《光纤通信技术》第四章-光探测器与光接收系统

光纤通信技术通信与信息工程学院通信与信息工程学院1目录第1章绪论第2章光纤光缆第3章光源与光发射系统第4章光探测器与光接收系统第5章光无源器件第6章光通信中的光放大器第7章光纤通信系统与网络2022/4/4通信与信息工程学院2第4章光探测器与光接收机通信与信息工程学院3本章内容光子探测器光接收机框图光接收机灵敏度接收机的动态范围和自动增益控制(AGC)电路接收机的再生电路通信与信息工程学院4§4.1光子探测器光电探测器通常分为2类:(1)光子探测器（利用各种光子效应）；（2）热探测器（利用温度）。光子效应：光电子发射、光电导变化效应、光生伏特、光电磁等。光热效应：温差电、电阻率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化等。基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中的电子能逸出材料表面，这各种器件称为外光电效应器件。基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴，这种器件称为内光电效应器件。2022/4/4通信与信息工程学院54.1.1光电子发射探测器应用光电子发射效应制成的光电探测器称为光电子发射探测器。在光电子发射探测器中，入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的逸出功。光电子发射的能量转换公式为122V0hm为使价带中的电子能跃迁到导带上，必须使入射光子的能量大于禁带宽度Eg，即hchc,即1.24m

Eg

c

EEgg使材料具有光电发射的截止波长λchc1.24()m

c

2022/4/4通信与信息工程学院6光电倍增管的工作原理图是光电倍增管的工作原理图。图4-1中K为光电发射阴极，D为聚焦板，D1～D10为倍增极（或打拿极），A为收集电子的阳极。倍增极间的电压逐级增加，极间电压约为80～150V。2022/4/4通信与信息工程学院7光电倍增管的性能光电倍增管的性能主要由阴极和倍增极以及极间电压决定。负电子亲和势材料是目前最好的光电阴极材料。倍增极二次电子发射特性用二次系数σ描述，即

n

Nn1Nnσ值主要取决于倍增极材料和极间电压如果倍增极的总数为n，且各级性能相同，考虑到电子的传输损失，则光电倍增管的电流增益M为f为第一倍增极对阴极发射电子的收集率；g为各倍增极之间的电子MfiAgn传递效率，良好的电子光学设计可iK始f、g值在0.9以上。n和σ值愈大，M值就愈高，但过多的倍增极不仅使倍增管加长，而且使电子渡越效应变得严重，从而严重影响倍增管的频率特性和噪声特性。2022/4/4通信与信息工程学院84.1.2光电导探测器图4-2光敏电阻（以非本征n型半导体为例）分析模型2022/4/4通信与信息工程学院91.光电转换规律图中V表示外加偏置电压，l、b和d分别表示n型半导体得三维尺寸，光功率P在x方向均匀入射，假定光电导材料的吸收系数为α，表面反射率为R，则光功率在材料内部沿x方向的变化规律为xPxPR

e1相应的光生面电流密度j（x）为jxevnx式中e为电子电荷，v为电子在外电场方向的漂移速度，n（x）为在x处的电子密度。流过电极的总电流为ddijxbdxevbnxdx

00

2022/4/4通信与信息工程学院10稳态下，电子得复合率为n(x)/τ，而电子的产生率等于单位面积、单位时间吸收的光子数乘以量子效率η，产生率＝复合率得：xnx

1RPeτ为电子的平均寿命，hblη为量子效率应用上面两式得：e'iMPM为电荷放大系数hdx有效量子效率'1Rdx

0e

nVM为电荷放大系数，u是电子迁移率，寸。V为外加偏压，l为结构尺M2nl2022/4/4通信与信息工程学院112.光电导探测电路典型的光电探测器在电路中的连接如图4-3所示。电路中的参数Vb和RL均会影响输出信号的电压值，那么，如何选择Vb和RL？2022/4/4通信与信息工程学院12从图4-3可见，负载电阻RL两端的直流压降为

RLVVRLb

RRLd当光辐射照到探测器上时，探测器电阻Rd就发生变化，负载电阻RL两端压降也就发生变化，这个电压的变化量就是信号电压VsVRLRLVVsb

RRdd2RdRRLd

VVsb

Rd12RL2

RLRRLd

RRLd当上式等于0时，有RL＝Rd，信号电压为极大值。2022/4/4通信与信息工程学院13从图4-3可见，在偏压Vb作用下，通过探测器电流I为IVbRRLd

在探测器上消耗的功率P为PIR2d经验数据－探测器的功耗不应超过0.1W/cm2，若探测器的面积为Ad，则消耗功率不应超过0.1Ad，与最大允许电压关系为：212

