD的暗电流要比PIN-PD的暗电流大得多。随温度上升，暗电流将会急剧增加。暗电流会引起光接收机的噪声增大，因此，希望器件的暗电流越小越好。光检测器的比较（1）Si、Ge、InGaAspin光电二极管的通用工作特性参数参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm400~1100800~16501100~1700响应度RA/W0.4~0.60.4~0.50.75~0.95暗电流IDnA1~1050~5000.5~2.0上升时间rns0.5~1.00.1~0.50.05~0.5带宽BGHz0.3~0.70.5~3.01.0~2.0偏置电压VBV55~105Si、Ge、InGaAs雪崩光电二极管的通用工作特性参数光检测器的比较（2）参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm400~1100800~16501100~1700雪崩增益M——20~40050~20010~40暗电流IDnA0.1~150~50010~50@M=10上升时间rns0.1~20.5~0.80.1~0.5增益带宽积M•BGHz100~4002~1020~250偏置电压VBV150~40020~4020~30在短距离的应用中，工作在850nm的Si器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。在长距离的链路常常需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。APD检测器与PIN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压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。光检测器的比较（3）§5.3光接收机光接收机的基本组成§5.3光接收机5.3.1光接收机的前端(1)电信号光信号光电变换前置放大前端：由光电二极管和前置放大器组成。作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流－电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽5.3.1光接收机的前端(2)光检测器的选择：要视具体应用场合而定。PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。APD最大的优点是它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压和温度补偿电路。从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用PIN光电二极管作光探测器。前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和APD/FET。5.2.1光接收机的前端(3)根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：低阻抗前端高阻抗前端跨（互）阻抗前端光接收机前端的等效电路低阻抗前端从频带要求出发选择偏置电阻RL优点：电路简单，不需要或只需要很少的均衡，动态范围较大缺点：灵敏度低，噪声较高5.3.1光接收机的前端(4)高阻抗前端跨阻抗前端电压并联负反馈放大器（电流-电压转换器）优点：宽频带（等效输入电阻很小）、低噪声（反馈电阻可以取得很大）、灵敏度高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值优点：噪声较低缺点：动态范围小、高频分量损失太大,对均衡电路提出很高要求.多用于低速系统.5.3.2光接收机的线性通道可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平。主放大器均衡滤波AGC电路对主放输出的失真数字脉冲进行整形，使之成为有利于判决码间干扰最小的升余弦波形。5.3.3判决再生与时钟提取任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号为确定是“1”或是“0”，需要对某时隙的码元作出判决。若判决结果为“1”，则由再生电路产生一个矩形“1”脉冲；若判决结果为“0”，则由再生电路重新输入一个“0”。为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。判决器时钟恢复输出5.3.3判决、再生过程均衡器输出波形时钟再生后的信号判决电压最佳取样时间相应于“1”和“0”信号电平相差最大的位置，可有眼图决定。5.3.4光接收机的噪声特性光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量。主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分为两类：散粒噪声和热噪声。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：散粒噪声光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和收集过程具有统计特性(泊松分布)。光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动也会产生一些电子——空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：漏电流噪声：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构和严格的工艺降低。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：APD倍增噪声：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性产生附加的噪声。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：热噪声：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动。5.3.5光接收机主要性能指标接收灵敏度：接收机工作于某一误码率所要求的最小平均接收光功率。灵敏度是光接收机的重要指标，描述了其准确检测光信号的能力。

PR为输入最小光功率误码率（BER）：接收机判决电路错误确定一个比特的概率。噪声引起误码的图解说明光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最大允许平均接收光功率与最小平均接收光功率之差

可以用dB表示为5.3.5光接收机主要性能指标3.动态范围动态范围表征了光接收机对输入信号的适应能力。例1:某光纤通信系统中光源平均发送光功率为-28

dBm，光纤线路传输距离为

20

km，损耗系数为0.5

dBm/km，(1)试求接收端收到的光功率为多少？(2)若接收机灵敏度为-40dBm，试问该信号能否被正常接收？(3)若光源平均发送光功率增大至-10dBm，光接收机刚好能将其正常接收，试求光接收机动态范围为多少？解：(1)接收端收到的光功率

P=-28

dBm-0.5

dBm/km×20

km=-38

dBm。

(2)

-38

dBm>-40

dBm能正常接收。

(3)

Pmax=-10dBm-0.5×20

dBm=-10

dBm-10

dBm=-20

dBm，接收机动态范围：

D=Pmax-Pmin=-20dB-(-40

dBm)=20

dBm。例2:

在满足一定误码率的条件下，光接收机最大接收光功率为0.1

mW，最小接收光功率为1

000

nW。

(1)求接收机灵敏度和接收机动态范围。

(2)已知某个接收机的灵敏度为-40

dBm，动态范围为20

dBm，若收到的光功率为2μW

，系统能否正常工作？解：(1)接收机灵敏度为

dBm

动态范围为

dBm(2)根据灵敏度为-40dBm,

可求得=0.1

，由动态范围为20

dBm，可求得为10

μW，因为10μW

>2μW

>0.1μW

，故能够正常工作。二进制信号的误码概率二进制信号的误码概率二进制信号的误码概率二进制信号的误码概率Q被广泛用来说明接收机的特性。Q=6，BER=10E-9Q>7，BER<10E-12通常:2.5Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10E-9；10Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10E