光检测器及光接收机

关于光检测器及光接收机5.1半导体光检测器原理、结构及特性

光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，它的作用是把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号。光接收机的组成框图如图5.1所示，它由光检测器、低噪声前置放大器、主放大器、均衡器以及滤波器等组成。

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图5.1光接收机组成框图第3页,共61页，2024年2月25日，星期天

光检测器用于将接收到的光信号转换成电信号。由于从光纤中传过来的光信号一般都很微弱，因此对光检测器的基本要求是:（1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；（2）具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；（3）具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；（4）具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；（5）具有较小的体积、较长的工作寿命等。第4页,共61页，2024年2月25日，星期天

光检测器产生的光电流是非常微弱的，必须由前置放大器进行低噪声放大，因此前置放大器的噪声对放大器输出的信号影响非常大。主放大器、均衡器以及滤波器对信号进行进一步放大及整形，以提高系统性能。本章首先介绍光电检测器的原理及特性，然后介绍数字光接收机的组成及特性。第5页,共61页，2024年2月25日，星期天5.1.1PN结的光电效应光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，由光电二极管作成的光检测器的核心是PN结的光电效应。当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子—空穴对。第6页,共61页，2024年2月25日，星期天

在耗尽区，在内建电场的作用下电子向N区漂移，空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足(5.1)(5.2)即存在第7页,共61页，2024年2月25日，星期天λc为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波长。以Si为材料的光电二极管,λc=1.06μm;以Ge为材料的光电二极管，λc=1.60μm。利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。但这种光电二极管结构简单，无法降低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。第8页,共61页，2024年2月25日，星期天5.1.2PIN光电二极管

1.PIN光电二极管的结构如图5.2所示，PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。由于I层吸收系数很小，入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子—空穴对，因此大幅度提高了光电转换效率。另外，I层两侧的P层、N层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。第9页,共61页，2024年2月25日，星期天图5.2PIN光电二极管结构第10页,共61页，2024年2月25日，星期天2.PIN光电二极管的特性

PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度及噪声特性等。

1)波长响应范围由式（5.2）可知，不同半导体材料存在着上限波长即截止波长。当入射波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大降低。因此，半导体光电检测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换，这一波长范围就是波长响应范围。由于半导体材料对光的吸收，光在材料中按指数率衰减，因此经过长度d的材料的光功率为第11页,共61页，2024年2月25日，星期天

式中，α是材料对光的吸收系数，其单位为长度单位的倒数。称1/α为光的穿透深度。半导体材料的吸收系数α与波长有关。半导体材料的吸收作用随波长减小而迅速增强，即α随波长减小而变大。图5.3为光纤通信中用作光检测器的几种材料的吸收系数随波长的变化情况。(5.3)第12页,共61页，2024年2月25日，星期天图5.3用作光检测器的几种导体材料的吸收系数随波长的变化情况第13页,共61页，2024年2月25日，星期天

半导体材料的吸收系数α与波长有关。半导体材料的吸收作用随波长减小而迅速增强，即α随波长减小而变大。图5.3为光纤通信中用作光检测器的几种材料的吸收系数随波长的变化情况。

从图中可以看出，当波长很短时，材料的吸收系数很大，这样，光在半导体材料表层即被吸收殆尽。在表层产生的光生载流子要扩散到耗尽层才能产生光生电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速度很慢，在光生载流子还没有到达耗尽层时就大量被复合掉了，使得光电转换效率在波长很短时大大下降。第14页,共61页，2024年2月25日，星期天

综上所述，检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。Si―PIN光电二极管的波长响应范围为0.5～1μm，Ge―PIN和InGaAs―PIN光电二极管的波长响应范围约为1~1.7μm。第15页,共61页，2024年2月25日，星期天2)响应度响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参量。它定义为(5.4)

其中，Pin为入射到光电二极管上的光功率；Ip为所产生的光电流。它的单位为A/W。第16页,共61页，2024年2月25日，星期天3)量子效率量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即η=光电转换产生的有效电子—空穴对数入射光子数(5.5)第17页,共61页，2024年2月25日，星期天

其中,e为电子电荷，其值为1.6×10-19C。所以有

式中,λ单位取μm。可见，光电检测器的响应度随波长的增大而增大。图5.4为PIN光电二极管的响应度、量子效率与波长的关系。可以看出，响应度、量子效率随着波长的变化而变化。

为提高量子效率，必须减少入射表面的反射率，使入射光子尽可能多地进入PN结；同时减少光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区内被充分吸收。

(5.6)第18页,共61页，2024年2月25日，星期天图5.4第19页,共61页，2024年2月25日，星期天4)响应速度响应速度是光电检测器的另一个重要参数，通常用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。光电二极管在接收机中使用时通常由偏置电路与放大器相连，这样检测器的响应特性必然与外电路相关。如图5.5为检测器电路及其等效电路，其中Cd、Rs、RL分别为检测器的结电容、串联电阻、负载电阻，CA、RA分别为放大器的输入电容和电阻。第20页,共61页，2024年2月25日，星期天