Vbmax

RRLd

2VAbmax

0.1d0.1Ad2RdRRLd

Rd

Vb,max并不是最佳偏压。2022/4/4通信与信息工程学院14图4-4信号、噪声电压随偏流变化图2022/4/4通信与信息工程学院153.几种典型的光电导探测器简介光电导探测器按晶体结构可分为多晶和单晶两类。多晶类多是薄膜型器件，如PbS、PbSe、PbTe等，单晶类中常见的有锑化铟（InSb）、碲镉汞（HgCdTe）、碲锡铅和掺杂型几种。CdS和CdSe。这是两种造价低的可见光辐射探测器（CdS：0.3～0.8μm，CdSe：0.3～0.9μm）。它们的主要特点是高可靠性和长寿命，因而广泛用于自动化技术中。PbS。这是一种性能优良的近红外辐射探测器，是在室温条件下探测灵敏度最高的一种红外探测器，室温下的禁带宽度为0.37eV，相应的长波限为3μm。PbTe。在常温下对4μm以内的红外光灵敏，冷却到90K，可在5μm范围内使用。响应时间约为10－4～10－5s。InSb。这也是一种良好的近红外（峰值波长约为6μm）辐射探测器。HgCdTe探测器。HgCdTe是由半导体CdTe和半金属HgTe采用半导体合金法混合而成的合金系统。2022/4/4通信与信息工程学院16图4-5不同工作温度下InSb光电导探测器的光谱特性2022/4/4通信与信息工程学院17为了提高信噪比，英国首先研制成扫积型HgCdTe探测器，如图4-6。它是由若干小的方形单元探测器排列成的线阵探测器，当目标的红外像点沿长条方向扫过时，外加电场驱使光生载流子也沿光点扫描方向迁移，并使迁移速度与像点扫描速度同步，这样可使信号积累（积分输出）。若此扫积探测器由n个单元组成，信号将是单元探测器输出的n倍，但由于噪声的非相关性，噪声只会增加根号n倍，因此信噪比可提高n1/2倍。2022/4/4通信与信息工程学院18掺杂型光电导探测器。主要是以锗（Ge）为主体材料掺有其它杂质的杂质半导体。它们主要用于8～14μm长波段内。图4-7掺杂型光电导探测器的光谱特性2022/4/4通信与信息工程学院19表4-1几种光电导探测器的典型特性2022/4/4通信与信息工程学院204.1.3光伏探测器利用P－N结的光伏效应而制作的光电探测器称为光伏探测器。与光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂些，P－N结受光照射时，即使没有外加偏压，P－N结自身也会产生一个开路电压，这时如果将P－N结两端短接，便有短路电流通过回路。因此利用利用光生伏特效应制成的结型器件有光电池和光电二极管之分，而光电二极管又有两种工作模式，光电导和光伏式，它们由外偏压电路决定。1.两种工作模式一个P—N结光伏探测器用图4－8（a）中的符号表示，它等效为一个普通二极管和一个恒流源（光电流源）的并联，如图4－8（b）所示。在零偏压时（图4－8（c）），称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时（图4－8（d）），即外加p端为负，n端为正的电压时，称为光导工作模式。2022/4/4通信与信息工程学院21图4－8光伏探测器及其工作模式示意图2022/4/4通信与信息工程学院22普通二极管的伏安特性为euKT/iieDs1式中，iS为反向饱和电流，u是探测器两端电压，e是电子电荷，因而光伏探测器的总电流i为euKTiiiieiDs1式中iφ为光电流。光伏探测器的伏安特性如图4－9所示。由图可见第一象限是正偏压状态，iD本来很大，所以光电流iφ不起重要作用，因此在这一区域工作没有意义。第三象限是反偏压状态，这时iD＝-iS，它对应于光功率P=0时二极管的反向饱和电流，称为暗电流，其数值很小，光电流iφ＝i-is。由于这种情况的外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的工作方式称为光导模式。第四象限中，外偏压为零，当负载电阻比较小时，RL3的负载线接近于理想的垂直负载线，这是，输出光电流正比于入射功率，这种状态工作模式叫光伏模式。2022/4/4通信与信息工程学院23图4－9光伏探测器的伏安特性2022/4/4通信与信息工程学院242．两种工作模式的比较光导模式工作时，光电二极管加反偏压，可以大大提高器件的频率特性。此外反偏压可增加长波端灵敏度及扩展线性区上限。但反偏产生的暗电流引起较大的散粒噪声，且频率低于1KHz时还有1/f噪声，这又限制了探测能力的下限。因光伏式二极管无偏压工作，故暗电流造成的散粒噪声小，且无1/f噪声，有高得多的信噪比。光伏式二极管主要应用于超低噪声、低频及仪器方面。光导式二级管则主要用来探测高速光脉冲和高频调制光。3.光谱响应和频率特性光电二极管都有一定的光谱响应范围，图4－10给出了Si光电二极管的光谱响应曲线。高频计算的简化等效电路如图4-11（b）所示，其截止频率fc为f1c2RLCj通常又定义电路的时间常数Tc为

