项目二光电探测器工作原理

光网络技术主讲人：林琪电话echnologyofopticalnetworkQQ：95252777目录CONTENTS光检测器工作原理01光接收机02PARTONE光检测器光检测器4光电检测器：完成光/电转化(O/E)，是光接收机的核心(Core)；光电检测器也称检波器、光电二极管和光探测器光纤通信中的光电检测器：

PN光电二极管，P-type，N-TypePhotodiodePIN光电二极管，P-type,Intrinsic，N-TypePhotodiodeAPD光电二极管，AvalanchePhotodiode思考:

P-N结(P-NJunction)光电二极管是如何实现O/E？半导体光电效应(Photoemission)5

半导体的光电效应：光照射到半导体P-N结上时，若光子能量足够大，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，出现光生载流子的过程。光生载流子：导带中出现的光电子，价带中出现的光空穴，即产生光电子－空穴对，总起来称为光生载流子。半导体光电效应(Photoemission)6

截止波长λc

：Cut-offWavelength

λc=hc/Eg=1.24/Egλc是光电二极管工作波长的上限。只有当入射光波的波长λ＜λc的光，才能使这种材料产生光生载流子。当波长很短时，材料的吸收系数会变得很大，使光电转换效率降低。因此，还存在一个短波长极限λmin，入射光的波长λ必须满足λmin<λ<λc

。P-N光电二极管能带和载流子7P-N光电二极管P-type，N-TypePhotodiode价带中的电子粘结在一起，不能移动导带中的电子是自由的，可移动形成电流基于能级的观点：基于p-n结的观点：光子射入耗尽区，将电子从空穴中分离。电子和空穴受到正负电势吸引，形成电流光照射，价带中的电子吸收光子能量跃迁到导带，导带中的电子和价带中的空穴：光生载流子耗尽层越宽，越多的光子落在耗尽层，可提高光电二极管的响应速度P-N光电二极管工作条件8P-N光电二极管P-type，N-TypePhotodiode外加反向偏压，更有利于耗尽层的加宽，产生更多的电子和空穴流

光电检测器工作条件：在P－N结上加反向偏压，其目的是加宽耗尽层，提高光电转换效率PIN光电二极管9

为改善响应速度和转换效率，适当加大耗尽层宽度。在P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料，称为I层，即本征层，称为PIN光电二极管。特点：本征层即耗尽层，吸收光子的地方优点：高量子效率-大多数光子进入该区产生电子-空穴对

PIN光电二极管现可达到110GHzPIN光电二极管10PIN光电二极管11雪崩光电二极管（AvalanchePhotodiode）12

微弱信号需放大，放大器将引入噪声，从而使光接收机的信噪比降低，灵敏度降低。解决方法：雪崩光电二极管，反向高压

在光电二极管内部放大光电流，无电子线路噪声。雪崩光电二极管APD利用的是雪崩倍增效应。根据制作的材料不同，可分为：

Si-APD（短波长区800nm，中速）

Ge-APD，InGaAs-APD（长波长区1300-1550，高速）雪崩光电二极管倍增效应13PN结上加反向高压，使耗尽层内的电场强度增加，进入耗尽层的光生载流子动能很大，更容易与晶格碰撞而产生新的电子-空穴对。这些电子-空穴对又被电场加速而获得足够大的动能，又可产生新的电子-空穴对。依次类推，耗尽层内的载流子数目剧增，发生雪崩效应，从而使反向结电流倍增。PARTTWO光接收机光接收机15

光接收机的功能：

光接收机的组成：光信号光电检测器（核心）放大器(Amplifier)外围驱动电路(DriveCircuit)电信号放大

光接收机的主要指标：误码率(biterrorprobability)灵敏度(Sensitivity)动态范围(DynamicRange)光接收机方框图16光/电转换低噪声放大提供增益决定接收机灵敏度对畸变信号补偿消除干扰，减小误码率取样判决，再生原码流决定光接收机的动态范围自动增益控制，利用反馈环路控制放大器增益光接收机---前端17由于光检测器的产生的光电流非常微弱，只有nA~μA的数量级，必须先经过前置放大器进行低噪声放大。前置放大器作用是对光检测器的产生的光电流进行放大，当然这也不可避免的引进附加噪声，因此应采用低噪声放大器。光接收机---主放大器18主放大器一般是多级放大器，实际中往往是由集成电路来构成。它的主要作用是提供足够的增益，同时受AGC电路控制调整增益，以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定光接收机的动态范围。光接收机---均衡滤波19均衡的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿，使输出的波形适合于判决，以消除吗间干扰，减小误码率。光接收机---再生电路20再生电路包括取样判决电路和时钟提取。功能是从放大器输出的信号与噪声混合波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以再生出原发送的码流。光接收机---自动增益控制电路

212023/5/14光接收机的自动增益控制，就是用反馈环路来控制主放大器的增益。在采用雪崩管(APD)的接收机中还通过控制雪崩管的偏压来控制雪崩管的雪崩增益。当信号强时，则通过反馈环路，使上述增益降低；当信号弱时，则控制上述增益提高，从而达到使输出信号稳定，以利于判决的目的。显然，自动增益控制的作用是增加了接收机的动态范围。光检测器信号波形图22发端信号均衡前均衡后时钟再生信号