图5.5光电二极管电路(a)接收电路；(b)等效电路第21页,共61页，2024年2月25日，星期天

影响响应速度的主要因素有：（1）检测器及其负载的RC时间常数。要提高响应速度，就要降低整个电路的时间常数。从检测器本身来看，就要尽可能降低结电容(5.7)

式中，ε为材料的介电常数，A为结面积，W为耗尽区厚度。第22页,共61页，2024年2月25日，星期天

（2）载流子漂移通过耗尽区的渡越时间。光电二极管的响应速度主要受到耗尽区内的载流子在电场作用下的漂移通过所需时间(即渡越时间)的限制。漂移运动的速度与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比于电场强度，当电场强度达到某一值后，漂移速度不再变化。（3）耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟。耗尽区外产生的载流子一部分复合，一部分扩散到耗尽区，被电路吸收。由于扩散速度比漂移速度慢得多，因此，这部分载流子会带来附加时延，会使输出电信号脉冲拖尾加长，如图5.6所示。第23页,共61页，2024年2月25日，星期天图5.6光脉冲及电流脉冲波形第24页,共61页，2024年2月25日，星期天5)噪声特性光电二极管的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声。除负载电阻的热噪声以外，其它都为散弹噪声。散弹噪声是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。量子噪声是由于光电子产生和收集的统计特性造成的，与平均光电流Ip成正比。来自噪声电流的均方值可表示为(5.8)式中，Δf为噪声带宽。第25页,共61页，2024年2月25日，星期天

暗电流噪声是当没有入射光时流过器件偏置电路的电流，它是由于PN结内热效应产生的电子—空穴对形成的，是PIN的主要噪声源。暗电流的均方值可表示为(5.9)

式中，Id为暗电流平均值。当偏置电压增大时，暗电流增大。暗电流还随着器件温度的升高而增加。暗电流的大小与光电二极管的结面积成正比，故常用单位面积上的暗电流即暗电流密度来衡量。第26页,共61页，2024年2月25日，星期天

图5.7给出了几种光电检测器常用材料的暗电流密度与偏置电压的关系。

除此之外，光电二极管中还有表面漏电流。表面漏电流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺陷、不清洁和加有偏置电压而引起的。漏电流的均方值可表示为式中，IL为漏电流平均值。(5.10)第27页,共61页，2024年2月25日，星期天图5.7暗电流密度与偏置电压的关系第28页,共61页，2024年2月25日，星期天

漏电流和暗电流一样，都只能通过合理设计、良好的结构以及严格的工艺来降低。任何电阻都具有热噪声，只要温度高于绝对零度，电阻中大量的电子就会在热激励下作无规则运动，由此在电阻上形成无规则弱电流，造成电阻的热噪声。均方热噪声电流为(5.11)第29页,共61页，2024年2月25日，星期天

式中，R为等效电阻，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数。因此，光电二极管的总均方噪声电流为(5.12)

量子噪声不同于热噪声，它伴随着信号的产生而产生，随着信号的增大而增大。当没有光入射时，信号消失，量子噪声也同时消失。第30页,共61页，2024年2月25日，星期天5.1.3雪崩光电二极管（APD）

1.雪崩光电二极管的结构当耗尽区中的场强达到足够高时，入射光产生的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，激发出新的电子—空穴对。这些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也可以电离其它的原子。经过多次电离后，载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。第31页,共61页，2024年2月25日，星期天

图5.8为一种被称为拉通型APD（RAPD）的结构。π层为低掺杂区（接近本征态），而且很宽。当偏压加达到一定程度后，耗尽区将被拉通到π层，一直抵达P+层。这是一种全耗尽型结构，具有光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。第32页,共61页，2024年2月25日，星期天图5.8一种称为拉通型APD(RAPD)的结构图

(a)RAPD的结构示意图;(b)场分布示意图第33页,共61页，2024年2月25日，星期天2.雪崩光电二极管的特性与PIN相比，雪崩光电二极管的主要特性也包括波长响应范围、量子效率、响应度、响应速度等。除此之外，由于APD中雪崩倍增效应的存在，APD的特性还包括雪崩倍增特性、倍增噪声、温度特性等。

1)倍增因子定义倍增因子g为APD输出光电流Io和一次光生电流Ip的比值:(5.13)第34页,共61页，2024年2月25日，星期天g值随反向偏压、波长和温度而变化。显然，APD的响应度比PIN增加了g倍。现在APD的g值已达到几十甚至上百。第35页,共61页，2024年2月25日，星期天2)噪声特性

APD中的噪声除了量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声之外，还有附加的倍增噪声。雪崩倍增效应不仅对信号电流有放大作用，而且对噪声电流也有放大作用。同时雪崩效应产生的载流子也是随机的，所以会引入新的噪声成分。用附加噪声因子F(大于1）可描述雪崩效应的随机性所引起的噪声增加的倍数。通常附加噪声因子可表示为