cj2.20.35/RLCfc2022/4/4通信与信息工程学院25图4－10Si光电二极管光谱响应曲线2022/4/4通信与信息工程学院26图4－11光电二极管的高频等效短路f1电路的时间常数：τ＝2.2RC截至频率：ccLj2RCLj2022/4/4通信与信息工程学院274．常用的光伏探测器简介(1)硅光电池。也称太阳电池或光伏电池。工作在图4－43所示的第四象限。价格便宜，光电转换效率高，光谱响应宽，频率特性好，寿命长，稳定性好，耐高能辐射，适合近红外探测。(2)PIN硅光电二极管。从前面光电二极管的讨论中可知，载流子的扩散时间和电路时间常数大约同数量级，是决定光电二极管响应速度的主要因素。为了改善频率特性，就得设法减小载流子扩散时间和结电容，于是人们提出加一层中间本征层。(3)异质结光电二极管。异质结是由两种不同的半导材料形成的P一N结。P一N结两边是由不同的基质材料形成的，两边的禁带宽度不同。通常以禁带宽度大的一边作为光照面，能量大于宽禁带的光子被宽禁带材料吸收，产生电子－空穴对。如果光照面材料的厚度大于载流子的扩散长度，则光生载流子达不到结区，对光电信号无贡献。而能量小于宽禁带的长波载流子却能顺利到达结区，被窄禁带材料吸收，产生光电信号。(4)雪崩光电极管（APD）。以上讨论的光电二极管都是没有内部增益的，即增益≤１。这里讨论的雪崩二极管是有内部增益的，增益可达102～104。它是利用雪崩管在高的反向偏压下发生雪崩倍增效应而制成的光电探测器。2022/4/4通信与信息工程学院28光电流增益的大小用倍增因子M表示。实验表明，M随反向偏压V的变化可用加下的经验公式近似表示M11VnVB为击穿电压，n为与材料VB有关的常数

APD的噪声主要是散粒噪声预热噪声，噪声电流有效值可写为12

24KTfIeMFfn2iiisbDReq11M2r是电子和空穴电离概率rMFM11rM2022/4/4通信与信息工程学院29（5）Schottky势垒光电二极管。这是一种由金属和半导体接触所制成的光电二极管，反向偏压状态，内建电场从集工作原理：基区和集电区处于所以这种光电二极管也称为金属半导体光电二极管。要求反偏压工作，光从金属一电区指向基区。光照基区，产生电子－空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电区，空穴留在基区，使基区电位升高，这相当于EB结上加了个正侧入射。为使透光性好，金属是用真空镀膜技术制成的金属膜，厚度只有几十埃。(6)光电三极管。光电三极管具有内增益，偏压，基极电位升高，发射极但获得内增益的途径不是雪崩效应，而是便有大量电子经基极流向集电极，最后形成光电流。光电流随光照强弱而变化。利用一般晶体管的电流放大原理。2022/4/4通信与信息工程学院30(7)InSb光伏探测器。InSb材料既可作光电导探测器，也可制成P－N结光伏探测器。常以P型层表面作光照面，产生的少数载流子是电子，具有较大的迁移率和扩散长度，这样可以使大多数的光生少数载流子扩散到PN结而形成光生电动势，因而可使灵敏度较高。是在3～5um波段内常用的高性能红外探测器。（8）HGCdTe光伏探测器。近20年来在红外探测器方面最卓越约成绩是HgCdTe探测器的研制成功及投入使用。和光电导型HgCdTe一样，可采用半导体合金法将化合物CdTe和HgTe合成Hg1－xCdxTe合金。若在P型HgCdTe中将Hg扩散进去，表面将形成N型层，从而构成PN结，改变组份x就可以改变HgCdTe探测器的工作波段。（9）长波长红外焦平面阵列。随着军事和遥感遥测科学的发展，对由大量单元红外探测器构成的高密度焦平面阵列的要求日益迫切，尤其使8～14μm的长波长红外波段的探测器对接近景物的目标最为敏感，因此一直是红外焦平面阵列研究的主要方向之一。期望能利用成熟的工艺制作、波长可调，并可将探测器与信号处理及读出电路集成在同一芯片上的大面积长波红外焦平面阵列。此概念20世纪70年代提出，80年代分子束外延和金属有机化学汽相淀积等工艺的发展，才成功地生长出能制作长波红外探测器所必须的异质结GexSi1-x/Si等伪合金及GexSi1-x-GexSi1-x/Si异质结内光发射的长波红外探测器阵列。2022/4/4通信与信息工程学院314.1.4其它光子探测器简介1.光子牵引探测器光子牵引探测器是一种非势垒光伏效应探测器。它和HgCdTe光电二极管一样适用于10.6μm的激光波长探测。但是HgCdTe光电二极管只能在微弱光信号下使用，而光子牵引探测器则适用于强光探测。因此它广泛用于CO2脉冲激光器输出的探测。P型锗的光子牵引探测器示意图这种探测器的优点是响应快，可在损伤阈值高及室温下工作，不需要电源。缺点是灵敏度低，典型器件的单位带宽等效噪声功率为10－3W，只有在强光下才能使用。2022/4/4通信与信息工程学院322.光电磁探测器如图4－12所示，将半导体置于强磁场中，当半导体表面受到光辐射照射时，在表面产生电子－空穴对，并且浓度逐渐增大，电子和空穴便向体内扩散，在扩散过程中，受到强磁场的洛伦兹力的作用，使空穴和电子的偏转方向相反，从而在半导体内产生一个电场，阻碍着电子和空穴的继续偏转，如果这时将半导体两端短路，则产生短路电流；开路时，则有开路电压。这种现象叫做光电磁效应。利用这种效应制成的光电探测器叫做光电磁探测器（PME器件）。2022/4/4通信与信息工程学院33图4－12光电磁效应2022/4/4通信与信息工程学院34图4－13Pb－PbO－Pb隧道结的伏安特性曲线3.Josephson结探测器在两超导薄膜之间被一层（厚约10Å）电介质隔开，这种结构称为Jesephson结，或超导隧道结。若通过隧道结的电流小于某一临界值，在结上没有电位降，则在隧道结的伏安特性曲线中存在一个零电压的电流。若通过隧道结的电流超过这个临界值，在结上将产生电位降，这时在伏安特性曲线中，将沿着测量负载线跳到正常电子隧道的曲线上，如图4－13所示。这种在隧道结中有隧道电流通过而不产生电位降的现象，称之为直流Josephson效应。2022/4/4通信与信息工程学院35若在隧道结上维持一个有限的电位降V，在隧道结两超导体之间将有一个频率为f的交流电流通过，频率f和电压V之间有下述关系E为电子电荷，h为普fehV2/朗克常数若隧道结受到光辐射照射时，在一系列分立的电压值上可以感应出额外的直流电流，则在隧道结的直流伏安特性曲线上，出现常电压－电流阶梯现象。阶梯处的电压Vn和外加辐照信号频率f的关系为nfeh2/Vnn为阶梯级数。产生这种现象的原因是，由于隧道结受到辐射照射时，在结上可以感应出交流电压，而这交流电压反过来对结上的Josephson电流进行调制，从而产生许多使电流增大的边带。利用Josephson结效应可以研制出从射频到远红外的宽广频率范围内、灵敏度为皮瓦的探测器。在射电天文、毫米波通信等方面有实际应用。2022/4/4通信与信息工程学院36§4.2光接收机框图探测器前置主放大器均衡器判决器译码器光信号放大器AGC时钟提取电路探测器：实现光电变换。前放：主放：均衡器：保证判决时不存在码间干扰。判决器，时钟提取：对信号进行再生。AGC电路：改变接收机的增益，扩大接收机的动态范围。实现低噪声放大。提供足够的增益，且增益受AGC电路的控制。2022/4/4通信与信息工程学院37§4.3光接收机的灵敏度接收灵敏度定义保证达到给定误码率的条件下，光接收机需要的最小平均光功率。(Pmin:W，dBm)2022/4/4通信与信息工程学院38BER10-410-510-610-7给定BER10-810-910-10P(dBm)-32-30-28-26-24接收灵敏度Pmin2022/4/4通信与信息工程学院39灵敏度与码速的关系fbPmin(变差)PIN:Pminfb3/2-20Pmin(dBm)-30PIN(4.5dB/比特率倍程)APD：Pminfb7/6-40APD(3.5dB/比特率倍程)-50APD比PIN改善-60灵敏度5-10dB灵敏度与量子极限-70量子极限差10dB左右-801101001000fb(Mb/s)2022/4/4通信与信息工程学院40LD消光比对灵敏度的影响EXTPmin恶化□对于PINPmin9EXT(%)(dB)□对于APDPmin18EXT(%)(dB)例：EXT=10%Pmin=1.8dB2022/4/4通信与信息工程学院41各种因素对灵敏度的影响探测器噪声