F=g

x(5.14)第36页,共61页，2024年2月25日，星期天

式中，x称为附加噪声指数，反映了不同材料的APD的附加噪声的大小。对于Si，x=0.3~0.5；对于Ge，x=0.6~1.0；对于InGaAsP，x=0.5~0.7。第37页,共61页，2024年2月25日，星期天APD中表面漏电流不被倍增，热噪声与PIN的特性相同。量子噪声为暗电流噪声为(5.15)(5.16)第38页,共61页，2024年2月25日，星期天3)温度特性当温度变化时，原子的热运动状态发生变化，从而引起电子、空穴电离系数的变化，使得APD的增益也随温度而变化。随着温度的升高，倍增增益下降。为保持稳定的增益，需要在温度变化的情况下进行温度补偿。第39页,共61页，2024年2月25日，星期天5.2数字光接收机5.2.1数字光接收机的组成数字光接收机的组成如图5.9所示，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。第40页,共61页，2024年2月25日，星期天图5.9数字光接收机组成框图第41页,共61页，2024年2月25日，星期天

前置放大器是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前置放大器的噪声取决于放大器的类型。主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制（AGC），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不变。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。第42页,共61页，2024年2月25日，星期天

均衡器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，使输出信号的波形适合于判决（一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形），以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。第43页,共61页，2024年2月25日，星期天

数字光发射机的主要指标有灵敏度、误码率和信噪比。灵敏度是指在给定误码率条件下，能够检测到的最小信号光功率，通常用dBm表示。它表示接收机检测微弱信号的能力。接收机的动态范围指接收机可以正常工作的输入信号的变化范围。这些指标与光检测器和放大电路的结构类型、系统的传输速率等有关。第44页,共61页，2024年2月25日，星期天5.2.2数字光接收机的噪声

1.数字光接收机的噪声源接收机中，影响接收机灵敏度的主要因素是信号检测和放大系统中的各种噪声。这些噪声的分布如图5.10所示。这些噪声可分为散弹噪声和热噪声两大类。散弹噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD的倍增噪声；热噪声包括负载电阻上的热噪声和放大电路中产生的噪声。具体的噪声均方值形式类似于PIN噪声特性中的表示。第45页,共61页，2024年2月25日，星期天图5.10接收机的噪声及其分布第46页,共61页，2024年2月25日，星期天2.数字光接收机的噪声特性的分析方法噪声是一种随机过程，应采取随机过程的分析方法。用概率密度和概率分布函数来表示随机过程的统计特性。接收机可以等效为类似于图5.11所示的等效电路，其中is(t)为入射光产生的光电流，CPN为检测器结电容，Cs为杂散电容，RL为偏置电路电阻，id为检测器的噪声电流，iL为偏置电阻的热噪声电流，Ra、Ca分别为前置放大器的输入电阻和输入电容，第47页,共61页，2024年2月25日，星期天ia、ea分别为前置放大器的噪声电流、电压源，A1(ω)、A2(ω)、E(ω)、F(ω)分别为前置放大器、主放大器、均衡器、滤波器的响应函数。对于这样的线性网络，可以获得系统输出由于各种噪声影响的统计平均特性。

确定系统的噪声特性后，就可以进行灵敏度的计算。第48页,共61页，2024年2月25日，星期天图5.11接收机等效电路第49页,共61页，2024年2月25日，星期天5.2.3数字光接收机的灵敏度灵敏度是光接收机最重要的性能指标。影响光接收机灵敏度的主要因素是光检测器和前置放大器的噪声特性。

由于噪声的存在，使接收机放大器输出的信号成为一个随机变量，经过判决、再生后，会出现将原来的“1”码误判为“0”码、“0”码误判为“1”码的情况，即出现误码。如图5.12所示，V0、V1分别为“0”码、“1”码的平均电平值，D为判决电平。第50页,共61页，2024年2月25日，星期天图5.12输出信号的概率密度第51页,共61页，2024年2月25日，星期天

若已知“1”码、“0”码取值的概率密度分别为f0(x)、f1(x)，则“0”码误判为“1”码的概率为“1”码误判为“0”码的概率为(5.17)(5.18)则总误码率BER为(5.19)第52页,共61页，2024年2月25日，星期天P(0)、P(1)分别为码流中“0”码、“1”码出现的概率。

以此为基础，可以根据要达到的误码率，确定入射光功率，从而确定灵敏度。要计算灵敏度，首先必须求出总噪声的概率密度函数。光接收机的噪声特性、灵敏度随系统所用器件、电路的不同而不同，计算过程十分繁杂，具体计算过程和最后结果可参阅有关书籍。第53页,共61页，2024年2月25日，星期天5.2.4数字光接收机的前置放大器电路由于前置放大器的噪声特性是影响光接收机灵敏度的主要因素之一，因此前置放大器必须有良好