量子噪声

暗电流噪声

倍增噪声倍增失调—雪崩增益偏离最佳值

放大器噪声----影响灵敏度的最主要因素码速率消光比2022/4/4通信与信息工程学院42各种因素对灵敏度的影响LD量子噪声

光子数的随机起伏模式分配噪声

多纵模LD各模式携带能量的随机变化模式噪声

多模光纤链路中连接,耦和等单元的空间滤波效应反射噪声

LD输出的光反射回LD谐振腔中影响光强,光谱等

其它多路径反射2022/4/4通信与信息工程学院43无码间干扰判决的条件□线性相移传输系统：

H()=0

H()+H(2/Tb-)=C>2/Tb0<<2/TbH()+=

/Tb

/Tb

/Tb2022/4/4通信与信息工程学院44升余弦形频谱在光纤通信系统中，常设计均衡网络使输出波形具有升余弦形频谱。□频谱10<(1-)/Tb1[1+sinTb(2-)](1-)(1+)A()=2TbTbTb0>(1+)Tb2022/4/4通信与信息工程学院45升余弦形频谱□频谱A()1=0.50.5=1

-2/Tb-/Tb

/Tb2/Tb:滚降因子，0<1，表示频谱曲线滚降的快慢。=1滚降最慢。2022/4/4通信与信息工程学院46升余弦形频谱□波形sin(t/Tb)cos(t/Tb)hout(t)=tTb[1-(Tb)²]2thout(t)=1t-4Tb-3Tb-2Tb-Tb0Tb2Tb3Tb4Tb2022/4/4通信与信息工程学院47升余弦形频谱□波形

hout(0)=1

hout(nTb)=0n=±1,±2,±3,..

本码元判决时刻信号最大，

相邻码元判决时刻信号为零，无码间干扰。2022/4/4通信与信息工程学院48均衡网络的传递函数Heq()为实现无码间干扰判决需满足S()•Hof()•Ham()•Heq()=A()S():Hof():光纤的传递函数Ham():放大器的传递函数发送脉冲的频谱A()Heq()=S()•Hof()•Ham()均衡网络与发送脉冲波形，光纤特性，放大器特性有关。2022/4/4通信与信息工程学院49均衡电路网络综合问题。眼图分析法眼图------随机信号在反复扫描过程中叠加在一起的综合反应。发送脉冲眼图：Tb均衡输出眼图：2022/4/4通信与信息工程学院50最佳判决时刻眼图分析法模型化眼图：判决门限V1V2t1t2□垂直张开度：E

=V1/V2反映系统的抗噪声能力。□水平张开度：E

=t1/t2反映过门限失真的大小。E

小会导致提取出的时钟信号的抖动增加。□眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响。2022/4/4通信与信息工程学院51§4.4接收机的动态范围和自动增益控制(AGC)电路接收机的动态范围保证达到给定误码率的条件下，允许接收光功率的变化范围。(dB)------反映接收机接收强信号的能力。系统对接收机动态范围的要求：D(dB)=[PTR(dBm)-10dB]~Pmin(dBm)可正常接收比发送功率小10dB的光功率例：fb=34Mb/s,Pmin=-44dBm,PTR=-3dBm要求：D=31dB2022/4/4通信与信息工程学院52接收机的动态范围BER10-4D(dB)=Pmax(dBm)-Pmin(dBm)10-510-610-7动态范围D给定BER10-810-910-10≈P(dBm)-32-30-28-12-10-8-6接收灵敏度Pmin过载功率Pmax2022/4/4通信与信息工程学院53自动增益控制电路框图光电前置主放均衡判决检测放大APDAGC峰值高压放大检测扩大动态范围方法：

控制APD的雪崩增益

D(dB)=10lg(Gopt/Gmin)+½Da(dB)控制主放大器的增益2022/4/4通信与信息工程学院54APD雪崩增益控制电路G控制范围：D=10lg(Gopt/GGoptmin)Gopt:30~100Gmin受噪声限制VVminVoptGmin:5~10受响应速度限制APD高压D：10dB左右VD1VminVD2Vopt-VD1WD1WD2AGC信号